不同高温作用下混凝土的损伤破坏研究

林乙玄

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

随着现代建筑工程建设要求的不断提高，对混凝土在不同环境下的变化特征进行研究意义重大。工程岩体中含有大量不同类型的结构面，如裂隙、节理、层理甚至大的断层等。这些结构面缺陷在很大程度上降低了岩体的强度，在外荷载作用下易导致裂纹的萌生、扩展和贯通，也决定了裂纹扩展的规律。工程实践表明，岩体工程的失稳破坏与裂纹的孕育、萌生、扩展和贯通密切相关。因此，开展裂隙岩石强度和裂纹扩展特征研究具有重要意义。近些年，针对裂隙岩体裂纹扩展已进行了大量研究，但由于岩石中预制裂隙较困难，目前主要集中于岩石类相似模型材料的研究，如石膏材料、混凝土等。

前期影响混凝土性能的因素主要有配合比、养护条件、压实度、水灰比、水泥种类等。后期影响混凝土性能的因素比较复杂。例如，复杂的自然条件，高温能够影响水泥与骨料之间的黏结性能，可以利用数值模拟的方法研究高温对混凝土的影响。高原地区的建筑物经常遭受凝冻灾害，冻结后的混凝土性能发生变化，并对其微观结构产生影响。在某些特定环境下，由于钢筋极易腐蚀生锈，会对混凝土产生不利影响，需要混凝土具有抗酸抗腐蚀性能。另外，在实际工程中，火灾是最常见、对混凝土影响最大的因素。为了研究火灾对混凝土的影响，国内外学者对高温环境下的混凝土进行试验，并研究其力学性能后发现，300℃和500℃是混凝土性能发生较大变化的两个临界温度。火灾发生时，对建筑物采用不同的冷却方式，其对混凝土的性能影响也不同。高温会导致混凝土内裂纹扩展，因此，研究不同温度及冷却方式对混凝土的影响十分重要。

目前，众多学者对高温作用后及不同冷却方式下混凝土的力学性能做了大量研究，取得了丰硕的研究成果。本文主要研究不同温度及冷却方式对混凝土性能的影响，运用核磁、电镜扫描等技术手段从微观的角度探究了影响混凝土性能的原因，并对其声发射现象的规律进行分析。

1 混凝土结构损伤的研究

结合实际情况可以发现，混凝土是各类工程施工中常用的材料，尤其是在建筑工程施工中，混凝土的功能与作用是毋庸置疑的。但在实际施工中，由于不同温度和冷却的作用，会给混凝土带来一定的损伤，导致混凝土出现孔隙和裂缝。为了实现对混凝土合理保护，需要对不同高温作用下的混凝土进行损伤破坏研究。

混凝土具有微观、细观和宏观等不同层次的结构，以往主要是研究混凝土的宏观层次，将混凝土均匀化为宏观均质连续材料，不去考虑混凝土的细观结构和微观结构，这样是不全面的。所以，从细观角度出发，可以发现混凝土材料的力学特性是由内部的微观结构及其变化所形成的。为了明确混凝土结构在不同高温作用下的损伤破坏情况，需要对微观结构的相应内容进行分析，这样才能保证混凝土结构的合理研究。混凝土是一种典型的非均质材料，在多种尺度下都表现出了非均质的特点，所以，就不能将其作为一种均质材料进行研究。

在高温作用下，混凝土的损伤可以用字母D表示。为了获取混凝土的破坏曲面方程，先假设混凝土受到非力学因素的影响，造成损伤，之后的抗拉强度可以表示为受损前的抗拉强度与损伤D之间的函数，从而得到公式（1）：

