火灾环境下桥梁混凝土动、静弹性模量试验研究

申雁鹏

(山西省交通科技研发有限公司 桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

0 引言

既有桥梁灾害报道中，火灾越来越多，已成为发生概率较大、损失最严重的灾害之一[1]。不仅导致桥梁结构自身破坏，同时危及正常交通运营[2-3]。火灾后如何对桥梁各项指标做出迅速准确的评定，是灾后维修加固的主要依据。弹性模量作为材料性能计算的重要指标，反映了应力与产生应变间的关系，体现了结构截面的刚度，是与结构挠度变形相关的重要指标，也是研究裂缝开展和温度应力必要的参数之一。因此，需探究火灾环境下桥梁混凝土弹性模量，为工程应用提供参考。

国、内外学者开展了相关研究工作，李伟[4]等开展了卵石混凝土长期弹性模量无损测试试验研究。孙丛涛[5]研究了混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系。杨成学[6]等开展了冲击回波现场测试混凝土动弹性模量的研究。郭学兵[7]开展了常温状态下弹性荷载对砼动弹性模量测试影响试验。吕毅刚[8]等开展了临海环境下砼长期弹性模量试验。

目前，国、内外对桥梁混凝土动、静弹性模量的研究侧重于常温下或其他条件(临海环境)下的研究，没有考虑火灾环境下桥梁混凝土形态、弹性模量数值及其比值的变化规律。以8组不同温度等级下C50混凝土试块为对象，通过高温火损试验对各温度等级下混凝土试块动弹性模量、静弹性模量进行研究，并构建了数值关系模型。

1 试验概况

1.1 试件设计

为实施火灾环境下桥梁混凝土动、静弹性模量试验，制备了一批强度等级为C50的棱柱体试件，试件长×宽×高分别采用150 mm×150 mm×300 mm，试件采用威顿P.O 42.5级普通硅酸盐水泥、粗骨料采用粒径为5～20 mm的连续级配的碎石、山西尉通砂场II区中砂、自来水和TL-AH-A型减水剂，试件成型后放入标准养护室养护28 d。混凝土配合比见表1。

1.2 试件高温试验

① 试验目的：对试件完全烧蚀基础上，获取混凝土弹性模量与过火温度的定量关系。

表1 混凝土配合比Table1 Concreteproportioning(kg/m3)水泥砂粗骨料不同粒径/mm9.50～19.04.75～9.50水减水剂4847208292071605.81

② 烧蚀试验最高温度：当混凝土过火温度达800 ℃及以上时，损伤严重，性能极差，本次试验方案设定最高温度为700 ℃。

③ 温度控制制度：试件中心温度与表面温度达到指定温度，来控制某次试验。当温度达标后，恒温1 h，保证试块内外烧透。

1.3 试验方法

a.温升曲线：根据对国内外桥梁火灾事故调研，运营桥梁火灾事故以燃油车辆意外自燃、爆炸为主，因此试验采用HCinc温升曲线。其计算公式为：

(1)

式中:T0为初始温度，通常取20 ℃；t为火灾的持续时间；T为t时刻空气中的平均温度。

b.静弹性模量测试：按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测试。

c.动弹性模量测试：动弹性模量测试方法采用振动法。通过激发混凝土试件中的弹性波，用弹性波波速来计算混凝土的参数。弹性波的各种波中，P波速度最快，在混凝土构件中，p波波速采用下式计算：

(2)

其中，Ed为材料的动弹性模量；ρ为密度；μ为泊松比。

当传播物为桩、立柱等细长物体，P波波速为一维波速，波速与结构参数存在函数关系如式(3)所示。

(3)

根据式(3)，激发了一维波速，通过测量波速和被测物的密度，即可得到动弹性模量。P波波速的测试可以采用透过法，也可用重复反射法(及冲击回波法)[9]，本文采用冲击回波单面反射法测试。

