受火温度和冷却方式对混凝土抗压强度影响*

翟 越，艾晓芹，邓子辰，何 薇

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054； 2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西 西安 710061；3. 华路工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

受火温度和冷却方式对混凝土抗压强度影响*

翟 越1,2†，艾晓芹1，邓子辰2，何 薇3

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054； 2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西 西安 710061；3. 华路工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

摘 要：火灾后混凝土结构的力学性能大幅降低，特别是在消防射水扑救后其性能恶化更为显著.对添加了矿粉和粉煤灰的强度等级为C35的商品混凝土试件加热(300 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃)后，分别进行自然冷却和水冷却处理，观测分析其理化特性的变化规律.在常温自然环境下将试件静置2周以上，然后对试件分别进行单轴抗压试验和弹性模量试验.研究表明冷却方式和加热温度对混凝土材料的抗压强度、弹性模量、压缩破坏模式等力学性能影响显著.在总结试验规律的基础上，构建考虑温度及冷却方式影响的非线性弹性本构方程，采用微分演化算法辨识出本构方程中的特征参数，所得计算曲线与试验曲线的一致性很好，验证了本构方程的适用性.

关键词：混凝土；高温后；冷却方式；温度-冷却损伤；本构方程

火灾发生时，在持续高温作用下，混凝土材料中的一些难燃材料将热分解成无粘结力的石灰和二氧化碳等，使得混凝土构件力学性能迅速劣化.当采用消防射水扑救时，在冷水作用下高温受火混凝土材料的力学性能劣化更为显著，致使混凝土结构承载力迅速丧失，严重威胁了人员疏散，以及消防救援人员的安全，而且关系着火灾后建筑安全评价及加固工作[1-2].因此，研究高温下混凝土材料在水冷却后的残余力学性能十分必要，有众多学者进行了研究[3-8].目前这方面的研究主要是针对混凝土高温时的强度衰减，但忽视了冷却方式和温度耦合作用对混凝土材料造成的损伤，特别是这方面的本构模型研究相对滞后，而高温混凝土材料的本构模型研究是其热力耦合作用下力学性能研究的核心问题[9-11].

本文针对标号为C35的掺入粉煤灰和矿粉的商品混凝土制作的圆柱形试件，在高温加热并经自然冷却和水冷却后，分别进行单轴抗压试验和弹性模量试验，研究混凝土材料在高温和水冷却同时作用后的残余强度、破坏模式、弹性模量等力学特性.在总结试验规律的基础上，构建了考虑温度损伤和水冷却作用的本构方程，并应用微分演化算法确定出方程中的待定参数，对比计算曲线和试验曲线，验证了本构方程的可靠性和适用性.

1 混凝土高温水冷却试验

1.1 试件制备与加热设备

试件采用当地商品混凝土搅拌站所提供的强度标号为C35的混凝土.其中，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料为5～20 mm的卵石，细骨料为中砂，其含泥量约为10%，填加物为粉煤灰和矿粉(质量分数6.2%)，为了起到减水、缓凝和保坍等作用还加入了工业萘、聚羧酸等外加剂，具体配合比详见表1.经检验矿粉主要化学组分为CaO，SiO2，Al2O3和Fe2O3等，其密度为2.9 g/cm3，比表面积为421 m2/kg，流动度比为100 %，含水量0 %，三氧化硫2.2 %，烧失量0.6 %；粉煤灰的主要氧化物组成为SiO2，Al2O3，FeO，Fe2O3和CaO，TiO2等，经检验其细度10.8 %，需水量比98 %，烧失量2.9 %，含水量0 %，三氧化硫2.2 %，符合国家二级粉煤灰要求.掺入粉煤灰和矿粉可以减少水泥用量、改善混凝土的工作性能、降低水化热、增进后期强度、改善混凝土的内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力[12].

将配置好的混凝土装入直径为100 mm，高度为200 mm的圆柱形模具，振捣成型后在标准养护室保持温度20 ℃、湿度95%，养护28 d.试验前对试件进行筛选，剔除差别较大、缺陷较多的个别试件，然后对剩下试件逐一编号.

表1 混凝土试件备料表

试验采用的加温设备为SX2-10-13型箱式电阻炉，该炉以硅碳棒为加热元件，保温材料采用高性能纤维材料.温度控制采用AI-518智能程序温度控制器，控温精度为1 ℃.炉内最高温度可达1 300 ℃.

冷却水池长为600 mm，宽为300 mm，高为400 mm，每次放入试件前水面高度均为300 mm，以保证每次冷却用水量一致；冷却水温度为20 ℃.

