受火温度和时间对喷水冷却后混凝土剩余抗压强度的影响

资伟，余志武, ，匡亚川, ，刘鹏

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙，410075)

近几十年来，随着经济的迅速发展和各种电气设备的大量使用，建筑火灾的发生越发频繁。混凝土由于其良好的力学性能和在火灾中不发生燃烧、导热慢的特点，被广泛地应用于当今建筑结构中。但是当建筑物发生火灾时，混凝土将会发生复杂的物理和化学变化，导致其力学性能劣化[1-3]，构件承载能力降低[4]，结构安全性严重削弱，甚至有可能造成严重的建筑物坍塌事故，使国家与人民的生命财产蒙受重大损失。火灾后遗留大量的遭受火灾损伤的建筑物，关系到人们的人身财产安全以及国家巨大的经济利益。对于受火建筑是拆除还是保留加固后重新使用，主要根据鉴定标准检测鉴定的结果来决定，因此对于火灾后混凝土剩余力学性能的研究是非常必要而迫切的。国内外许多学者通过大量混凝土高温下[5-6]和高温后[7-15]力学性能试验研究，发现混凝土抗压强度是各项性能中最基本、最重要的一项性能，能直接反映混凝土遭受高温影响后的剩余力学性能，并直接或间接影响着混凝土的其他性能。但大多数研究者只注重受火温度对结构力学性能的影响，而忽视了受火时间的影响。因此，本文作者通过不同受火温度和时间喷水冷却方式对不同大小火灾进行模拟，对混凝土剩余抗压强度变化规律进行了试验研究。

1 试验概况

为了准确控制受火温度和受火时间，本试验采用电阻炉将混凝土试块按照不同升温制度升温至指定温度并恒温至指定时间后，立即出炉进行喷水冷却；考虑到高温后混凝土强度有一定恢复的现象[16]，混凝土试块高温作用后静置3月再进行抗压强度试验。

1.1 试验材料及设计

采用C40商品混凝土，试块尺寸(长×宽×高)为150 mm×150 mm×150 mm。粗骨料为卵石，粒径为5～20 mm，细骨料采用中砂，水泥采用湖南坪塘生产的P.O 42.5水泥，拌合水采用饮用水，其配合比为：m(水泥):m(水):m(砂):m(石)=1:0.42:1.8:2.93。

高温加热设备为中南大学结构与市政工程研究中心自行研制开发的大型拼装式多功能电力加热炉，可以通过智能温度控制器调整电流和功率对升温过程进行控制并实时自动采集火灾温度，另外，还可以通过编程对升温曲线进行方便灵活地调整和修改以适用多种工况。

高温试验前，将ISO-834标准升温曲线相应参数输入智能温度控制器中进行升温，由于电炉实际功率无法达到标准升温曲线的功率要求，因此实际升温曲线与标准升温曲线之间存在一些差异。如图1给出了ISO-834标准升温曲线和本试验的实际升温曲线。

1.2 升温制度

混凝土试块高温试验的受火温度分别为 300，500，700和900 ℃，受火时间分别为60，100，140和180 min，共计16种高温处理工艺，用以模拟不同大小的火灾，各种升温曲线如图1所示。每种受火温度-时间工况处理3个试块，另预留3个自然状态试块，共计51个混凝土试块。混凝土试块的编号规则为：θ为受火温度，其后数字乘以100为混凝土试块遭受的最高受火温度；t为受火时间，其后数字乘以10为混凝土试块累计受火时间，min；W 表示高温后喷水冷却。如T3t14W表示最高温度300 ℃，燃烧140 min，喷水冷却。混凝土试块各工况设计如表1所示。

