高温下C65混凝土力学性能试验研究

覃丽坤，刘伟兵，宋宏伟

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116650)

实际工程中，高强混凝土使用的越来越普遍，尤其是高层建筑。中国每年因为建筑火灾造成的死亡人数和经济损失相当严重,开展高强混凝土抗火性能的研究显得尤为重要。混凝土在高温下的力学性能与在高温后的力学性能不同，对混凝土结构在火灾中的受力性能分析，应采用混凝土在高温下的力学性能指标。由于混凝土的高温力学性能试验缺乏专门的试验设备，并且难度很大，造成试验数据不多且比较离散。从已有的研究资料[1-9]来看，由于高温下混凝土力学性能的研究成果不多，中国对火灾发生时和火灾后混凝土结构的受力性能分析，均近似采用高温后混凝土的力学性能指标，这种情况不能准确评估火灾对结构的影响，也不能正确制定灾后对结构的修复方案。本文试验对C65混凝土进行了常温20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、800 ℃温度下的抗火性能试验,对各温度下的高强混凝土进行了单轴压力学性能试验，测得了高温下混凝土的单轴抗压强度，分析了高温后混凝土外观特征。根据试验结果，系统地分析了在高温作用下高强混凝土抗压强度的变化趋势，为评估火灾对高强混凝土结构的影响提供试验和理论依据。

1 高温下混凝土力学性能试验设计

1.1 试件尺寸及试验材料

用于高温试验的试件尺寸为100×100×100 mm。水泥采用大连小野田水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，砂石含泥量均低于1%，细骨料为中砂，粗骨料为碎石，最大粒径为20 mm。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比(每立方米用量)

试件用钢模成型，振动台振捣密实。成型后覆盖表面，防止水分蒸发，在室温为(20±5) ℃条件下静置1-2昼夜，然后编号拆模。做试件时用的是水性脱模剂。脱模后混凝土试件在(20±3) ℃的环境中标准养护28天，静置60天后开始试验。

1.2 试验设备

试验在大连民族大学土木工程实验中心的高低温加载设备上完成。高低温加载设备系统由WAW-1000型电液伺服万能试验机、高温加热炉组成，是为材料性能试验提供试验环境的一种装置如图1。

(a)液压万能试验机 (b) 高温试验加载炉

1.3 试验方法

高温试验中，电炉内部环境温度按照15 ℃·min-1的升温速度升温, 加热温度分别为常温20 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃共6种工况,当试块加热到某指定温度后恒温2 h,以保证试块内部受热均匀。首先对试件进行轴心物理对中，然后以0.5～0.8 N·mm-2s-1施加压力直至破坏。

对养护好的试块进行试验前的初步检查，将有明显制作缺陷的试块剔除，将不同温度的试块进行分组，每种温度下取3个试块进行编号，并进行平整度处理，避免试验过程中因试件不平整产生的误差，选择上下最平整的两个面作为受压面。首先检查试验机状况，然后开启试验机，轻轻触动试验机横梁，保证试验机始终能够正常工作。在试验机上安装用于抗压试验的专用夹具，然后安装高温加热炉，注意留够试验机平台上升操作的空间。将试块安装至试验机的指定位置，微动试验机横梁，在离试件1 mm～2 mm时停止；为防止高强混凝土受压破坏瞬间发生爆炸，在试验机周围安装防护网；使试块在炉子正中央，关闭高温加载炉，用高温隔热棉密封加载炉。打开计算机，进行软件参数和试块尺寸参数设定，目标温度为300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、和800 ℃。在各目标温度下恒温2 h，然后启动试验机油泵，开始加载，收集力—位移曲线，试件压坏后，停止试验，保存数据。

2 高温下混凝土力学性能试验结果及分析

2.1 试验现象

不同温度下高强混凝土受压破坏形态如图2。

(a)常温 (b)300 ℃ (c)400 ℃

(d)500 ℃ (e)600 ℃ (f)800 ℃

由图2可见，试件加温至300 ℃恒温2 h后，外表颜色与常温时相比变化不大，施加压力加载后，内部颜色变化不大，但内部组织比常温时出现干燥现象；试件加温至400 ℃恒温2 h后，外表颜色呈灰褐色并开始出现细纹，施加压力加载后，内部颜色呈浅粉色，内部组织干燥现象明显，破坏时

