不同过火条件对混凝土抗压强度影响的试验研究

徐文涛 倪 康 孔德镨

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)



不同过火条件对混凝土抗压强度影响的试验研究

徐文涛 倪 康 孔德镨

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

制作了不同强度等级的混凝土试件，在给定温度的火中燃烧特定时间，用水冷却后，进行了混凝土抗压试验，分析了过火温度和过火时间对混凝土强度的影响规律，得出了一些有意义的结论。

混凝土，抗压强度，过火温度，过火时间

0 引言

在高温作用下，混凝土的力学性能会发生变化，从而导致结构的安全性降低[1]。许多学者对过火后混凝土的各项力学性能做了较多的试验研究，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量和应力应变曲线等[2,3]。部分学者针对过火试验中不同冷却方式对混凝土抗压强度的影响也做了相关研究[4,5]。

在高温的情况下，混凝土中的结合水会逸出，其微观结构会发生破坏，混凝土内部胶体的粘结力也会发生失效。混凝土中骨料与水泥石的热膨胀系数存在差异，在高温下会导致内部粘结面开裂[6]，使混凝土的性能发生变化。

本文通过试验测试不同强度等级的混凝土试块在经过不同过火温度、过火时间后抗压强度的变化，研究不同过火条件对混凝土抗压强度的影响规律。

1 试验设计

本次试验的混凝土试块在商混站进行制作，混凝土试块采用C25，C30，C35三种强度等级，分别进行常温和过火温度为300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃下的试验。过火的时间分为30 min，60 min和90 min，共36组混凝土试块试件，配合比如表1所示。混凝土试块的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，经过28 d的标准养护后再进行过火实验。本次试验自制了高温炉，以模拟混凝土在火灾中的过火情况。所有试块过火后均采用喷水冷却方式来模拟现实火灾后消防喷水灭火的情况。在过火试验前一天对试块进行烘干处理，同时对各个试块进行编号。所有试块在过火试验后经过20 d让其性能稳定后再进行抗压强度的试验。该设备的尺寸如图1所示。

表1 混凝土材料用量 kg/m3

高温炉外部全部采用硅酸铝保温耐火面进行覆盖，再用模板来进行固定，内部需要保温的部位都进行了保温耐火棉包裹。它的最高耐火温度为1 260 ℃，满足实验要求。加热设备采用的是高压液化气蓝火炉，最高燃烧温度能达到1 200 ℃。放置蓝火炉的正后方设有通风口，保证它的燃烧。试验时，高温炉顶部覆盖一层保温棉并用钢板进行压实，保证温度的上升。中间留有温度观测孔，前期加热时，用保温棉堵住观测孔。测量温度时用钳子拿掉保温棉，读数完成后再迅速把保温棉放回。测量温度的设备为GM1150A型红外线测温仪，物距比为50∶1，测量温度范围：-18 ℃～1 150 ℃。混凝土抗压强度加载设备采用的是TYE-2000型压力试验机，最大荷载1 000 kN，试验力相对误差为±1%。

2 试验结果和分析

2.1 过火温度对混凝土抗压强度的影响

根据过火后的混凝土抗压实验数据，绘制不同强度等级的混凝土抗压强度比值fcu(T,t)/fcu在不同过火温度下的变化曲线如图2所示,T为过火温度，t为过火时间。

由图2可得出，过火温度对抗压强度比值fcu(T,t)/fcu的影响规律如下：

1)当过火时间为30 min时，混凝土抗压强度的变化为缓慢线性下降。不同强度等级的混凝土变化规律大体一致，温度的增加对混凝土抗压强度的影响不大，其下降的幅度均不超过20%。

2)当过火时间为60 min时，我们从图中可观察到不同强度等级的混凝土抗压强度随着温度的增加，在0 ℃～500 ℃时呈现波动性。在 300 ℃时，强度有些许降低，随着温度上升到500 ℃时混凝土的抗压强度却小幅回升。当温度继续增加时，强度直线下降。这种变化的原因考虑为较高的过火温度对混凝土内部未完全水化的水泥熟料有着促进水化的作用，从而导致混凝土抗压强度有稍许提升；当温度超过500 ℃后混凝土内部起到骨架作用的晶体(如C-S-H)发生了脱水分解，导致其抗压强度降低。另外，混凝土的热惰性会使内部产生温差对温度裂缝的产生和发展有着促进作用，导致其抗压强度的降低。

3)当过火时间为90 min时，从图中我们可知在温度不超过300 ℃时，三种强度等级的混凝土抗压强度都有着小幅度的升高。随着过火温度上升到700 ℃，它的抗压强度直线下降，并且下降幅度很大。其中500 ℃～700 ℃时的抗压强度下降幅度最大。因为此时混凝土内部会快速的分解从而导致抗压强度大幅度的下降；当过火温度上升到900 ℃时，抗压强度持续降低但是降低的幅度变小，因为在高温长时间的作用下此时混凝土水泥石强度基本已经完全损失，混凝土抗压强度仅仅依靠它的机械强度来进行维持。

