高温对建筑混凝土材料抗震抗压的作用及原理

苏迎社，杨媛媛

（1.长安大学 工程设计研究院，西安710064；2.长安大学 建筑学院，西安710061）

在普通情况下，混凝土的抗压强度和抗震性能良好，并且价格便宜，所以除了在土木工程中，在机械行业、造船业等各个行业已被广泛运用。近些年，国内外学者对高温下的混凝土材料性能变 化 做 了 大 量 研 究［1－2］。吴 波 等［3］对 混 凝 土 结 构进行了轴向约束，研究了火灾后剩余的轴向压强，在此基础上，他们还对混凝土结构进行了复加载实验，对高温后混凝土的刚度、强度和滞回性能等进行了研究，在实验中，混凝土的结构都出现了弯曲型的破坏。张家广等［4］对混凝土结构在拥有初始载荷的条件下进行了升温、降温、冷却等一系列作用之后的力学性能进行了实验。已经有研究表明［4，6－7］，高 温 会 对 混 凝 土 材 料 的 性 能 产 生 较 大 的不利影响。在许多火灾案例中，人们发现混凝土材料的框架结构在火被扑灭后的数天，在相对比较潮湿的环境下放置几天不会坍塌，反而在人们之后进入房屋找寻东西时倒塌，造成极大的人员伤亡。然而，在多数的有一定高度的建筑物中，混凝土材料的墙同时兼具了抗震墙和防火墙两个功能。因此，对高温之后混凝土材料的抗震、抗压作用及原理进行分析和研究，不但在理论上有很高的价值，在工程也有很重要的意义。

本文将通过两个试验分别研究高温对混凝土材料抗震、抗压性能的影响，并由这两个试验的结果对高温作用后混凝土材料的抗震抗压原理进行分析和研究。

1 高温下混凝土结构的抗压强度

1.1 原材料

混凝土硅质骨料采用的是琉璃河生产的425号硅酸盐水泥；粗骨料采用卵石，粒径的大致范围为5～20 mm；细骨料采用中级细骨料砂。它们的配比是水泥∶水∶卵石∶中砂＝1∶0.42∶2.86∶1.52。

制作80个120mm×120mm×320mm 的硅质骨料混凝土棱柱体试件，5 个150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件和5 个100 mm×100mm×100mm 的立方体试件。常温下，立方体的抗压强度为55 MPa，棱柱体的抗压强度为45 MPa。

将试验的温度分别设置为150、350、550、750℃。为了使得各个试件的内部温度跟外部温度相同，将每个试件的受高温的时间设置为5h。待到高温之后，将各试件一部分放置在自然环境中，剩下的一部分则放置在标准的养护室内静置，将静置时间分别设置为0、2、4、6h。分别对试件进行自然冷却。

1.2 加热装置

本次试验采用RX3－65－12 高温箱式电阻炉对混凝土材料的试件进行加热，额定电压为380 V，额定功率为65kW，额定温度为1200 ℃，炉膛尺寸（长×宽×高）为1200 mm×600 mm×400 mm。

采用EWY－103型园图电子电位差计记录电势和温度。为了调节温度，本文在炉膛内增加电接点装置，并且放置热电偶测试炉内的温度。

1.3 试验过程

将制作好的试件放进养护室内养护15h，之后在常温下放置风干，时间为5 天后进行加热。首先，将试件放入高温电阻炉内加热到试验方法中设置好的温度，保持温度5h，然后分别用自然冷却和喷水冷却两种方法给试件降温，这样刚好模拟了现实生活中发生火灾，火灾被扑灭的两个过程。其次，将用喷水方式冷却的试件分别放在自然条件和潮湿条件（标准养护室）中静置到预先设计好的时间。最后，将试件放在液压式压力机上进行抗压强度的测试。

1.4 试验结果

在本次试验中，混凝土试件的破坏形态基本为纵向破坏，150 ℃时混凝土试件的破坏程度与普通情况下的破坏程度基本相同，并且在载荷不断增大的情况下，试件没有出现裂缝，但是当超过试件的最大应力之后，试件中的斜裂缝在很短的时间内出现，承载力也随之降低，伴随着轻微的响声，出现脆性破坏。混凝土试件在350～550 ℃时，仍然是纵向劈裂破坏，细微的裂缝在载荷不断增大的时候出现，并且一直持续加大，在超过材料的最大应力之后，开始出现贯通的斜裂缝，承载力降低，试件遭到毁坏。试件在750℃时，最开始加载就能听到响声，载荷不断增大时，裂缝逐渐增多，当超过材料的最大应力之后，迅速地在试件的内部形成贯通的斜裂缝，承载力减小，此时试件中有明显的斜裂缝面。