1.2 加热及冷却试验

如果加热温度高于900 ℃，混凝土材料残余强度很小[13-14]，力学研究价值不高，而低于300 ℃，则温度影响较小，因此选取加热试验的4个目标温度分别为300 ℃，400℃，600 ℃和800 ℃.每次将4个试件放入加热炉，开炉后先调节功率使电压为75 V预热10 min，而后升至100 V电压加热至目标温度，再恒温120 min，以保证试件内部温度均匀.用耐1 000 ℃高温的陶瓷纤维隔热手套将2个试件及时取出，立即置于常温水池中冷却，测量水温变化，当水温基本恒定后取出.另2个试件留在加热炉内静置到常温再取出.为保证每种温度和冷却方式下至少有3个试件进行试验，依此加热和冷处理方式，共处理50个试件，并经过再次筛选.最后，将所有试件在自然通风的试验室中静置2周以上备用.

1.3 高温水冷却试验分析

刚从加温炉中取出的试件放入冷水中时，有明显的“滋滋”声，并且加热温度越高，入水声音越大，持续时间越长.300 ℃处理过的试件入水前后试件表面没有变化，冷却池中的水保持清澈，水温在放入试件8 min左右达到恒定，平均升高15 ℃；400 ℃处理过的试件入水后表面没有明显变化，冷却池中的水保持清澈，水温在放入试件9 min左右时达到恒定，平均升高19 ℃；600 ℃处理过的试件入水后有少量剥落现象，冷却池中的水略显混浊，水温在放入试件10 min左右时达到恒定，平均升高27 ℃；800 ℃处理过的试件入水后剥落严重，短时间内水变混浊，水温在放入试件15 min左右时达到恒定，平均升高35 ℃.不同温度加热后经水冷却的混凝土试件如图1所示.

图1 高温经水冷却后的混凝土试件

从图1中可以看出，当受热温度在300 ℃和400 ℃时，试件表面无明显裂纹；600 ℃混凝土试件表面出现明显裂纹；800 ℃处理后试件表面且多处掉皮，边缘脱落.与同温度自然冷却试件相比，水冷却试件的裂纹和脱落现象更明显，详见表2.

表2 高温经水冷后混凝土试件的外观

通过对比加热及冷却前后试件质量可知，自然冷却试件在高温处理后，质量均减少，且随着加热温度升高，质量损失越严重.300 ℃试件损失质量的3.3 %；400 ℃试件损失质量的3.6 %；600 ℃试件损失质量的4%；800 ℃试件损失质量的11%.而经水冷却处理后并自然通风晾干后，300 ℃试件的质量却略有升高，400 ℃，600 ℃和800 ℃试件质量减小幅度明显小于自然冷却试件，分别为1.1%，2.4%和7%.这是因为，当温度在20～200 ℃之间时，试件中所含的自由水蒸发，失重较快；在200～500 ℃之间时，水泥砂浆中化学结合水脱出，失重缓慢增加；温度超过500 ℃时，水泥水化生成的氢氧化钙成分分解脱水；超过600 ℃后，骨料中白云石、方解石的碳酸镁、碳酸钙等开始分解，骨料不再稳定，混凝土失重可达l0%以上.更高温度下混凝土表层破损、崩裂，失重更大.当采用水冷却时，除水分重新填充混凝土空隙外，水与高温处理后的试件发生化合反应，产生的物质如Ca(OH)2等，弥补了部分高温加热时的质量损失.但是由于混凝土自身的密闭性，这种水化反应只能产生于试件外表面向内10～15 mm的范围，如图2所示．发生高温水化反应的混凝土为灰白色，而未发生高温水化反应为青灰色.

图2 高温水化反应影响深度

2 高温后不同冷却方式下混凝土抗压力学试验研究

2.1 抗压力学试验

采用YA-2000kN型全自动液压压力试验机，对加热后自然冷却和水冷却的试件(每组3个)分别进行单轴抗压试验和弹性模量试验.抗压试验试件破坏如图3所示.

