高温后混凝土的力学性能试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1期 ( 总 第 3 0 3期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No ． 3 0 3) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T髓 0RETI CAL RES EAI H d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 4 高温后混凝 土 的力学性 能试 验研 究 陈宗平 。王欢欢 ，陈宇良 ( 广西大学 a ． 土木建筑工程学院．b ． 工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要： 为了研究高温后混凝土材料 的力学性能 ， 设计 2 4个高温后棱柱体试件进行轴心受压试验， 主要考虑火灾温度对试件破 坏形态、 变形性能、 剩余承载能力的影响， 试验观察 了不同温度下试件的外观变化、 破坏形态， 测试了其物理、 力学性能指标 ， 并分 析 了经历不 同温度后混凝土材料的力学性能退化规律 ， 提出了高温后混凝 土的应力 一应变关 系以及强度计算式。 研究表 明： 随 着试件受火温度的增加 ， 混凝土的表面颜色发生改变 ， 并伴随龟裂现象， 质量变轻； 峰值应力降低 ， 而峰值应变总体呈增大趋势。 研究结果可为混凝土工程 的高温后评估提供参考 。 关键词： 混凝土 ； 高温 ； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 0 1 3 — 0 5 T e a t s t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e di e s o f c on c r e t e a fte r a fi r e h i g h t e m p e r a t ur e CHEN Zo n g pi n g ，WANG Hu a n h u a n。， CHEN Yu l i a n g。 ( a ． C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e ． b ． Ke y L a b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n ti o n a n d S t r u c t u r a l S a f e t y o f C h i n a Mi n i s t r y o f E d u c a ti o n ， G u a n g x i U ni v e ~ i t y ， N ann i n g 5 3 0 0 0 4 ， C hi n a ) Abs t r a c t： I n o r d e rt O s t ud yme c h an i c a l p r o pe r t i es o f c o n c r e t ema t e r i a l a f t e r e x p o s u r et of i r e， 2 4 p r i s m s p e c i me nswe r e d e s i g n e df o r a x i al c o mp r e s s i o n t e s t ， f i r e t e mper a tur e i s t a k e n i n t o c o n s i d e r a ti o n a s t h e ma j o r p a r a me t e r s ． Ap p e aranc e c h ang e s ， d e fl e c ti o n c u r v e s and the f a i l — U re p a t t e r n s o f the s pe c i me ns u n de r d i f f e r e n t a r e o bt a i n e d， the p h y s i c al and me c h a n i c al p r o p e r t i e s we r e t e s ted， an d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s d e g r a d a tio n r u l e s o f c o n c rete ma t e ria l a f t e r d i f f e r e n t t e mpe r a t u r e we r e an a l y z e d， the s tre s s—s t r a i n r e l a ti o n s hip s a n d the s t r e n g t h c a l c u l a — t i o n f o r mu l a o f c o n c r e te a f t e r fir e dis a s t e r hig h temp e r a t u r e we re p r o p os e d ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a s the i n c r e a s e of the fir e t e mp e r a - t u r e， the s u r f a c e s c o l o r s o f c o n c r e te c hange wi t h c r a c k a p p e a r i n g a n d ma s s l o s i ng； wi th the fir e t e mpe r a tur e i n c r e a s e the pe a k s t r e s s e s o f t h e s pe c i me ns r e d u c e， the p e a k s t r a i ns h a v e an i n c rea s i n g ten d e n c y， o p po s i t e l y． Th e res u l t s C an p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r c o n c r e te e n gi n e e r - i n g a s s e s s me n t a f t e r a fir e ． Key wor ds： c o n c ret e； h i g h t e mpe r a tur e； me c h an i c a l p r o pe r t i e s 0 引言 工程结构的防灾减灾研究领域中 ， 结构抗火 问题 的研 究具有重要的地位， 如何合理评估火灾后混凝土结构的承 载能力并采取合理有效 的加 固措施 ， 对研究结构 的防灾减 灾具有重要 的理论意义和工程价值 。 为此 国内外学者进行 了大量研究 ， 并取得 了重要成果 ， 但 由于混凝 土材料 具有地域特性 ， 不同地 区的混凝 土 由于材料 成分 的差 异 ， 导致其火灾后的力学性能有所不同。 针对广西地区火灾后 混凝土 的力学性能研究 ， 目前 尚未见有文献 报道 ， 由于缺 乏相关研究成果 ， 给这一地区火灾后混凝土结 构的性 能评 估工作带来一定 困难 。 为此 ， 本试验 以广西 南宁市 的普通 碎石混凝土为研究对象 ， 对其进行 8种不同火 灾温度 场作 用后的物理及力学性能进行试验研究， 并分析其性能指标 随温度场变化的衰减规律。 1 试验概 况 1 ． 1 试 验 材 料 采用广西南宁产 天然碎石 为粗 骨料 ， 粒径 范围为 5 ～ 2 0 m l n ， 连续级配 ； 细骨料 为邕江产天然河砂 ， 水泥采用海 螺牌 P O 3 2 ． 5 R级水泥 ， 拌和水为南 宁市 自来水 。 1 ． 2试件设计 共制作 2 4个 尺寸为 1 5 0 mi l l X 1 5 0 m i l l X 3 0 0 m l n的 棱柱体试件， 按 C 3 0混凝土设计， 水灰 比为 0 ． 4 3 ， 砂率为 3 2 ％， 水泥 ： 水 ： 砂 ： 天然骨料 的重量 比值 为 1 ： 0 ． 4 3 ： 1 ． 0 6 ： 2 ． 2 6 。 所有试件分 8 组 ， 每组 3个 ， 用于不 同温度条件下 的 试验 。 所有试件在 试验室 统一浇筑 并在标 准条件 下养护 2 8 d后 ， 依 据不 同 的温度设 计方案 ( 常 温 、 2 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 、 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0 、 8 0 0℃) ， 除了常温试件 以外 ， 其余 2 1 个试件 均在箱 型 电阻炉 ( 型 号为 R X 一 4 5— 9 ， 最高温度可达 到 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 7 — 1 8 基金项 目： 国家自然科学基金项目资助( 5 1 2 6 8 0 0 4 ) ； 广西科技攻关项目( 桂科攻 1 2 1 1 8 0 2 3 — 3 ) ； 广西理工科学实验中心重点项目( L G Z X 2 0 1 1 0 2 ) ； 广 西重点实验室系统性研究项 目 资助( 2 0 1 2 Z D X 0 3 ) 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m △z ——试件受力过程 中的压缩位移 ； Z ——试件的总高度。 图 6给出了所有试件 的应力 一 应变全过程曲线 。 由图 可见 ， 高温后 的混凝 土的应力 一应 变 曲线 发生 了较大 变 化。 随着温度的升高， 应力应变曲线的上升段和下降段的 斜率逐渐变小， 从陡坡变为缓坡 ； 试件的峰值应力逐渐降 低， 而峰值应变则逐渐增大。 由试件的应力 一应变 曲线可得 到不 同温度作 用后混 凝土的峰值应力 和峰值应变 占 。 ， 如表2所示。 表中数据 取各组相同温度场试件的峰值应力和峰值应变的平均值。 由表可见 ， 经受高温后混凝土的峰值应力均小于常温下混 凝土的峰值应力 ， 且随着温度的升高， 峰值应力总体上呈 逐渐降低 的趋势， 而峰值应变则呈现相反 的变化规律。 