1.4 试验主要仪器设备

电阻炉：浙江省兴化市双狮电热电器有限公司生产的SX28-12箱式电阻炉。

万能试验机：美特斯工业系统(中国)有限公司的YAW7506、SHT4605-G微机控制电液伺服万能试验机。

冲击弹性波检测仪器：混凝土多功能无损测试仪。

2 试验结果分析

2.1 试件形态特征变化

高温后的试件，颜色、裂缝发展、锤激声响及角隅剥落现象均有明显变化，不同温度等级试块形态特征变化如图1所示。

图1 试件形态特征

由图1可知：

① 20 ℃～100 ℃时，试块呈深灰色，表面有原生孔洞，无裂缝；② 200 ℃～300 ℃时，试块表面颜色泛白，锤击声音较沉闷，表面无裂隙产生。③ 400 ℃时裂缝开始出现，同时部分表面颜色出现浅粉红色；④ 500 ℃和600 ℃时，微裂纹不断发展，裂缝数量增多，表面颜色变为浅黄色，试件轻磕或小锤轻敲，有疏松感，不再呈密实状；⑤ 经过700 ℃高温后，试块表面呈浅白色，裂缝持续发展，宽度逐渐增加，锤击声音为空响，角隅部位有混凝土剥落现象。

2.2 动、静弹性模量差异性分析

通过高温火损试验，得到不同温度等级下动、静弹性模量数值关系曲线，如图2所示。

由图2可知：

a.相同温度等级下，试件动、静弹性模量呈现一一对应关系，即静弹性模量大，动弹性模量也大(个别存在差异性)。主要由于材质弹性模量取决于组成骨料性质和比例，骨料的类型和粒径直接影响动、静弹性模量测试结果，骨料占比越大，粒径越大，试件强度越高，静压法测的静弹模越高；冲击弹性波通过混凝土试件后，声速越大，利用声速求得动弹模也较高。工程中常见的是预制箱梁腹板上部及中部较腹板底部动、静弹性模量大，主要原因是施工振捣时，骨料下沉至箱梁腹板底部。

b.随着温度等级的升高，动、静弹性模量呈现减小特征，但数值上仍有较大差异。由图2可得20 ℃下，两者均值差值为5.76 GPa，100 ℃下，均值差值为4.51 GPa。主要原因是混凝土是一种多组分多尺度多相固体的复合材料，多相固体中波速与相互结合材料的参数及波长有关，由于频散现象的缘故，波速远大于单相弹性固体的波速；同时，混凝土在浇筑时存在一些不密实的微小孔隙，影响到静压法中对静弹性模量的测定，但弹性透射波能够绕过这些孔隙继续传播。故测得的混凝土动、静弹性模量有较大差异。工程实践中对于钢材等金属材料，其材质均匀，动、静弹性模量基本一致，无较大差异存在。

图2 不同温度等级下试件动、静弹性模量曲线图

c.不相同温度等级下，动、静弹性模量两者大小关系发生改变。

烧蚀温度较低时(20 ℃～200 ℃)，不同温度等级下试件静弹性模量和动弹性模量变化趋势相同，静、动弹性模量单调降低，实测静弹模均值由41.06 GPa降至25.72 GPa、实测动弹模均值由46.81 GPa降至29.59 GPa，两者差值平均值逐渐减小。试块动弹性模量始终大于静弹性模量。

300 ℃左右时，动弹性模量和静弹性模量的大小关系发生改变，动弹性模量不再始终大于静弹性模量，两者较接近(静弹性模量均值为16.69 GPa、动弹性模量均值为16.59 GPa)，部分试块静弹性模量反超动弹性模量，出现静弹性模量大于动弹性模量现象。

烧蚀温度较高时(400 ℃～700 ℃)，静弹性模量、动弹性模量单调降低，实测静弹性模量均值由8.94 GPa降至2.90 GPa、实测动弹性模量均值由7.00 GPa下降至1.50 GPa，混凝土试件静弹性模量全部大于动弹性模量。