图1 标准升温曲线与实际升温曲线Fig. 1 Standard and actual temperature curve

表1 混凝土试块工况Table 1 Working condition of concrete specimens

2 高温后混凝土外观及受压破坏特征

2.1 高温后混凝土外观特征

由于混凝土试块的受火温度和受火时间的不同，高温后混凝土外观上发生了一定程度的变化。图2所示为各工况下混凝土的外观表现特征。

图2 高温后的混凝土外观特征Fig. 2 Exterior features of concrete after high temperature

受火温度为300 ℃时，混凝土试块表面无可见裂纹或缺角掉皮。试块除边角位置颜色偏灰外，其表面颜色与常温时基本相同，受火时间的增加对试块外观变化影响不明显，颜色差别不大；

受火温度为500 ℃时，混凝土试块表面开始出现细微的裂缝，无缺角掉皮。混凝土表面的颜色开始变浅，呈现淡灰色，受火时间的增加使混凝土表面颜色趋于灰黄色；

受火温度为700 ℃时，混凝土试块表面出现大量裂纹，有轻微缺角掉皮。混凝土表面呈现出灰黄色并略带淡红色，受火时间的增加导致部分试块掉皮和缺角现象严重；

受火温度为900 ℃时，混凝土试块开裂严重，出现少量贯通裂缝，表面颜色由灰黄色转变为灰白色，受火时间的增加，导致混凝土结构变得十分疏松，边角轻微触碰即掉，试块缺角剥落现象非常严重。

综上所述，受火温度低，受火时间短的混凝土试块除边角位置颜色偏灰以外，其颜色接近常温下混凝土的颜色；随着受火温度的升高和受火时间的增加，混凝土试块由青色向灰黄色以及灰白色变化。另外，纵观各工况试块可以发现受火温度的升高比受火时间的增加对混凝土外观改变的影响更为显著。

2.2 抗压试验及受压破坏特征

由于混凝土试块在高温过程中受火温度和受火时间的不同，其破坏特征也有所不同。

受火温度为300和500 ℃的试块在抗压试验中的破坏特征与常温的混凝土试块基本相同；试验加载前期，没有明显受压裂缝出现，当加载至混凝土试块极限荷载时，此时试块的边角开始出现裂缝并迅速发展，边角掉落，并且伴随着较清脆的声响，此时混凝土已经受压破坏，试块破坏面出现在骨料和水泥砂浆的结合面以及水泥砂浆内部，并且骨料本身也发生了大量破坏；

受火温度为700 ℃的试块，抗压试验前由于试块已经存在较多温度裂缝，试块在加载初期就伴随着较为轻微的声响以及裂缝的继续开展，当试块破坏后，其破坏面大部分位于骨料与水泥砂浆的结合面以及水泥砂浆内部，骨料本身有少量破坏；

受火温度为900 ℃的试块，从开始加载就伴随着轻微、低沉的声响和裂缝的进一步发展，当加载至混凝土试块极限荷载时，此时混凝土试块呈现整体崩溃的破坏形式。破坏面呈酥碎状，骨料与砂浆基本脱离粘结，此时破坏面主要在骨料表面和砂浆粘结部位，骨料本身几乎没有因为压力而发生破坏。

综上所述，对于受火温度较低和受火时间较短的试块，在荷载接近破坏荷载时裂缝才开始出现，而且裂缝发展迅速，破坏过程非常快，与常温混凝土试块破坏形式基本相同；对于受火温度较高并且受火时间较长的试块，当荷载较小时，由于本身存在温度裂缝，加载后裂缝沿原有温度裂缝处继续发展，破坏时，混凝土试块具有明显的横向膨胀现象，局部剥落严重，呈疏松状态。

3 高温后抗压强度试验结果及分析

3.1 剩余抗压强度与受火温度的关系

各工况混凝土试块喷水冷却后剩余抗压强度fcu(θ，t)与常温(20 ℃)下抗压强度 fcu的比 fcu(θ，t)/ fcu随受火温度θ的变化如图3所示。由图3看出：高温后混凝土剩余抗压强度与受火温度的关系如下：

(1) 当受火时间为60 min时，混凝土剩余抗压强度随受火温度的升高而降低；当炉内温度升至100 ℃左右时，混凝土试块出现大量水分蒸发逸出的现象，这主要是因为混凝土内部的自由水蒸发所致，此时混凝土强度有少许降低。

