高温后混凝土静动态力学性能试验研究

王宇涛，刘殿书，李胜林，冯亚飞

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中核西北建设集团有限公司，西安 710054）

在诸多建筑中混凝土结构使用最广，其所能承受的耐火时间远超钢、木结构，火灾发生后混凝土结构倒塌事故并不多；但每次火灾均会存在残留的受火构件及整个建筑物的损伤鉴定问题。目前，国内外对经历高温后混凝土结构的使用寿命、可维修性评估大多建立在准静态性能研究基础上［1－3］。而混凝土材料在实际使用中会承受静、动荷载作用，且动荷载作用下混凝土材料变形更严重。因此，结合静、动载条件综合评判高温后混凝土的力学性能对合理评估火灾后建筑材料、构件及结构的损伤程度［4］，针对不同构件、不同损伤程度提出经济适用且能满足结构使用要求的加固方法，具有较大经济、社会效益。

1 混凝土试件高温加热技术及试验

1.1 混凝土试件高温加热技术

试验采用龙口电炉厂的陶瓷纤维电阻炉见图1，额定温度1300℃。试验温度控制器温度设定稍高于指定温度，见图2。设定温度待炉膛内预热后放入混凝土试件，持续加热2.5 h，用红外线测温枪测量高温后的试件温度，测温范围－50℃～950℃。高温后试件自然冷却。

图1 实验用电阻炉Fig.1 Experimental resistance furnace

图2 温度控制仪Fig.2 Temperature control device

图3 混凝土试件Fig.3 Concrete specimens

1.2 试验方案

1.2.1 混凝土试件制备

为使研究结果更全面系统，用 C30、C50两种混凝土试件。试件尺寸100 mm×100 mm×300 mm。在中国矿业大学（北京）土木实验室标准养护室（温度 20±3℃，湿度 95%以上）标准养护28天后经切割、取芯、打磨制成直径75 mm，高55 mm标准圆柱体［5］，见图3。为满足试件受力的“均匀性”假定，试件两端精密打磨，不平整度控制在0.02 mm以内。

1.2.2 静态试验方案

为精确说明常温～300℃高温间混凝土材料静态加载的变化规律，利用100℃、200℃、400℃3个温度控制点及500℃、700℃、900℃计8个不同温度统一经室温冷却至20℃（本文所有试验条件均在冷却至室温20℃下进行）。同种强度等级的混凝土试件在相同高温冷却后各进行3次试验（C30、C50混凝土试件各24块）以增加试验结果的可重复性，试验结果取平均值，且重复性较好。

利用压力试验机分别测量高温前后混凝土试件，获得不同温度冷却后混凝土试件的单轴抗压强度及弹性模量的变化曲线。用RSMSY5测定高温前后混凝土试件的纵波波速，计算其高温后损伤［6］，即

式中：v为常温状态下混凝土试件的纵波波速；v′为某高温后混凝土试件纵波波速。

1.2.3 SHPB系统动态力学性能试验方案

为系统讨论高温后不同强度等级混凝土在相同试验条件下的温度效应，利用中国矿业大学（北京）Φ75 mm SHPB钢杆系统（子弹长L＝400 mm）对C30、C50两种强度等级的混凝土试件在5组不同温度后（常温、300℃、500℃、700℃、900℃）经室温自然冷却至20℃进行冲击压缩试验。每种条件4个试件。试验结果取平均值，结果重复性较好。

2 高温后混凝土静态试验及分析

2.1 高温前后混凝土静压试验及分析

对高温前后混凝土试件 C30以 0.3～0.5 MPa／s、C50以0.5～0.8 MPa／s速度进行加载试验［7］。试件接近破坏开始急剧变形时停止调整试验机油门直至破坏，记录破坏荷载F（N）。获得不同温度作用的两种混凝土抗压强度变化曲线，见图4。由图4看出，两种混凝土高温后强度变化趋势一致：常温～400℃，静态强度急速降低；400℃后两参数随温度变化趋势趋于平缓；到达700℃时又急剧下降，直到900℃材料几乎丧失强度。

图4 混凝土抗压强度－温度曲线Fig.4 Compressive strengthtemperature curve

2.2 高温后混凝土静力学参数变化及损伤测定

混凝土试件纵波波速用中国科学院武汉岩土力学研究所的RSM－SY5型声波仪及配套纵波换能器测量，获得C30及C50混凝土试件高温后波形。以C30常温结果为例，见图5。

图5 C30常温下纵波波速（Vp＝3 438 m／s）Fig.5 Longitudinal wave velocity of C30 at room temperature（Vp＝3 438 m／s）

每种温度试验4试件、每试件测量3次求平均值，所求4试件的平均值即为该混凝土试件波速测试值，见表1。

表1 高温后混凝土参数变化Tab.1 Parameters of concrete after high temperature

由数据所得混凝土试件高温后参数随温度变化曲线见图6、图7。按式（1）计算获得高温后混凝土损伤量D随温度变化曲线见图8。由图6、图7看出，无论C30或C50混凝土，其整体变化基本一致，纵波波速值与弹性模量均随温度变化不同程度减小，常温～400℃两参数急速降低；400℃后两参数随温度变化趋势趋于平缓，700℃时又急剧下降，直到900℃材料几乎丧失强度。由图8看出，常温～400℃损伤程度直线上升，400℃后温度对材料的损失影响趋于平缓，700℃时又急剧上升，直到900℃，材料近乎完全损坏，与图4结果基本相互印证。