图3 水冷却方式下各温度试件抗压试验

试验中，加热温度越高的试件，出现裂缝时间越早，开裂所需的压力越小，而且裂缝在很短的时间内迅速扩大，说明材料脆性增加，破坏由压缩劈裂破坏向压缩酥裂破坏转变.其中，300 ℃和400 ℃的试件裂纹大多为竖直扩展，脱落块体形态为条状；600 ℃的试件可以观察到明显的两边小中间大的斜向裂纹；800 ℃的试件破坏时中部横向鼓胀明显，试件中部破坏，剥落严重.观察破裂面，600 ℃以内主要是水泥胶体劈裂破坏，而800 ℃的试件断面有明显的骨料断裂现象.与自然冷却方式比较，水冷却的受压混凝土试件的酥裂破坏现象更为显著.研究结论中关于水冷却内部损伤梯度对混凝土力学性能影响本文尚未考虑，有待继续研究.

2.2 抗压应力-应变曲线

取每组3个试件所得试验数据的平均值绘制应力-应变曲线图如图4所示.由图可见，随着温度的升高，两种冷却方式下混凝土试件的残余抗压强度下降，而其峰值应力对应的应变有所增加.

应变

通过比较可看出，加热温度为300 ℃时，与自然冷却试件相比，水冷却试件的抗压力有较大升高；而400 ℃，600 ℃和800 ℃下，水冷却的混凝土抗压强度比自然冷却的抗压强度所降低，见图5，具体数据对比详见表3.

T/℃

表3 各温度下混凝土抗压试验结果

分析其原因，当300 ℃加热时，混凝土中CH的含量减少，CaCO3含量增加，水冷却将生成一些水化硅酸钙，同时部分自由水重新填充了混凝土空隙，并且适当的高温和水促进了混凝土内部未水化的水泥熟料进一步水化反应，从而使混凝土的抗压强度略有回升.当300～400 ℃加热时，急速冷却过程中内外温度差造成的损伤超过了水对强度的提高作用，开始形成半晶体、裂缝、空洞等，因此水冷却试件强度在加热约350 ℃后开始低于自然冷却时的强度；当温度在600 ℃以上时，结晶水完全丧失，Ca(OH)2已不存在，方解石(CaCO3)开始有少量分解成CaO和CO2，水泥中未水化的颗粒和骨料中的石英成分晶体化，伴随着巨大的膨胀，将产生一系列的温度损伤.

当高温试件遇水骤然冷却时，内外温度的极不均匀导致混凝土内部结构损伤及裂缝充分发展，甚至在骨料内部形成裂缝，同时水泥胶体和骨料高温分解生成的CaO与水再次生成Ca(OH)2，使得内部颗粒体积膨胀，造成更多的裂缝，混凝土强度急剧下降，这些可以看作是冷却损伤.

2.3 弹性模量

在测量混凝土弹性模量时，为了尽可能地消除端头效应和垫板刚度的影响，测量段为距试件上下两端各50 mm的中间部分.在测量段两侧各架设1个千分表，试验机以0.24 kN/s的速度加载，每隔5 kN对千分表读数.试验所得水冷却和自然冷却试件的弹性模量测试结果见表4.

表4 自然冷却和水冷却试件弹性模量数值

由表4中的数据，可以看出，随着加热温度的升高，弹性模量值减小，而且水冷却试件的弹性模量小于自然冷却试件的弹性模量，说明混凝土的弹性模量与加热温度和冷却方式是紧密相关的.

3 构建考虑温度损伤和冷却方式影响的本构方程

3.1 构建温度-冷却损伤演化方程

高温和冷却造成的混凝土材料力学性能的衰减，实际上是在初始损伤的基础上，由于加热温度和冷却作用使得材料细观成分和结构变化所造成的二次损伤，即温度-冷却损伤.这种损伤影响程度与混凝土材料的种类、微观结构等因素有关[15].从众多研究成果中，可知混凝土高温后的温度损伤有一阈值Tt0在200～300 ℃之间[14]，当超过该值后损伤程度加剧.本文加热温度300 ℃的试件压缩强度下降30%左右，因此考虑高温后的阈值Tt0在200 ℃左右.对于混凝土高温水冷却后残余强度也有一个阈值，由本次试验可知，加热温度300 ℃的试件水冷却后强度较自然冷却有所升高，而在400 ℃时水冷却损伤开始加剧，由图5可知，约在350 ℃时，两种冷却方式的残余强度相同，因此该混凝土高温水冷却损伤的阈值Tc0设定在350 ℃左右.基于这些影响因素，根据试验所得强度随加热温度升高而降低的幅度，构建三段式温度-冷却损伤方程如式(1)所示.