图3 混凝土剩余抗压强度与受火温度曲线Fig. 3 Curves of residual compressive strength and temperature

(2) 当受火时间为100 min，混凝土剩余抗压强度随受火温度的升高呈降低趋势，但在受火温度为 500℃时，试块抗压强度反而出现了少许提高的现象，这主要是因为在500 ℃受火温度时，传导至混凝土内部温度还不是很高，混凝土多余的水泥熟料在高温和水蒸气的环境中进一步水化完全，此时由于高温对混凝土的有利作用大于不利作用而表现出混凝土强度反而有所增加；当受火温度超过500 ℃时，混凝土剩余抗压强度随受火温度的提高继续降低，这主要是由于当受火温度较高时，100 min的受火时间使传导至混凝土内部的温度达到一定高度，从而使混凝土内部的Ca(OH)2和起骨架作用的C—S—H凝胶(水化硅酸钙)开始分解[17]，导致混凝土抗压强度降低。同时，由于混凝土内部骨料和水泥浆体间的热膨胀不协调性将促进裂缝的继续发展，强度进一步降低。

(3) 当受火时间超过100 min时，混凝土抗压强度在受火温度300 ℃时表现为强度降低幅度非常小甚至有所上升，如试块T3t18W；当受火温度为300～900 ℃时，混凝土剩余抗压强度随着受火温度的提高而降低，这是因为混凝土在较高受火温度和较长受火时间共同作用下，混凝土内部已经达到了较高温度，C-S-H凝胶发生严重的脱水分解反应，导致混凝土抗压强度损失严重。

综上所述，高温后混凝土剩余抗压强度随着受火温度的升高，其抗压强度降低，受火温度越高，抗压强度下降的幅度越大；在受火温度较低时，混凝土抗压强度表现一定的波动，有升有降；在受火温度较高时，受火时间越长，混凝土抗压强度下降越快。

3.2 剩余抗压强度与受火时间的关系

各工况混凝土试块剩余抗压强度随受火时间的变化曲线如图4所示。

图4 混凝土剩余抗压强度与受火时间曲线Fig. 4 Curves of residual compressive strength and time

由图4可知高温后混凝土剩余抗压强度与受火时间之间的关系如下：

当受火温度为300 ℃，受火时间短于100 min时，由于混凝土内部水分蒸发产生的蒸汽压力引起局部膨胀和高温导致混凝土骨料与砂浆之间的变形不一致产生微裂缝，使混凝土的抗压强度有所下降；当受火时间超过100 min时，混凝土内部温度基本与外界温度接近，此时混凝土内部多余水泥熟料进一步发生水化反应，从而混凝土的抗压强度得到一定恢复；值得注意的是，受火时间为180 min时混凝土抗压强度比受火时间为60 min时的强度反而要高，分析其原因主要是因为受火温度为300 ℃时，混凝土经过长时间的热传导作用，混凝土内部温度达到了与外界差不多的温度，此时高温对混凝土水化有促进作用，而此有利作用大于高温带来的不利作用(如膨胀开裂等)。

当受火温度为500 ℃时，随着受火时间的增加，混凝土剩余抗压强度有升有降的现象。引起这一现象的原因有：(1) 传导至混凝土内部的温度升高能促进混凝土内部多余水泥熟料继续水化反应，使得强度得到一定提高；(2) 由于受火时间的增加，混凝土内部的水分不断被蒸发逸出，而水分的减少又阻碍了水化的进行，加上水分蒸发过程混凝土内部孔结构也会发生改变导致混凝土强度降低。2种不同的影响导致在受火温度500 ℃时，混凝土剩余抗压强度出现一定的波动性。

当受火温度超过700 ℃时，由于此时受火温度较高，随着受火时间的增加，混凝土试块内部温度升高较快，混凝土水分在很短时间内就已经蒸发完毕，此时混凝土强度迅速降低。当温度达到900 ℃左右时，混凝土水泥浆体中起骨架作用的晶体(如C—S—H胶体)完全分解，抗压强度进一步降低，降低幅度达到了70%左右。

