火灾（高温）后破碎卵石混凝土三轴受力性能研究

苏益声，孟二从，陈宗平，曾文祥

（1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004）

近年来，随着城市化建设的进一步加快，建筑行业的飞速发展，对建筑用石的需求量日益增大.卵石具有抗压、质地坚硬、耐腐蚀等特点，广泛应用于工程建设当中.但是，对其过度的开采，使得级配良好的优质卵石资源日益枯竭，而废弃的大块卵石随意堆积于河床和滩地上，给河道造成了极大的安全隐患［1］.由于卵石表面光滑，没有普通碎石应有的凹凸面，将其作为骨料直接用于混凝土中，黏结力较差.对废弃的大块卵石进行破碎，使其表面形成尽可能多的破碎面，然后作为骨料用于工程建设中是解决废弃大块卵石随意堆积问题的有效手段，相关研究［2］表明，破碎工艺能改善卵石混凝土的抗压与抗拉强度.

在实际工程中，不少混凝土结构常处于高温工作环境［3］，导致其力学性能劣化.目前，国内外已有相关学者［4－7］对高温后混凝土在单向应力下的力学性能进行了研究，而关于混凝土多轴强度的研究却较少［8－10］，关于火灾（高温）后破碎卵石混凝土三轴力学性能的研究还未见报道，因此有必要对其进行研究，为破碎卵石混凝土的推广应用提供试验与理论依据.

1 试验

1.1 试件设计与制作

以侧向围压、温度为试验参数，设计了30 个φ100×200mm 的圆柱体试件，试件编号为NC－i－j，其中i代表试件经历的高温，j代表侧向围压.

试件混凝土为人工搅拌，其设计强度为C30，配合比如表1所示，其中拌和水（W）为自来水，砂（S）采用天然黄砂，水泥（C）采用海螺牌P·O 32.5R 级水泥，粗骨料（CA）为鄂式破碎机破碎并严格筛分后得到的连续级配卵石，粒径为5～20mm.搅拌完成后测其坍落度，然后将混凝土拌和物注入模板，放在振动台振捣密实并抹平，静置24h后放入标准养护室进行养护，28d后进行升温与三轴试验.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.2 升温处理

试件的升温处理在RX3－45－9工业电阻炉内进行，升温过程由升温控制系统全程控制，达到预定温度后恒温1h，于空气中自然冷却，24h后开始三轴试验，试件的升温曲线如图1所示.

图1 试件的升温曲线Fig.1 Heating curves of specimens

1.3 试验装置与加载方法

试验采用RMT－201岩石与混凝土力学试验压力机进行加载，加载装置及受力模型如图2所示.

图2 试验加载装置及受力模型Fig.2 Test setup and mechanical model

试验采用如下的加载制度：首先对试件施加预定侧向围压值，在施加围压过程中，按1∶1的速率同步施加竖向荷载；随后，保持侧向围压值恒定，竖向荷载采用行程控制的加载制度，其加载速率为0.01mm／s，直到试件破坏.

2 试验结果及分析

2.1 应力－应变曲线

将RMT－201试验机自动采集的试件受力全过程轴向荷载－位移数据进行相应的转换，得到应力－应变（σ－ε）全过程曲线.图3为不同侧向围压下试件的应力－应变曲线.由图3 可见：在单轴应力下，应力－应变曲线有明显的峰值点；在三向应力作用下，试件的弹性模量、峰值应力、峰值应变均显著增加，随着围压的不断增加，应力－应变曲线逐渐平缓，当围压为5MPa时，曲线出现了较明显的下降段，当围压为10MPa时，峰值点已不明显，当围压≥15MPa时，曲线的峰值点消失.

图3 不同侧向围压下试件的应力－应变曲线Fig.3 Stress－strain curves of specimens under different lateral confining pressure

2.2 峰值应力与弹性模量

将各试件的峰值应力σ1与初始弹性模量E 列于表2.由表2可见：温度及侧向围压对试件的初始弹性模量及峰值应力均有较大的影响.

表2 试件峰值应力与初始弹性模量Table 2 Peak stress and initial elastic modulus of specimens

3 影响因素分析

3.1 温度

3.1.1 温度对峰值应力的影响

图4为试件的峰值应力与温度关系，其中σij表示经温度i后，在围压j时试件的峰值应力.由图4可见，在不同围压下，随着温度的上升，试件的峰值应力变化幅度虽然有所波动，但总体上呈下降趋势，并且随着围压的上升，这种下降趋势会明显减小，相比于常温，经历200，300，500，600 ℃高温后，试件的峰值应力分别下降了4.80%，4.23%，3.56%，8.44%，而经历400℃高温后，试件的峰值应力却上升了0.03%，这主要是因为侧向应力限制了试件的横向变形及裂缝发展，从而使温度损伤带来的强度减小程度受到了大幅度限制.

图4 试件的峰值应力与温度关系Fig.4 Relationship between peak stress and temperature

3.1.2 温度对初始弹性模量的影响

图5 试件的初始弹性模量与温度关系Fig.5 Relationship between initial elastic modulus and temperature

3.2 侧向围压

3.2.1 侧向围压对峰值应力的影响

由图6可以看出：随着围压的上升，试件的峰值应力近似呈直线上升趋势，按Richart公式［11］对试验结果进行拟合，可得：

3.2.2 侧向围压对初始弹性模量的影响

图6 试件的峰值应力与侧向围压关系Fig.6 Relationship between peak stress and lateral confining pressure

图7 试件的初始弹性模量与侧向围压关系Fig.7 Relationship between initial elastic modulus and lateral confining pressure

4 应力－应变本构关系分析

试件的σ／σ1－ε／ε1曲线见图8，其中ε1为峰值应变.

由图8可见，在单轴应力 下，σ／σ1－ε／ε1曲 线上升段基本重合，下降段离散性较大，总体上看，随着温度的上升，下降段逐渐变缓，说明高温会使试件的变形增大.这主要是因为经高温后，试件逐渐酥松，导致其下降段逐渐变缓.随着围压的上升，无量纲化后的应力－应变曲线的上升段出现了一些波动，但波动幅度不大，下降段逐渐平缓一致，说明侧向围压能够有效约束试件的横向变形及裂缝发展，提升试件的变形性能.

图8 试件的σ／σ1－ε／ε1曲线Fig.8 Nondimensional stress－strain curves of specimens

按文献［11］中的有理分式对曲线进行拟合，结果如表3所示，其中a，b分别为无量纲化后的应力－应变曲线上升和下降段的拟合参数.

表3 拟合参数Table 3 Fitting results of parameters

5 结论

（1）在单向应力下，破碎卵石混凝土试件的应力－应变曲线有明显的峰值；随着围压的不断增加，试件的应力－应变曲线逐渐平缓，峰值也越来越不明显.

（2）在三向应力下，随着温度的上升，破碎卵石混凝土试件的峰值应力与弹性模量整体上呈下降趋势.

（3）随着侧向应力的增加，温度试件的弹性模量及峰值应力的影响逐渐减小；而试件的峰值应力及初始弹性模量随着侧向围压的增加呈现出明显的上升趋势.

（4）基于试验数据建立了不同围压下试件峰值应力的计算公式和高温后破碎卵石混凝土在三轴应力下的应力－应变本构方程，可供相关研究及工程应用参考.

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