Dtc=1，0≤T≤Tt0；

(1(a))

(1(b))

(1(c))

式中：n和β分别为温度损伤效应系数和冷却方式影响系数，它们与材料的成分、内部孔隙率、骨料种类、水灰比等因素有关.当自然冷却或加热温度低于阈值时β为1，否则水冷却时β值取0.6～1.0之间；Tmax为混凝土材料耐温极限，即在该温度下材料的残余强度为零，该值与混凝土种类等因素有关，依据其他研究成果，本文取为1 000 ℃.

3.2 构建考虑温度-冷却损伤的非线弹性本构方程

由试验所得高温后混凝土的应力-应变曲线呈现出明显的非线性，如果用线弹性本构模型来描述显然不太适合.国内外学者提出多种的非线性本构方程，其中，Saenz建立的本构模型，在钢筋混凝土数值分析中应用广泛[16].在该非线弹性本构方程基础上考虑温度-冷却损伤演化作用，得到的本构方程如式(2)所示：

(2)

式中：εtf为加热温度T作用后混凝土峰值应力所对应的应变，可由试验测得；ET0为加温度T作用后的初始弹性模量，可取表2所列的试验值，单位kN/mm2；α和γ为本构方程中的特征参数.

3.3 参数反演及方程验证

(3)

式中：σ(x)为利用试验测得的应变εi代入目标函数所得的计算应力值，MPa；σi为试验测得的应力值,MPa；num为待求参数个数；N为试验数据个数.本文采用的优化算法为微分演化算法(DE).该方法通过每一代个体进行变异、交叉和选择实现种群的更新进化.经过优化反演分析所得参数见表5.

表5 本构模型特征参数反演分析结果

由表中数据可以发现不同加热温度的本构模型特征参数差异较大，这是由于温度和水冷却的耦合作用，以及材料的矿物成分及微结构等因素对于材料力学特性的影响造成的.所得冷却方式影响系数β都随温度升高而减小，说明温度-冷却损伤效应随之增加.

将所确定出来的待定参数代入方程，得到理论再生曲线与试验曲线，如图6所示.可以发现计算结果与试验结果有很好的一致性，这与表5中均方差值非常小一样，都验证了所构建的本构方程及确定的待定参数对高温和水冷却处理的混凝土材料残余抗压强度研究的适用性和可靠性.

应变

应变

应变

应变

4 结 论

1)300 ℃作用后水冷却混凝土抗压强度相对自然冷却变化较小，甚至有所提高，而400 ℃,600 ℃和800 ℃的强度急剧下降，而且脆性破坏更为明显，残余抗压力随着温度升高而衰减程度大于自然冷却时的残余抗压力.

2)随着试验温度的升高，弹性模量减小，而且相同温度下水冷却试件弹性模量小于自然冷却的弹性模量.

3)在试验研究基础上，构建了考虑不同冷却方式下的温度-冷却损伤本构方程，利用反演分析法确定出特征参数，通过与试验曲线对比分析，得到了可靠性验证.

[1] BIOLZI L, CATTANEO S, ROSATI G. Evaluating residual properties of thermally damaged concrete[J].Cement and Concrete Composites, 2008, 30(10): 907-916.

[2] 侯晓萌,郑文忠.火灾后预应力混凝土连续板力学性能试验与分析[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2010, 37 (2): 6-13.

HOU Xiao-meng, ZHENG Wen-zhong. Experiment on and analysis of the mechanical performance of unbonded prestressed concrete continuous slab after elevated temperature[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences, 2010, 37 (2): 6-13. (In Chinese)

[3] 资伟，余志武，匡亚川，等.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[J].中南大学学报:自然科学版, 2013,44(4):1545-1550.

ZI Wei, YU Zhi-wu, KUANG Ya-chuan,etal. Influences of fire temperature and time on concrete residual compressive strength after water cooling[J]. Journal of Central South University:Science and Technology,2013, 44(4): 1545-1550. (In Chinese)

[4] ME T, HU S. The effects of high temperature on compressive and flexural strengths of ordinary and high-performance concrete[J]. Fire Safety Journal, 2006, 41: 155-163.

[5] CHEN Bing, LI Chun-ling, CHEN Long-zhu.Experimental study of mechanical properties of normal-strength concrete exposed to high temperatures at an early age[J]. Fire Safety Journal, 2009(44):997-1002.

[6] 姚坚, 朱合华, 闫治国, 等. 隧道衬砌混凝土高温后力学性能试验研究[[J].地下空间与工程学报, 2007, 1(3): 66-82.