表 2峰值应力 o 。 和峰值应变 E 。 表 3给出了经受不同高温 后混凝土 的质量烧失率 I 和强度损失率 c的数值。 图7给出了高温后混凝土的质 量烧失率和强度损失率之间的变化关系。 混凝土强度损失 率总体上随着质量烧失率的增大而增大 ， 并且 同一温度下 强度损失率 比质量烧失率大得多 。 不 同温度场下的强度损 失率 与质量烧失率之间的比例关系并不恒定 ， 具体数值见 表 3 。 8 0 7 0 6 O 避 5 0 繁 4 0 3 O 2 0 1 O O 2 0 0℃ 3 0 0℃4 0 0℃ 5 0 0℃ 6 0 0℃ 7 0 0℃8 0 0℃ 图7高温后混凝土的强度和质量损失率 表 3高温后混凝土的抗压强度损失率 C与质量损失率 f T| o c 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 60 0 1 响8 0 0 C， ％ 2 4- 3 3 l 8 ． 6 6 2 4． 6 6 2 8 ． 9 9 41 ． 6 9 6 2． 9 6 7 0． 9 4 J ／ ％ 1 - 3 5 1 ． 1 3 5． 91 6．O3 6． 0 4 7． 4 6 8 ． 2 4 C 1 8． O 2 1 6 ． 5 1 4． 1 7 4I 8 1 6． 91 8． 4 7 8 ． 6 0 3 ． 3 高温后 混凝 土的应 力 一应 变本构 方程 将每组的 3 个试件分别经归一化处理 ， 然后再取平均 值作为该组代表 曲线进行无量 纲化处理 ， 即横坐标 用 g ／ e 表示 ， 纵坐标用 t r ／ o - 。 表示 ， 得到不 同温度下混凝 土无量纲 化的应力 一应变全 曲线 ， 如图 8 所示。 由图可见 ， 不同温度 下的应力 一 应变曲线在峰值应力以前的上升段基本重合 ， 变化不大 ， 但在峰值 应力 以后 的下 降段 的离散性较 大， 常 温下最 陡峭 ， 3 0 0℃ 、 5 0 0 o c较为陡峭 ， 2 0 0 oc最平缓 。 总体 来看 ， 高温后 混凝土的应力 一 应变 曲线 的变化过程与常温 下的( R A C一 2 0 ) 相似， 而在峰值点后的下降段， 高温后混 1 6 ． 凝土 的应力 一 应变曲线明显 比常温下的平缓 ， 表 明其延性 性质较显著 。 1 ． 0 0 ． 8 b。O 6 0 4 0 ． 2 O —— RAC- 2 0—— RAC- 5 0 0 —— RAC- 20 0 ——R AC- 6 0 0 ⋯～ RAC一 3 0 0 —— R AC一 7 0 0 —— RAC- 40 0 一RAC-8 0 0 O ． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 8 ， 8 ． r 甜 +( 3 — 2 a ) x +( a 一 2 ) x 0 ≤ <1 y { — ≥ 1( 3 ) 【 b ( x一1 ) + ‘ a 0 ． 8 0 0． 7 9 0． 7 0 0 ． 6 9 0． 6 8 0． 6 7 O．66 O． 6 5 6 8． o o 2． 0 o 5． 0 0 3． 6 o 8． 0 0 3 ． 5 O 2． 6 0 4． 8 O 经总结归纳， 参数 a , b 与温度 的关系式见式( 4 ) 、 ( 5 ) ： ． 一61 0一 T+0． 8 0 2 0 o c ≤ T<2 0 0 o C 口 ：J 一 9 1 0 T + 0 ． 9 7 2 0 0 oc≤ T < 3 0 0℃ ( 4 ) l 一 1 1 0 一 T+ 0 ． 7 3 3 0 0 o C≤T < 8 0 0 o C r 一0 ． 0 3 3 T+8 ． 6 6 7 2 0℃ ≤T<2 0 0℃ l 0 ． 0 3 T + 4 2 0 0 oC≤T< 3 0 0 o c l 一0 ． 0 1 4 T+9 ． 2 3 0 0 o C≤T<4 0 0 o C b= 0 ． 0 4 4 T一1 4 4 0 0 o C≤T< 5 0 0℃ ( 5 ) l 一 0 ．0 4 5 + 3 0 ．5 5 0 o ℃ ≤ T < 6 0 0 oC l —o． 0 0 9 +8 ． 9 6 0 0 oc t< <7 0 0 o C L 0． 0 2 2T一1 2 ． 8 7 0 0 o c ≤T<8 0 0 o C 3 ． 4 高温后混凝土的强度退化规律 为了能给高温后混凝土评估 工作提供指导 ， 根据试验 数据进行数学拟合 ， 得到以下强度计算式 ： f o ( T ) f o 一1 ．0 5 5+0． 0 3 P — IB I．~ 式 中： ( ) ——高温后混凝土的轴心抗压强度值 ； —— 常温混凝土的轴心抗压强度值； ( 6 ) —— 经历的温度最高值， ℃； 本次试验中， 的取值 范围在 2 0 0 ～ 8 0 0℃之间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5给出了高温后棱柱体轴心抗压强度试验值 ． 与方 程式计算值 的比值， 其平均值 = 0 ．9 6 ， 方差D= 0 ． 0 0 8 9 ， 变异系数 C = 0 ． 0 9 7 9 ， 计算值与试验值吻合较好， 因此可 供高温后混凝土的剩余强度评估参考使用。 