结合上述公式（1）的基本情况，再对抗压强度fc和D的函数进行分析，得到公式（2）：

再对两个方程进行整合，最终得到公式（3）：

结合上述内容，就能得到高温作用下混凝土的破坏损伤公式。实际的分析中需要结合上述公式的基本内容，进行进一步分析为后续的不同高温作用下混凝土的损伤破坏研究奠定基础。

2 试验方法

2.1 试件准备

（1）试验使用混凝土试件为10块、常温组2块；300℃试件4块（水冷2块、气冷2块）；500℃试件4块（水冷和气冷各2块）。

（2）经过温度处理的试件命名用数字+字母，数字表示温度，字母表示冷却方式，如300℃气冷试件用300-A表示。

（3）混凝土中材料配合比为m（细砂）∶m（水泥）∶m（水）=2∶1∶0.4。其中，水泥为基准水泥、砂为标准砂、水为普通自来水。

（4）混凝土浇筑完成后，放入养护箱养护至少28d，试件尺寸为100mm（高）×50mm（直径）圆柱形试件。

（5）高温前将混凝土试件上下两端面用磨平机磨平，保证两端面的平行度符合试验要求。

（6）试验前，需准备好基本材料和设备。可以对混凝土进行相应的检测工作，确保混凝土处理得当，满足实际使用需求；必须对设备进行检测，以确保设备处于良好的工作状态，从而降低设备隐患，确保试验设备满足试验的基本要求。

（7）由于环境对混凝土的影响，必须控制环境，保证合适的室内温度，以保证环境的合理性，降低环境给对试验的负面影响，保证混凝土试件试验效果，满足试验的基本要求。

（8）试块经过处置后必须具备试验能力。通过对试块基本状况的研究，发现试块符合实际试验的要求，能保证试验质量，确保不同高温作用下混凝土的损伤破坏研究，提升试验效果。另外，需要注意外界因素对试验的影响，要保证试验质量，确保试验符合实际要求。

2.2 加热设备及过程

（1）试验采用1 200℃快速升温箱式电阻炉进行升温。

（2）将养护好的混凝土真空饱水后，使用核磁共振仪测定试件的T2谱；测定完成后放入烘干机中烘干至试件质量不再变化；待试件中的水分完全去除后放入高温炉。

（3）试验中混凝土试件的处理温度分别为300℃和500℃（为了研究火灾对混凝土的影响，国内外学者对处于高温环境下的混凝土进行试验，并研究了其力学性能后发现，300℃和500℃是混凝土性能发生较大变化的两个临界温度），高温箱式电阻炉升温速率为6℃/min，待试件达到预定温度后恒温2h。

（4）高温作用后试件的冷却方式分为空气冷却和浇水冷却两种。空气冷却即高温后将试件取出放在空气中自然冷却；浇水冷却即高温后将试件放入预先准备好的100L水中快速冷却20min后取出，再放入烘干机内烘干。

（5）将高温过后的试件真空饱水后，再次测定其T2谱，烘干后进行单轴压缩试验。

2.3 试验设备及试验方法

单轴压缩试验是采用DSZ-1000应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪，该试验系统所能施加的最大轴向力为1 000 kN。试验过程采用位移加载控制，加载速率为0.05mm/min。加载前，在试件上下端面放置刚性垫块，并在试件两端涂抹凡士林，以减小端部摩擦效应。试验前，在试件表面贴上声发射探头，在试验过程中同步采集声发射现象。

3 结果及分析

3.1 不同冷却方式下混凝土的应力-应变曲线特征

不同高温和冷却方式下混凝土试件的应力-应变曲线如图1所示。随着温度的升高，混凝土的强度先增大后减小。300℃空气冷却时，峰值强度明显增大。随着温度的升高，峰值应变逐渐增大，弹性变形阶段的曲线越平缓，弹性模量越小。常温时，混凝土的破坏形式主要表现为拉剪破坏。300-A组混凝土破坏形式表现为突然的脆性劈裂破坏，峰后延展性不明显；300-W组混凝土的峰值强度明显低于300-A组的峰值强度，略低于常温下的混凝土峰值强度；温度为500℃时，混凝土压密阶段的应变明显增大，说明混凝土内部产生了较多微小裂隙和孔隙。

