C20混凝土在高温条件下的力学性能特征参数变化规律研究

王永旗 张珂健 张玉春 陈龙飞

摘要：本文研究了C20混凝土在高温条件下的力学性能特征参数变化规律。试验采用的温度范围为100℃-800℃，对比不同高温条件下C20混凝土的质量损失率、波速损失率与损伤度。试验结果表明，在不同的高温条件下，C20混凝土的表面颜色及外观有较大差异。随着温度的升高，C20混凝土的质量损失率、波速损失率及损伤度也随之增大。同时，C20混凝土的质量损失率与波速损失率之间呈现线性关系。

关键词：C20混凝土;波速;质量损失率;损伤度;波速损失率

普通混凝土暴露在火灾或高温条件时，它的性能将发生很大的改变。近年来，国内外学者对普通混凝土在高温条件下的性能已进行了大量的研究工作。1980年，Ellondwing、2003年，Kodur、2013年，Kizilkanat等人研究了高温后普通混凝土的物理性质，如密度、比热、热传导率和热膨胀系数等参数在高温下的变化规律和反应过程。2001年，Shoaib、2005年，余志武、2013年，罗俊礼、2013年，霍静思等人分析了高温后普通混凝土的力学性能，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、收缩性能、钢筋与混凝土之间的粘结强度及残余特性等參数的变化规律。

在火灾或者高温条件下，普通混凝土将会受到不同程度的损伤，而损伤程度的测量与表征是非常重要的。检测混凝土性质的方法通常分为破损法和非破损法。相对于破损法来说，非破损法不会对混凝土结构造成破坏，测试仪器简单、操作方便，并且具有可对混凝土结构构件重复测试等优点。其中，超声波法因超声波对各种材料的穿透力较强、较高的灵敏度、操作方便和检测成本低等优点在工程中得到广泛的应用。

1993年，杨彦克等人较早地通过大量超声试验，以及对火灾混凝土构件的温度分布的研究，发现用超声法来推求火灾混凝土构件温度分布是可行的。2004年，Prassianakis等人开展了研究证明超声波作为材料的非破坏性测试方法的有效性。2004年，黄政宇等人建立了超声波首波幅值衰减层析成像的原理和方法，发现首波幅值衰减反演不但能正确反映试件内部的缺陷情况，而且比速度反演更敏感。2009年，Yang等人通过超声波脉冲速度定量评价高温下混凝土的残余抗压强度，以及残余超声波速度与不同配比混凝土强度、暴露温度、暴露时间、火灾后龄期之间的关系。2011年，Lin等人采用波速作为参数，研究了水固化混凝土受高温后残余抗压强度与超声波速度的关系，研究表明混凝土的配比类型对高温后养护混凝土试件的残余强度和波速比的影响很小，并提出了预测火灾后混凝土的养护残余强度的公式。2013年，陈天红等人应用超声波法的相对波速和损伤度作为评价参数，对混凝土的受热温度、抗压强度损失率和抗折强度损失率进行分析与评价，发现二次多项式和指数函数的拟合效果较好。2014年，Azimian等人用统计的方法总结前人对不同类型岩石的波速与UCS（单轴抗压强度）之间的关系。2015年，Wang等人采用时频分析方法对砂岩高温暴露后的变形和强度特性进行了评价，验证了超声波评价方法的有效性。

综上所述，前人学者针对普通混凝土在高温下的波速变化方面已经开展了大量的研究工作，然而，目前还比较缺乏针对混凝土质量损失率与波速损失率之间关系的研究。随着温度的升高，普通混凝土内部结构将会发生变化，混凝土内部结构变化的同时将会伴随着质量损失率的增加和波速的降低，本文通过研究C20混凝土在高温条件下的力学性能特征参数变化规律，建立C20混凝土的质量损失率与波速损失率的关系式，为高温条件下混凝土的参数分析提供参考依据。

一、试验设计

（一）试块制备

试块采用P.O42.5硅酸盐水泥与0.025cm-0.05cm的细河沙骨料，W/C为0.78，水泥、细骨料、水与减水剂四者的比例确定为1：3.54：1.28：0.008。可近似认为各相同性。

混凝土试件经24h带模养护后，常温下养护28天。试验共设计了27个立方体试块（100mm×100mm×100mm）。每组温度下，有3个试块（例如，800℃编号分别为800-1、800-2和800-3），其中3块为对照组。

（二）温度设定

高温试验仪器采用箱式电炉，电炉最高温度可达1200℃，最大升温速率为15℃/min-20℃/min，平均10℃/min，略低于标准升温速率。高温试验利用电炉进行加热。

试验设定100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃八种温度等级，到达设定温度后，保温2h后停止加热，使试件自然冷却至室温。对比试验前后外观、质量及波速变化。

二、结果与分析

（一）试验现象

在试验中观察到，当温度加热至100℃-200℃时，从炉门冒出少量水雾，这是混凝土中的游离水蒸发所引起的。在400℃-500℃温度范围内，炉门出现大量略带刺激性气味的水雾，此时，混凝土水化产物中的化合水逐渐析出。而当温度达到600℃后，随着加热时间的增加，混凝土中的大部分水分已失去，水雾基本消失。其中，当混凝土被加热至450℃-600℃时，会听到试件中发出细小爆裂的声音。同时，试验中也观察到，对于常温下的混凝土，发射器发出的脉冲声音较厚实且无回音;而对于高温条件下的混凝土，发射器发出的脉冲声音较为沙哑、沉闷，回音现象严重，并且所受温度越高越明显。