呈柱状，骨料破碎现象明显；试件加温至500 ℃恒温2 h后，外表颜色呈灰白色并开始出现裂纹和掉皮现象，施加压力加载后，内部颜色呈浅粉色，内部组织干燥现象明显，加载破坏时呈柱状，骨料松散现象明显；试件加温至600 ℃恒温2 h后，外表颜色和内部结构与500 ℃时类似，内部组织干燥现象更明显，破坏时骨料疏松现象更明显；试件加温至800 ℃恒温2 h后，外表颜色呈暗红色，出现严重掉皮现象，加载破坏时，可看到内部呈粉红色，破坏时骨料疏松现象更加明显，试块被压酥，由于混凝土内部水蒸气的迁移受到影响，发生爆裂现象,不同温度下高温混凝土外观特征见表2。

表2 不同温度下高强混凝土外观特征

2.2 试验数据

对不同高温下的高强混凝土试件进行静载试验，首先使试件轴心物理对中，然后以0.5～0.8 MPa·s-1的速度施加压力直至破坏，确定试件的极限承载能力。C65高强混凝土在不同温度下单轴抗压强度平均值及其折减系数见表3。

表3 C65高强混凝土在不同温度下单轴抗压强度平均值及其折减系数

2.3 试验结果分析

高强混凝土在不同温度下基于常温混凝土立方体抗压强度降低的百分比见表4。

表4 不同温度下基于常温混凝土立方体抗压强度

从表4可以看出C65高强混凝土在300 ℃高温下，强度降低了6%，在400 ℃高温下，强度值较300 ℃时有所提高，出现反弹，其原因是此时剩余水泥熟料的水化使混凝土强度增大的作用大于使混凝土强度降低的作用。温度达到500 ℃以上，强度开始明显下降，在800 ℃高温下，强度降低了50%，说明在高温下高强混凝土的单轴抗压强度总体呈逐渐降低的趋势。运用统计分析方法，建立高温下高强混凝土抗压强度相对值与温度之间的关系式，如式(1)：

(1)

高温下高强混凝土单轴抗压强度试验值与按式(1)计算的理论值的对比图如图3，可见按式(1)计算的结果与试验值符合较好。

图3 高温下高强混凝土单轴强度试验值与理论值比较

3 结 论

(1)高强混凝土在不同高温下，混凝土表面和内部结构都发生了不同的变化。随着温度的升高，混凝土表面的颜色逐渐变化，由常温和300 ℃时的青灰色，到400 ℃开始出现灰褐色，在高温500 ℃、600 ℃时呈现灰白色，在800 ℃时呈暗红色；随着温度的升高，内部颜色也逐渐发生变化，从400 ℃开始出现浅粉色，800 ℃时呈粉红色，结构内部干燥程度也越来越明显，600 ℃-800 ℃左右时部分高强混凝土试件发生爆裂，试件被压酥。

(2)高强混凝土在不同高温下，随温度的升高，其力学性能劣化程度加大。在300 ℃高温下，强度降低了6%，在400 ℃高温下，强度值较300 ℃时有所提高，出现反弹，在500 ℃以上，强度开始明显下降，在800 ℃高温下，强度降低了50%，说明高强混凝土的单轴抗压强度总体呈逐渐降低的趋势。

(3)根据试验结果，建立了高温下C65高强混凝土单轴抗压强度相对值与温度之间的关系式，经比较与实验值符合较好，可为工程实际提供设计依据。

[1] 王孔藩,许清风,刘挺林.高温下及高温冷却后钢筋力学性能的试验研究[J].施工技术，2005,34(8)：1-3.

[2] 肖建庄,任红梅,王平. 高性能混凝土高温后残余抗折强度研究[J]. 同济大学学报(自 然 科 学 版)，2006,34(5)：580-585.

[3] 赵东拂,刘梅.高强混凝土高温后剩余强度及无损检测试验研究[J].建筑结构学报， 2015，36(2):365-372.

[4] 徐明,陈忠范,肖德后.高温后碳纤维布约束混凝土轴压力学性能试验[J].工程力学，2013，30(11):214-230.

[5] 阎继红.高温作用下混凝土材料性能试验研究及框架结构性能分析[D].天津: 天津大学，2000.

[6] 高宇剑.高强混凝土火灾后力学性能退化及高温爆裂机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2014.

[7] 马保国,穆 松,张风臣,等.高温下高强高性能混凝土性能劣化的表征方法[J].铁道科学与工程学报，2007，4(5):40-44.

[8] 万夫雄，赵鹏辉，连会杰，等.高温后再生混凝土强度与微观机理[J].混凝土，2017，327(1)：52-55.

[9] 刘宁，刘海峰，刘利明，等.高温对沙漠砂高强混凝土抗压强度影响[J].混凝土，2017，332(7)：28-35.