2 高温下混凝土结构的抗震性能

2.1 原材料

试验用混凝土和钢筋制成短柱试件，截面尺寸为220mm×220mm，共8根。箍筋的体积配箍率为0.835%，箍筋的弯钩平直段的长度为85 mm。试件Z1为对比试件，不受火，其他试件均是受火后的试件。试件的参数如表1所示。其中：t为受火时间；fcu为混凝土材料制成的立方体的抗压强度；N 为试件受到的轴向压力；λ 为剪跨比；混凝土材料试件的轴心抗压强度fc＝0.88×0.76fcu；Vm为受剪承载力；轴压比用n表示，n＝N／（fcA），其中A 为混凝土材料试件的柱截面面积；Ea为累计的滞回耗能。

表1 试件的基本参数Table 1 Basic parameters of the test piece

在试件的柱顶增加2层钢筋的网片，它们之间的间距为45mm。要预先留好孔道，以方便试验中吊装使用以及之后在模拟静力试验时在其中插螺栓杆。

2.2 材料性能

混凝土的强度采用C35，每立方米混凝土采用的材料及其用量分别为中砂680kg、卵石1130 kg，水210kg。试件的配合比为R42.5∶水∶磨细矿渣∶石子（5～30mm）∶砂子∶FDN 减水剂＝314∶210∶314∶680∶1130∶5.5。其中，水和水泥磨细矿渣的质量比及水胶比均为0.33。

2.3 试验方案

2.3.1 高温试验

高温试验在结构抗火实验室进行，将7个试件分三批分别放进耐火试验炉，第一批是受火时间为100min的试件Z3、Z7、Z8，第二批是受火时间为50min的试件Z2、Z5、Z6，第三批是受火试件为150min的试件Z4。升温时采用煤气，炉内的升温方式模拟标准ISO－834的升温曲线。在到达预定好的温度后，将火熄灭，并自然冷却至室温。图1为火烧试验示意图。

2.3.2 高温后的加载试验

试验中的加载装置采用油压千斤顶，向柱顶施加纵向载荷。加载采用位移控制，在这个阶段中，每次加载反复循环3 次时，控制位移角为1／90、1／70、1／45、1／30、1／20；每次加载反复循环1次时，控制位移角分别为1／550、1／450、1／350、1／250、1／150、1／100rad。

图1 火烧试验示意图Fig.1 Fire test

采用下面的标准判断试验是否终结：①在某一个位移角下的第一次循环加载中，混凝土试件进入下降阶段后载荷下降为峰值的88%以下，可以由此判断，试件已经被严重破坏。②在同一个位移角的不同加载的载荷循环中，如果在其中的某一个载荷循环下，混凝土试件的峰值载荷下降为第一次循环峰值载荷的88%以下，就认为试件在反复的加载之后性能已经不太稳定，这个时候应该在完成该位移角的加载后停止试验。

2.3.3 测点布置

将热电偶均匀布置在距离试件底部截面200 mm 处，如图2所示，所有试件的热电偶均采用K型镍铬硅－镍硅热电偶（WRN－630 型），长度为3 m，直径为3.2mm。

图2 热电偶布置位置Fig.2 Thermocouple arrangement position

在模拟静力加载的试验过程中，采用位移计来确定柱顶之外的位移和柱底位移。采用MTS系统来自动获取柱顶处加载力方向的水平位移。

对于没有受火的混凝土试件Z1和其他的受火混凝土试件Z2～Z8，应变片贴在纵筋和箍筋的位置，如图3所示。应变片采用金属箔式应变片，箍筋和纵筋分别采用2.5mm×3mm 和4.5 mm×5mm 大小的应变片。在高温试验结束之后，再在混凝土试件的两侧纵筋的中部开槽（非常小，不会对试件造成明显的损伤），在槽内贴上应变片，最后用水泥修复。