在不同的温度下，混凝土试件表面的颜色及试件表面的裂缝、疏松程度呈现不同的特点。混凝土试件受高温作用并冷却至室温后的外观特征，整体如图1所示：

其中，试块“1”、“2”、“3”为常温条件下的混凝土试块，用于参照对比。从图1中可以看出，随着温度的增加，试块颜色由灰白色逐渐变深成为灰褐色，其中，400℃颜色最深，而随着温度的继续增加，颜色逐渐褪色变为亮白色。在相同温度下，试块的表面颜色大致相当。观察试块的外观，发现当温度在500℃以下时，试块外观基本保持完好，没有明显的裂缝和脱落。当温度达到600℃以上时，会出现明显裂缝和脱落现象：当温度为600℃时，混凝土试块出现明显的长裂缝，温度上升到700℃时，混凝土试块出现条明显的T型裂缝，随着温度继续升高达到800℃时，混凝土试块出现数条细裂缝，试块表面脱落十分严重。

（二）质量损失率与温度的关系

混凝土在受到高温后，其质量会有损失，主要包括水分的蒸发、C-S-H凝胶的脱水分解、Ca（OH）2、CaCO3的分解以及混凝土表面爆裂或剥落带来的质量损失。因此，混凝土高温下的质量损失率在一定程度上反应了混凝土内部结构的变化。将高温试验前的混凝土试件称重，高温试验结束后，清除试件表面的碎屑、浮灰后测其质量。

质量损失率按式（1）计算：

式中，GS为高温后试件质量损失百分率（%）;W1为高温前混凝土质量（g）;W2为高温后混凝土质量（g）。

试验表明：混凝土试块在300℃以下质量损失率在5%以下，此时试块质量的损失是自由水的蒸发;400℃-600℃质量损失率迅速增加，这个阶段，质量损失主要来自于C-S-H凝胶的脱水分解、Ca（OH）2的分解;600℃-800℃質量损失率大致维持不变是因为混凝土内部的结晶水基本已经分解完毕，质量损失的一部分来自于混凝土表面的脱落。

（三）波速损失率与温度的关系

高温条件下混凝土将发生一系列物理化学反应，而超声波对这种变化反应十分敏感，高温条件下混凝土超声波速度的变化直接反映了混凝土内部结构的变化。混凝土经受不同的高温后，内部结构的变化（如水泥浆的疏松，裂缝的出现、扩展等）呈现出不同的特点，混凝土整体性的破坏导致超声波在混凝土中的传播速度下降。因此，可以通过测试不同温度下超声波在混凝土中的传播速度，得出波速损失率与温度之间的关系，可直接用于进一步分析评定混凝土的火灾损伤程度。

超声波变化率按式（2）计算：

式中，PS为高温后波速损失率;P0为高温前混凝土试块波速（km/s）;P为高温后混凝土试块波速（km/s）。

试验表明：随着温度增加，混凝土试块波速逐渐下降，当低于400℃时，混凝土波速下降比例≤30%，当温度达到800℃时，此时波速只有高温前波速的30%。随着温度增加混凝土试块损伤度越来越大，混凝土损伤等级也越来越严重。

（四）质量损失率与波速损失率的关系

随着温度的升高，试块内部结构将会发生改变，改变的同时将会伴随着质量损失率的增加和波速的降低，二者之间必然存在着关系。图2为混凝土波速损失率随质量损失率的变化关系。通过试验结果的对比分析，可以看出高温条件下混凝土的质量损失率与波速损失率之间呈线性关系，如可由下式表示：

三、结语

本文研究了C20混凝土在高温条件下的力学性能特征参数变化规律。试验采用的温度范围为200-800℃，对比不同高温条件下C20混凝土的质量损失率、波速损失率与损伤度，得到以下结论：

（1）随着温度的升高，混凝土表面的颜色由灰白色逐渐变深成为灰褐色。其中，温度为400℃时颜色最深，而随着温度的继续升高，颜色逐渐褪色变为亮白色。同时，发现当温度在500℃以下时，试块外观基本保持完好，没有明显的裂缝和脱落，当温度达到600℃以上时，试块会出现明显裂缝和脱落现象。

（2）随着温度的升高，混凝土的质量损失率、波速损失率及损伤度也随之增大。

（3）在不同高温条件下，混凝土的质量损失率与波速损失率之间呈现线性关系。

参考文献：

余志武，丁发兴，罗建平.高温后不同类型混凝土力学性能试验研究[J].安全与环境学报，2005，5（5）：1-6.

罗俊礼，徐志胜，郭信君，张焱.隧道衬砌混凝土管片高温爆裂及火灾损伤试验研究[J].安全与环境学报，2013，13（5）：159-164.

霍静思，王鹏，禹琦.水灰比对高温下混凝土力学性能影响试验研究[J].安全与环境学报，2013，13（4）：199-206.

杨彦克，郑盛娥.用超声法估定火伤混凝土构件截面上的温度分布[J].西南交通大学学报，1993，28（4）：78-83.

黄政宇，黄靓，缪仑.混凝土超声波幅值衰减层析成像研究[J].铁道科学与工程学报，2004，1（2）：35-38.

陈天红.应用超声波法评价不同类型混凝土高温后性能[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

作者简介：

王永旗，男，高级工程师。

陈龙飞（通讯作者），男，讲师。

基金项目：

中央高校基本科研业务费理工科科技创新项目（2682017CX082），建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题（KFKT2016ZD04）。