表 5 高温后混凝土的强度试验值 与计算值 对比 4结 论 ( 1 ) 高温后混凝土表面 的颜色随着温度的不 同有所差 异 ， 在 3 0 0 oC以前 ， 混 凝土 表面 与常温 状态 一样 为灰 色 ， 4 0 0 — 5 0 0℃时， 呈泛黄暗灰色； 6 0 0℃时呈暗灰色， 表面出 现微裂缝 ； 7 0 0 o C时 ， 表 面灰 白， 裂缝明显 ； 8 0 0 1 2 时 ， 表 面 龟裂局部露出 内部粗骨料。 ( 2 ) 高温后混凝土的质量变轻 ， 抗压强度也变小 ， 温度 越高， 质量及抗压强度的损失也就越多， 并且强度损失率 与质量损失率之间存在着一定 的数量关系。 ( 3 ) 高温后混凝土 的受力破坏过程及形态随着温度 的 不同有所差异。 温度越高 ， 裂缝越多 ， 破坏前的预兆越明显。 ( 4 ) 高温后混凝土 的应力 一应变 曲线发生较大变化 。 随着温度的升高 ， 应力应变 曲线 的上升段和下降段 的斜率 变小， 峰值应力降低， 而峰值应变则增大。 ( 5 ) 提出了高温后混凝土的应力 一 应变本构方程， 拟 合曲线与试验曲线吻合较好。 ( 6 ) 提出了高温后混凝土的抗压强度计算式， 可供混 凝土高温后的安全评估提供参考 。 。 参考文献： [ 1 ]过镇海， 时旭东． 钢筋混凝土原理和分析E M- I ． 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 0— 2 4 ． [ 2 ]过镇海， 时旭东． 钢筋混凝土高温性能及其计算[ M] ． 北京： 清 华大学出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 2 — 2 4 ． [ 3 ]阎继红， 林志伸， 胡云昌． 高温作用后混凝土的试验研究[ J ] ． 土 木工程学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 5 ) ： 1 7—1 9 ． [ 4 ]逢靖华， 陆洲导， 袁延朋， 等． 混凝土高温试验及高温后抗压残 余强度研究[ J ] ． 四川建筑学研究， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 7 1 — 7 8 ． E 5 ]余志武， 丁发兴， 罗建平． 高温后不同类型混凝土力学性能研 究r J ] ． 安全与环境学报 ， 2 0 0 5 ， 5 ( 5 ) ： 1 — 6 ． [ 6 ]贾福萍， 王永春， 梁艳艳． 冷却方式和静置时间对高温后混凝 土残余强度影响[ J ] ． 建筑材料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 4 0 0— 4 0 5 ． [ 7 ]WA N G PT ， S H A N S P ． S t r e s s—s tr a i n c u r v e s o f n o r m a l a n d li g h t W e i g h t c o n c r e t e i n c o m p r e s s i o n [ J ] ． A C I J o u rna l 。 1 9 7 8 ： 7 5 — 8 2 ． [ 8 ]魏亮亮， 陆洲导， 俞可权， 等． 高温后混凝土断裂性能的试验研 究及有限元分析[ J ] ． 混凝土， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 1 0— 1 3 ． [ 9 ]李卫， 过镇海． 高温下混凝土强度和变形性能试验研究[ J ] ． 建 筑结构学报， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 8— 1 6 ． “ [ 1 0 ] 董毓利， 许卓军． 火灾后混凝土结构的评估与维修 环境学报 ， 2 0 0 2 ， 2 ( 4 ) ： 3 4— 3 7 ． [ 1 1 ] S A R S H A R R， K H R O O R Y G A． Ma t e r i a l a n d l t o t s i n flu e n c i n g t he c o mp r e s s i v e s t r e n g th o f p a s t e a n d c o n c r e t e a t h i gh t e m p e r a t u res [ J ] c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 3 ， 4 5 ( 1 6 2 ) ： 5 1 — 6 1 ． [ 1 2 ] 吴波， 马忠诚 ， 欧进洋． 高温后混凝土变} 1 试验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 5 ) ~ 1 3 - 1 曹凌坚， 吕朝坤． 超声法检测高温后混 究[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 9— 2 0 作者简介 联 系地址 ： 联系电话 ： 麦 广 西 南 宁 市 大 学 东 ■ l 138788O6o48 ．J瑷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m