图6 混凝土纵波波速－温度曲线Fig.6 Longitudinal wave velocitytemperature curve

图7 混凝土弹性模量－温度曲线Fig.7 Elastic modulustemperature curve

图8 混凝土损伤－温度曲线Fig.8 Damagetemperature curve

3 高温后混凝土动力学性能试验及分析

3.1 高温后混凝土实测波形曲线及破坏分析

试验用子弹长度400 mm，以C50混凝土在不同温度、速度基本相同的波形图为例，见图9。试验结果表明，入射波形状较稳定，近似矩形，与一维弹性应力波理论较一致［8－9］。反射波、透射波形状亦较稳定，波形衰减显著，表现出混凝土材料的脆性，波形形状与混凝土试件破坏程度密切相关，见图10。由图9、图10看出，速度变化不大、温度越高试件的破坏程度越严重，说明温度对试件造成的损伤较严重。

图9 C50不同温度、同速度实测波形Fig.9 The waveform diagram of C50 under different temperature and same speed

图10 图9波形对应试件破坏形态Fig.10 The concrete damage diagram to figure 9

3.2 高温后混凝土动力学性能分析

将SHPB试验系统所得应变通过“三波”公式处理后［10］获得高温后应力应变曲线，见图11、图12。由两图看出，① 温度升高混凝土强度降低，峰值应变增加，应力－应变曲线越平缓。在初始上升段后随应变的增加应力上升增加速率明显减慢，且出现塑性强化现象，温度越高此现象越明显；700℃时后半段塑性流动段已变长。说明混凝土受高温影响后出现塑性流动现象且温度越高越明显。表明混凝土受高温影响后在压缩荷载作用下其韧性越好。② C30、C50混凝土试件在4组温度下的应力应变曲线较相似。应力应变曲线随温度的变化规律与高温冷却后所测纵波波速、损伤、弹性模量变化规律相对应。

3.3 混凝土动态峰值应力、应变的温度效应

试验所得两种强度混凝土平均应变率、峰值应力随温度的变化曲线见图13、图14。由两图看出，①C30、C50混凝土峰值应力与平均应变率均具有温度敏感性，峰值应力随温度的不断升高出现不同程度降低，平均应变率则整体呈不断上升趋势。300℃以内峰值应力平稳下降，在300℃～500℃区间峰值应力急速下降，500℃后趋于平稳。而300℃以内C30平均应变率有一小下降趋势，在300℃～500℃区间平均应变率有一急速上升过程，500℃后C50仍急速上升。② 高强度等级混凝土动态峰值应力总体高于低强度等级混凝土破坏强度值，即随强度等级的增加混凝土动态强度增加。

图11 C30混凝土高温后的应力应变曲线Fig.11 C30 stress strain curve after different high temperature

图12 C50混凝土高温后应力应变曲线Fig.12 C50 stress strain curve after different high temperature

图13 平均应变率随温度变化曲线Fig.13 The average strain ratetemperature curve

图14 峰值应力随温度变化曲线Fig.14 The peak stresstemperature curve

图15 高温后C30及C50混凝土静、动态破坏强度随温度变化曲线Fig.15The static and dynamic failure strength curve of C30 and C50 concrete after high temperature

3.4 高温后混凝土静、动态破坏强度比较

C30、C50经不同温度作用及室温冷却后静、动态破坏强度随温度变化曲线见图15。由图15看出，①混凝土动、静态强度均具有温度敏感性，随温度升高有所降低，但总体降低程度有差别，即静态抗压强度降低平缓而动态强度温度敏感性更高。② 无论C30或C50，高温后其动态抗压强度均高于静态抗压强度。温度达700℃时无论静态或动态作用下混凝土均被破坏，失去强度。

4 结 论

通过对两种混凝土C30、C50经不同温度作用、室温冷却至20℃后分别进行静、动态力学性能试验研究，结论如下：

（1）随温度升高冷却后的混凝土静态强度逐渐下降。由抗压强度及温度变化曲线可知，混凝土材料强度随温度变化有两明显转折点，即400℃及700℃处。

（2）或C30或C50混凝土的纵波波速值与弹性模量均随温度变化不同程度减小，常温～400℃两参数急速降低；400℃后则趋于平缓；到700℃时又急剧下降，直到900℃材料近乎失去强度。

（3）经不同高温冷却后混凝土动态破坏强度不断降低，峰值应变不断增加，应力－应变曲线越平缓，出现塑性流动现象且温度越高越明显。

（4）经不同高温冷却后混凝土动、静态强度均具有温度敏感性，随温度升高敏感性有所降低，降低程度有差别。高温后混凝土动态抗压强度均高于静态，直至混凝土经历高温失去强度时二者趋同。

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