综上所述，当受火温度较低时，受火时间的增加使得混凝土抗压强度出现先降低后提高的现象，这种现象在受火温度300～500 ℃时表现十分明显；当受火温度超过700 ℃时，试块抗压强度总体表现为降低，且随着受火时间的增加，强度降低越多。

3.3 剩余抗压强度与受火温度和受火时间的关系

根据上面分析可知：高温后混凝土剩余抗压强度与受火温度和受火时间之间存在一定的耦合关系，根据试验结果，高温喷水冷却后混凝土剩余抗压强度与受火温度和受火时间的耦合关系曲面图如图5所示。

图5 剩余抗压强度与受火温度和时间的耦合曲面Fig. 5 Coupled surface of residual compressive strength and fire temperature and time

由图5可知：在受火温度较低，受火时间较短的范围内，抗压强度的损失较小，曲面较为平缓；随着受火温度的升高和受火时间的增加，曲面发生较大坡度的下降，表示抗压强度迅速损失，此时强度损失在30%～50%之间；如果受火温度继续升高并且受火时间继续增加，抗压强度损失十分严重，基本上已经超过了60%的强度损失。

根据以上分析可知：混凝土剩余抗压强度既与受火温度θ有关，又与受火时间t有关。因此，为了简化高温后混凝土抗压强度的计算，将受火温度θ与受火时间t两者的乘积作为横坐标，而将对应的抗压强度比 fcu(θ，t)/fcu作为纵坐标，绘出如图 6所示的散点图。

图6 剩余抗压强度与受火温度和时间耦合关系Fig. 6 Coupled relation of residual compressive strength and fire temperature and time

根据高温喷水冷却后混凝土抗压强度试验结果并结合文献[5]给出的公式形式，对图6中强度比与温度-时间的散点图进行数据拟合，得到高温喷水冷却后混凝土剩余抗压强度计算公式如下式所示。

式中：fcu为常温下混凝土抗压强度，MPa；fcu(θ，t) 为高温后混凝土剩余抗压强度，MPa。

综合考虑受火温度和受火时间对混凝土剩余抗压强度的影响，采用抗压强度随受火温度和时间的耦合曲面在受火温度-受火时间平面上的投影面积并结合高温后混凝土抗压强度的损失比例大小，对火灾的大小进行了评价，将火灾分为小火、中火和大火3种类型，分类标准建议如下：

当(θ-20)·t·φ≤90 000 时，fcu(θ-t)/fcu≥0.8，判定为小火；

当 90 000＜(θ-20)·t·φ ≤110 000 时 ，0.6≤fcu(θ-t)/fcu＜0.8，判定为中火；

当(θ-20)·t·φ＞110 000 时，fcu(θ-t)/fcu＜0.6，判定为大火。

其中：φ为冷却方式修正系数，喷水冷却时，φ=1.1。

4 结论

(1) 经历不同受火温度和时间的混凝土与常温下混凝土试块在外观以及受压破坏特征上都存在较大的区别。

(2) 混凝土剩余抗压强度总体上随受火温度的升高和受火时间的增加而降低。在受火温度较低(θ≤500℃)或受火时间较短(t≤100 min)时，混凝土抗压强度降低幅度较小并出现一定的波动现象；当受火温度较高(θ＞500 ℃)并且受火时间较长(t＞100 min)时，混凝土抗压强度降低。

(3) 对高温后各工况混凝土剩余抗压强度试验数据进行拟合，得到了高温后混凝土剩余抗压强度基于受火温度和受火时间的计算公式，为高温后混凝土强度评定提供参考。

(4) 根据受火温度和受火时间对混凝土抗压强度削弱比例影响的不同，对火灾的大小进行了评价并建立了基于受火温度和受火时间评价标准，对火灾后混凝土结构安全性检测和加固做出了有益的尝试。

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