主要原因为：温度小于200 ℃时，试件内自由水通过原生毛细孔蒸发，此时试件密实，P波传播均匀；温度达到约300 ℃时，部分物质发生脱水、分解反应，化学结合水丧失，表面微裂缝尚未形成；500 ℃后，水化矿物脱水引起浆体收缩，形成大量孔洞，骨料持续膨胀，变形不协调使骨料与浆体界面产生内应力，形成微裂缝，水分自微裂缝处迁移，微裂缝不断发展，表面裂缝数量增多，试件内部疏松劣化；700 ℃后，骨料中的碳酸钙受热分解[10]，随着微裂缝的大量生成、发展及内部结构的疏松劣化，导致P波在传播过程中，波速减小，声时增加，动弹性模量急速下降，出现动、静弹性模量大小关系发生变化。

2.3 混凝土高温后静、动弹性模量比值分析关系

试验过程中记录不同试件同一温度下静、动弹模比值，结果见表2。

表2 不同温度等级下静、动弹性模量比值Table2 Ratioofstaticanddynamicelasticmodulusatdifferenttemperaturelevels温度等级/℃不同试件个数(个)的模量比值12345678910均值 200.880.860.890.910.860.880.880.860.860.880.881000.880.890.860.900.830.860.900.910.930.970.892000.850.800.860.910.860.870.850.890.880.920.873000.911.000.961.021.020.930.931.211.031.191.024001.261.391.261.201.131.101.301.541.421.261.295001.381.511.431.351.411.751.711.301.221.441.456001.761.661.931.492.051.631.731.801.951.271.737002.082.451.721.701.872.121.741.641.882.331.95

由表2可知，高温后试块的弹性模量比值整体呈上升趋势，经受的温度越高，增量越大。较低温度下(<300 ℃)，两者比值随温度升高变化不大，20 ℃、100 ℃、200 ℃其比值平均值为0.88、0.89、0.87。随着温度逐渐升高，比值增长幅度整体呈上升趋势，700 ℃时两者比值达1.95。基于最小二乘法，将各温度等级下砼静、动弹性模量比值与温度拟合，见图3。

图3 弹性模量比值与温度变化曲线图

图3中曲线采用Fourier模型拟合，拟合公式为式(4)：

f(x)=a0+a1×cos(x×w)+

b1×sin(x×w)

(4)

其中，a0=1.517；a1=-0.609；b1=-0.253 4；w=0.003 8。拟合曲线R2=0.995，拟合度极高。

在工程实践中，动弹性模量Ed通常用于估算静弹性模量Ec，两者之间的经验式，比较典型的是Lydon和Balendran式[11]，即Ec=0.83Ed。该式仅适用于常温或温度较低(20 ℃～200 ℃)情况下的粗略估算，不适用于所有类型下的混凝土，尤其是本研究中较高温度下的桥梁混凝土，对于高温下的混凝土试件，建议采用文中Fourier模型拟合曲线。

3 结论

以火灾环境下桥梁混凝土为背景，制作了8组不同温度等级(20 ℃～700 ℃)C50混凝土棱柱体试块进行火损试验，研究其动、静弹性模量，主要结论如下：

a.高温后的试件，随着温度的逐渐升高，试件表面颜色由深灰色变为浅白色、裂缝逐渐出现变宽、锤激声响由沉闷变得空响。

b.相同温度等级下，试件静、动弹性模量呈现静弹性模量大，动弹性模量也大的一一对应现象；随着温度等级的升高，动、静弹性模量两者都呈下降趋势，但两者数值上仍有较大差异。

c.不相同温度等级下，动、静弹性模量大小关系发生变化。烧蚀温度较低时(20 ℃～200 ℃)，混凝土试块动弹性模量始终大于静弹性模量；烧蚀温度达到300 ℃左右时，出现静弹性模量大于动弹性模量；烧蚀温度较高时(400 ℃～700 ℃)，静弹性模量全部大于动弹性模量。

d.烧蚀试验后混凝土试块弹性模量比值整体呈上升趋势，低温状态下(20 ℃～200 ℃)，Ec=0.83Ed较适用；高温下的混凝土试件(≥300 ℃)，该式并不适用，建议采用Fourier模型拟合曲线。