图1 不同冷却方式下混凝土的应力-应变曲线

3.2 混凝土强度和变形特征

对混凝土的宏观力学参数进行汇总分析，峰值应力、弹性模量、峰值应变等参数受不同冷却方式的变化如图2所示。

图2 混凝土宏观参数及变化规律

（1）图2-a为不同高温和冷却方式下峰值强度的变化，其峰值强度有明显区别。300-A组试件峰值强度较常温组升高，500-W组试件峰值强度较常温组降低。说明一定范围内的高温对混凝土的抗压强度有提升作用。当温度为300℃时，水冷却较气冷却的平均峰值强度降低了42%； 温度为500℃时，水冷却较气冷却平均峰值强度降低了39%，说明对混凝土的损伤水冷却比气冷却更大。（2）图2-b为不同高温和冷却方式下峰值强度对应的轴向应变的变化规律，峰值应变是混凝土抵抗外部荷载变形的能力，也是混凝土破坏的一种征兆。从图中可以看出随着温度的升高混凝土的峰值应变呈增大趋势。（3）图2-c为不同温度和冷却方式下混凝土弹性模量的变化，常温组弹性模量平均值为14.5GPa。300-A组较常温组弹性模量有一定提升，其余组均有不同程度的降低，500-W组弹性模量平均值为3.8GPa，较常温组降低达73%。300-A组混凝土试件在压缩过程中表现出较强的脆性特征，在弹性阶段随着应力的上升变形增加幅度较小，500-W组试件在压缩过程中随着应力的上升变形快速增加，塑性特征明显增强。

3.3 核磁共振T2分布变化

应用核磁共振技术，对不同冷却方式下的试件进行测试，如图3所示。从图3中可以看出，常温下T2谱最左侧第一个峰幅值较大，第二、第三个峰幅值较小，说明混凝土试件中主要是小孔隙，大、中孔隙较少。在经300℃和500℃高温后，混凝土T2谱最左侧的第一个峰幅值出现了大幅度增长，第二、第三个峰幅值变化不大，说明高温后混凝土以小孔隙发育为主，大、中孔隙扩展趋势较缓。由此可见，同一冷却方式下，温度越高，小孔隙对应峰值增长幅度越大；同一温度下，T2谱小孔隙对应峰值水冷却比气冷却更高。

图3 不同冷却方式混凝土T2谱分布变化

3.4 试验现象

图4为不同高温和不同冷却方式下混凝土试件的破坏及内部情况。

图4 加载后的混凝土试样

（1）内部情况。常温下试件中的水泥和细骨料层次分明，结构清晰，能够较好地区分骨料和水泥。经300℃气冷却和水冷却后的试件内部颜色呈暗灰色，水泥与骨料分辨度降低，水冷却试件分辨度比气冷却更低，用手触摸无细沙感。500℃作用后，试件整体暗钝无光，气冷却试件用手触摸表面有轻微的细沙感，水冷却试件用手触摸有明显的细沙感。（2）破坏情况。常温状态下的混凝土试件破坏形式主要是张拉破坏，试件表面有细小的竖向裂纹，仍然有一定的承载能力。当温度升高到300℃时，破坏形式为拉剪破坏，试件表面裂纹较大并有部分表皮脱落。当温度为500℃时，试件破坏程度较大，表皮脱落现象明显，有数条较大的裂纹相互交汇，试件破坏面较清晰。

4 结语

（1）经300℃高温空气冷却后，混凝土试件的单轴抗压强度提升，脆性特征明显；经500℃高温遇水冷却后，混凝土表现出明显的塑性特征。

（2）高温作用后，混凝土内部主要以小孔隙发育为主，一定范围内的高温会提高水泥与骨料表面之间的黏结性，对混凝土的承载能力有提升作用。

（3）当温差过大时，混凝土表面产生拉应力，会出现细小裂纹，外部水浸入裂纹导致裂纹进一步扩展，对混凝土产生的损伤远大于空气冷却。