图3 应变片的粘贴位置Fig.3 Strain gauge attaching position

2.4 试验结果

2.4.1 试验现象和裂缝

各试件的受火温度和试件内应变片测到的实际温度T随时间t的变化曲线见图4，图中给出了标准ISO 升温曲线进行对比。为了将不同的混凝土材料试件在同一个炉内测得的实际温度进行对比，将它们都置于同一个图中。从图4可以看出：①不同的混凝土试件在同一个炉腔内测得的实际温度变化基本没有什么大的差别，由此可以看出每个炉腔内的温度较为均匀；②在将火熄灭后的降温过程中，混凝土材料试件中心区域的温度持续升高，但是混凝土材料试件接近表面的温度逐渐降低，这是由于在降温的时候，热量不断由温度较高的外部传递到温度比较低的内部中心区域。

图4 温度随时间变化图Fig.4 Temperature versus time

混凝土试件开裂的过程是：在静力加载的开始阶段，试件还处于弹性阶段，此阶段中并没有裂缝出现，不断增加静力载荷，受火的试件先在背火面一侧出现剪切力裂缝，随后各个面不断出现剪切裂缝；继续增加静力载荷，可以观察到比较多的剪切裂缝，并且裂缝变长。图5为各个试件的裂缝图。在试验过程中，当位移角超过1／50rad时，试件接近破坏，并呈现出明显的X 裂缝。

2.4.2 刚度、延展性和承载力

试验中得到的骨架曲线如图6所示。从试件的骨架曲线中可以看出：①受火时间不同，试件的轴压比相同的情况下试件的峰值载荷所引起的变形基本上没有区别；②逐渐增大轴压比，混凝土材料试件峰值载荷所引起的变形逐渐变小；③在轴压比和受火时间不断增加的情况下，混凝土试件在极限值时的最大变形量减小，并且骨架曲线下滑得更快。

图5 试件的裂缝图Fig.5 Specimen cracks

骨架曲线的特征值（承载力Vm、与峰值载荷相应的位移Δm、屈服位移Δy、屈服载荷Vy，极限位移Δu、极限载荷Vu和位移延性系数μ）见表2。其中，位移系数μ＝Δu／Δy，取峰值载荷的88%作为试件的极限载荷。

图6 试件骨架曲线Fig.6 Specimen skeleton curve

由表2可知：①高温作用后，随着剪跨比的增大，混凝土试件的受剪承载力不断减小。混凝土试件在受火100min之后，相比于剪跨比为1.55的试件Z7来讲，剪跨比为1.95和1.75的Z3和Z8受剪承载力分别减少了5.19%、11.53%。②随着轴压比的不断增大，受火之后的混凝土试件的延性比不断降低。分析其中的原因可知，轴压力的增加使得试件的截面的受压区域不断增大，而截面的转动能力减弱。高温作用前、后的混凝土试件的位移延性系数都很小，大概的范围为1.35～1.88。③混凝土试件在受火之后的受剪承载力最开始是随着轴压比增大的，但是当轴压比增加到某一个固定的极限值之后，受剪承载力反而会降低。其中，轴压比固定的极限值指的是混凝土试件达到最大受剪承载力的时候轴压比的值。由此可以看到，在高温作用之后，试件的极限轴压比与没有受过高温的试件相比有所减小。原因是高温作用之后，混凝土试件的损坏的区域要少于受到剪压的区域，而高温后混凝土试件剪压区的强度出现了明显的下降，在轴压比相同的情况下，高温之后混凝土材料在剪压区受到的实际压应力要比没有受火的时候大。

表2 试件骨架曲线特征值Table 2 Characteristic value of specimen skeleton curve

3 高温对混凝土材料的抗震抗压作用分析

3.1 抗压强度与温度之间的关系

混凝土材料的抗压强度是混凝土的性能指标中最常用到的一项，经常被用来评定混凝土等级质量。在高温之后，混凝土的抗压强度仍然占据了基础地位。试验中，温度是影响混凝土抗压强度的主要因素，将混凝土试件冷却一段时间后，其抗压强度远远低于高温时的抗压强度。

利用国内最常见的社会科学统计软件包SPSS对图7中的混凝土抗压强度和静止时间以及受火温度之间的关系进行分析，得到下面的计算公式：

式中：t为时间；T 为温度；fc为混凝土试件的轴心抗压强度值。

图7 抗压强度和温度与放置时间的关系Fig.7 Relationship of compressive strength between the storage time and temperature