YAO Jian, ZHU He-hua, YAN Zhi-guo,etal. Experimental research on mechanical property of tunnel lining concrete after high temperature effect[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2007, 1(3): 66-82. (In Chinese)

[7] 阎慧群, 雷兵, 王清远, 等. 隧道火灾高温后混凝土的力学性能研究[J].四川大学学报:工程科学版,2008,40(5):74-78.

YAN Hui-qun, LEI Bing, WANG Qing-yuan，etal. Influence of elevated temperature on mechanical properties of concrete in tunnel fire[J]. Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition,2008, 40(5): 74-78. (In Chinese)

[8] LI Zhi-wu, XU Jin-yu, BAI Er-lei. Static and dynamic mechanical properties of concrete after high temperature exposure[J]. Materials Science and Engineering A, 2012,544: 27-32.

[9] KIZILKANAT A B, YÜZER N, KABAY N. Thermo-physical properties of concrete exposed to high mperature[J]. Construction and Building Materials,2013, 45: 157-161.

[10]王勇, 董毓利, 袁广林,等. 考虑瞬态热应变的钢筋混凝土板火灾反应分析[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2014，41(6):63-69.

WANG Yong, DONG Yu-li, YUAN Guang-lin,etal. Fire response analysis of reinforced concrete slabs considering transient strain[J]. Journal of Hunan University:Natural Sciences, 2014,41(6):63-69. (In Chinese)

[11]ROSEN T, PHIL P. An application of a damage constitutive model to concrete at high temperature and prediction of spalling[J]. International Journal of Solids and Structures, 2005, 42:6550-6565.

[12]马红侠. 粉煤灰混凝土高温后力学性能与龄期的关系[J].工业建筑, 2013,43(1):80-84.

MA Hong-xia. Relationship between mechanical property and cruing age of fly ASH concrete after high temperature [J]. Industrial Building, 2013,43(1):80-84. (In Chinese)

[13]CASTILLOC, DURRANI A J. Effect of transient high temperature on high-strength concrete[J].ACI Materials Journa1, 1990, 87(1): 47-53.

[14]王珍,张泽江,黄涛. 高温中及冷却后高性能混凝土残余抗压强度试验[J]. 郑州大学学报:工学版, 2010,31(5):78-81.

WANG Zhen, ZHANG Ze-jiang, HUANG Tao.Experimental study on residual compressive strength of C40HPC at high temperature and after cooling[J]. Journal of Zhengzhou University:Engineering Science, 2010,31(5):78-81. (In Chinese)

[15]余江滔,夏敏,陆洲导. 受火(高温)后混凝土的随机损伤本构关系[J]. 同济大学学报:自然科学版, 2011,39(2): 158-165.

YU Jiang-tao, XIA Min, LU Zhou-dao. Stochastic damage constitutive law for fire-damaged concrete[J]. Journal of Tongji University:Natural Science, 2011,39(2): 158-165. (In Chinese)

[16]吕西林, 金国芳, 吴晓涵. 钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M]. 上海：同济大学出版社，1996:16-34.

Chines)

Influences of Cooling Mode and High Temperature on Concrete Compressive Strength

ZHAI Yue1,2†, AI Xiao-qin1, DENG Zi-chen2, HE Wei3

(1. School of Geology Engineering and Geomatics, Changan Univ, Xi’an，Shaanxi 710054, China; 2.School of Mechanics and Civil & Architecture, Northwestern Polytechnical Univ, Xi’an,Shaanxi 710061 China; 3. Hualu Engineering Technology Co.,LTD, Xi’an,Shaanxi 710065, China)

Abstract:The physical and chemical properties of concrete specimens (C35) were carefully observed under high temperature (300 ℃, 400 ℃, 600 ℃, 800 ℃)and then put into cool water. After that, the concrete specimens were used for uniaxial compression test. Finally, the failure modes, strength, elastic modulus and other mechanical properties of concrete specimens were obtained. Based on the test results, the temperature and water cooling damage constitutive model of concrete materials were constructed. The four unknown parameters of the constitutive model were recognized with the differential evolution algorithm. The theoretical arithmetic stress-strain curve and experiment curve are greatly consistent. So the study result illustrates the damage constitutive model is well applicable for concrete under high temperature.

Key words:concrete; high temperature; cooling; temperature damage; constitutive model

文章编号：1674-2974(2014)11-0074-07

中图分类号：TU375

A

*收稿日期：2014-06-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41272286； 41172257)；陕西省自然科学基金资助项目(2009JQ5003)

作者简介：翟 越(1975-)，男，陕西西安人，长安大学副教授，硕士生导师，博士

，E-mail:zy@chd.edu.cn