2.2 过火时间对混凝土抗压强度的影响

根据过火后混凝土试块抗压试验得出的数据可得到不同标号的混凝土抗压强度比值fcu(T,t)/fcu在不同过火时间的作用下的变化曲线如图3所示。

从图3可知，过火时间对抗压强度比值fcu(T,t)/fcu的影响规律如下：

1)过火温度为300 ℃时，三种强度等级的混凝土在过火时间少于60 min时，混凝土的抗压强度基本没有变化。过火时间为90 min 时，三种强度等级的混凝土抗压强度都比过火时间短时的强度要高，甚至比未过火的混凝土抗压强度都略有提升。考虑此现象的原因为：在经过300 ℃这并不高的温度长时间的作用下，混凝土此时的内部温度与外界温度相差无几，促进了混凝土的水化，此时的有利作用要大于高温带来的不利影响(如膨胀开裂等)，所以表现为混凝土的抗压强度有所提高；

2)过火温度为500 ℃时，通过观察图3，可知此时三种强度等级的混凝土剩余抗压强度在不同的过火时间下表现为不规律性。

这是因为在较高温度的作用下，混凝土试块内部主要有两种现象，一方面是混凝土中多余的水泥熟料的水化现象，另一方面是试块内部的水分不断的蒸发逸出，就会对水化作用不利。这两种现象，一种会导致混凝土抗压强度的升高，另一种会导致混凝土抗压强度的减少。两个方面的因素随着过火时间的增加互相对混凝土产生各自的影响，此消彼长。这就导致在过火温度为500 ℃时，混凝土试块的剩余抗压强度随受热时间的增加出现了一定的波动性；

3)当过火温度为700 ℃和900 ℃时，三种强度等级的混凝土剩余抗压强度整体呈下降趋势。当过火的时间较短时，因为混凝土的热惰性，此时混凝土存在内外温差从而导致裂缝的产生使混凝土抗压强度降低。随着过火时间的增加，混凝土内部温度与外界温度的温差逐渐缩小，此时混凝土内部起骨架作用的水化物迅速分解导致抗压强度迅速下降。随着时间的增加，700 ℃和900 ℃的混凝土抗压强度越来越接近。

3 结语

1)随着过火时间和过火温度的增加，混凝土的抗压强度呈整体降低趋势。在过火温度较低(≤500 ℃)和时间不长(≤60 min)时，混凝土抗压强度下降的幅度较小。在过火温度为700 ℃时，前期会随着时间的增加，混凝土抗压强度的减少呈增大趋势。当时间足够长时，混凝土抗压强度的减少会趋于平缓。

2)在过火温度为700 ℃、时间不大于60 min时，过火后的混凝土抗压强度是缓慢的线性下降，随后它的强度是急剧的线性变化。

3)在过火温度为900 ℃时，过火后的混凝土抗压强度一致是比较急剧的线性变化，其中60 min～90 min时的变化幅度比0 min～60 min 时偏大。

4)不同强度等级的混凝土在过火温度较低和时间较短的情况下，混凝土抗压强度的下降幅度整体基本没有差别，随着过火温度和过火时间的增加，强度等级大的混凝土其抗压强度下降幅度要比标号小的混凝土偏大。

5)在混凝土强度迅速下降(时间不小于60 min)的阶段，过火温度相比过火时间对混凝土抗压强度的影响要大。

[1] 董毓利.混凝土结构的火安全设计[M].北京:科学出版社，2001.

[2] 王学谦.建筑防火[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3] 吴 波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能[M].北京:科学出版社，2003.

[4] 过镇海,时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京:清华大学出版社，2003.

[5] 阎继红,林志伸,胡云昌.高温作用后混凝土抗压强度的试验研究[J].土木工程学报，2002，35(5):17-18.

[6] 吴 波,马忠诚,欧进萍.高温后混凝土变形特性及本构关系的试验研究[J].建筑结构学报，1999，20(5):42-43.

Experimental study on the effect of fire temperature and time on the compressive strength of concrete

Xu Wentao Ni Kang Kong Depu

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，NanchangHangkongUniversity，Nanchang330063，China)

This paper produced the concrete specimen with different strength grade, burning specific time in fire at a given temperature, after water cooling, made concrete compression strength test, analyzed the influence law of burning temperature and burning time to concrete strength, draw some useful conclusions.

concrete, compression strength, burning temperature, burning time

1009-6825(2017)09-0037-02

2017-01-19

徐文涛(1991- )，男，在读硕士； 倪 康(1991- )，男，在读硕士； 孔德镨(1992- )，男，在读硕士

TU312.3

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