3.2 高温与混凝土材料抗震性能的关系

材料的抗震性能与材料遭到破坏之后的破坏形态，滞回曲线，骨架曲线，承载力、延性和刚度，耗能能力等有关。混凝土材料的抗震性能在很大程度上与混凝土的受剪承载力有关系。在本文中采用式（1）［5］来计算高温作用之后混凝土材料试件的受剪承载力Vm：

式中：h0为试件截面的有效高度；kc为高温后混凝土截面抗压强度的均折减系数值；Asv为箍筋的截面面积；fvy为箍筋的抗拉强度值；N 为与剪力值V 相对应的轴向压力值，当n＞0.3fckcA时，N＝0.3fckcA，A 为构件的截面面积。

与常温下混凝土材料的受剪承载力计算式相比，由于考虑到高温对箍筋、混凝土的受剪影响，式（1）引入了系数0.9和kc。

对试验中的数据进行处理，kc与高温时间t以及截面尺寸A 的关系式近似为：

将试验数据代入式（2），吻合结果很好。剪切破坏的程度越大，混凝土材料的抗震性能越差。式（1）（2）可以用于高温后混凝土材料受剪承载力的计算。

4 结 论

（1）混凝土的抗压强度与试件的受火温度有着密切的关系，随着试件受火温度的增高，混凝土材料的强度逐渐降低。在温度不超过350 ℃时，强度减小不大，但是当温度超过350℃时，试件的强度下降明显。

（2）混凝土的抗压强度还与试验结束后的冷却时间有关系。在最初的3天内，混凝土的强度迅速下降，但是时间延长之后，混凝土材料的强度反而有所上升，这是工程中很常见的一个现象。

（3）高温后的混凝土试件在反复的加载之后破坏形态为剪切型的脆性破坏，当位移角超过1／50时，试件出现明显的X 裂缝。

（4）提出了混凝土试件在高温作用后受剪承载力的计算式，并且将试验数据代入进行了验证。该计算式具有一定的安全保证率，可供实际中火灾后对混凝土建筑的安全鉴定作为参考。

［1］李卫，过镇海.高温下砼的强度和变形性能试验研究［J］.建筑结构学报，1993，14（1）：8－16.Li Wei，Guo Zhen－hai.Experimental investigation of strength and deformation of concrete at elevated temperature［J］.Journal of Building Structures，1993，14（1）：8－16.

［2］谢狄敏，钱在兹.高温（明火）作用后混凝土强度和变形试验研究［J］.工程力学（增刊），1996，2：61－65.Xie Di－min，Qian Zai－zi.Experimental study of concrete strength and deformation after high temperature（open flame）effect［J］.Engineering Mechanics（Sup.），1996，2：61－65.

［3］吴波，李毅海.轴向约束钢筋混凝土柱火灾后剩余轴压性能的试验研究［J］.土木工程学报，2010，43（4）：85－91.Wu Bo，Li Yi－hai.Experimental study of the residual axial behavior of axially restrained reinforced concrete columns after fire［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43（4）：85－91.

［4］张家广，霍静思，肖岩.高温作用后钢筋混凝土短柱轴压力学性能试验研究［J］.建筑结构学报，2011，32（4）：117－124.Zhang Jia－guang，Huo Jing－si，Xiao Yan，Experimental study on axial mechanical behavior of reinforced concrete stub columns with pre－load after exposure to high temperatures［J］.Journal of Building Structures，2011，32（4）：117－124.

［5］GB50010－2002.混凝土结构设计规范［S］.

［6］欧阳志为，郑文忠.火灾下有粘结预应力混凝土简支梁板的变形非线性分析［J］.吉林大学学报：工学版，2009，39（2）：402－407.Ou Yang Zhi－wei，Zheng Wen－zhong.Nonlinear analys is on deflection of prestressed concrete bonded simply supported beam and slab subjected to fire［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2009，39（2）：402－407.

［7］姜封国，赵景鲁.受火后钢筋混凝土构件的可靠性［J］.吉 林 大 学 学 报：工 学 版，2013，43（6）：1500－1503.Jiang feng－guo，Zhao jing－lu.Reliability analysis of reinforced concrete member under fire load［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2013，43（6）：1500－1503.