李海艷,　劉　剛

(石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系, 河北 石家莊　050043)

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高強混凝土高溫性能研究進展

李海艷,劉剛

(石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系, 河北 石家莊050043)

摘要：對近年來高強混凝土高溫性能的研究成果進行了綜述與分析，包括熱工性、高溫下和高溫后力學(xué)性能以及高強高性能混凝土的爆裂性能。其中，高強混凝土熱工性能方面的研究成果較少且研究結(jié)果離散性較大；高強混凝土力學(xué)性能方面的研究主要集中于抗壓強度、抗拉強度、變形性能、彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等，而對高強混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件高溫力學(xué)性能和溫度場分析方面的研究較少；高強高性能混凝土爆裂方面的研究多集中于爆裂規(guī)律和爆裂抑制措施，對爆裂機理和微觀結(jié)構(gòu)的研究較少。本文分別從3個方面指出了高強混凝土高溫性能研究中存在的問題和今后的研究方向，為深入研究高強混凝土的高溫性能提供參考。

關(guān)鍵詞：高強混凝土(HSC)；高溫；熱工性能；力學(xué)性能；爆裂

0引言

混凝土高溫性能主要包括熱工性能和力學(xué)性能[1]，熱工性能是進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫度場分析的基礎(chǔ)。目前，對混凝土特別是高強混凝土熱工性能的研究成果較少，僅有的研究成果離散性也較大，這在一定程度上影響了混凝土結(jié)構(gòu)溫度場理論分析的準確性。

混凝土高溫力學(xué)性能對建筑防火設(shè)計及災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的評估修復(fù)有重大意義，有關(guān)普通混凝土(NSC)高溫力學(xué)性能的研究相對比較成熟，對高強混凝土(HSC)高溫力學(xué)性能的研究還需進一步加強。依據(jù)試驗方法的不同，力學(xué)性能又分為高溫下和高溫后兩種形式，高溫后試驗先對試件進行升溫處理，待其冷卻后再進行加載試驗，而高溫下試驗則先將試件加熱到目標溫度，然后在目標溫度下進行加載試驗，由于高溫下試驗難度較大，目前對高溫后混凝土力學(xué)性能的研究較多。纖維的摻入可以有效改善混凝土高溫性能，但不同的纖維類型和摻量對混凝土高溫性能的改善效果不同，所以，纖維混凝土已成為目前研究的熱點問題之一。

此外，與NSC相比，HSC由于其致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高溫下容易發(fā)生爆裂?；炷帘丫哂型话l(fā)性、不可預(yù)見性和嚴重破壞性。但到目前為止，爆裂機理還不明確，不同學(xué)者提出了不同的見解，其中“蒸汽壓機理”與“熱應(yīng)力機理”得到了多數(shù)人的認同。爆裂的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，爆裂成因和機理究竟如何還需通過大量試驗進行研究。

1混凝土熱工性能

熱傳導(dǎo)系數(shù)(λc)、質(zhì)量熱容(Cc)、質(zhì)量密度(ρc)和熱膨脹系數(shù)(αc)為混凝土熱工性能對應(yīng)的4個基本熱工參數(shù)，其他參數(shù)可由基本熱工參數(shù)導(dǎo)出。

熱傳導(dǎo)系數(shù)(λc)為單位時間內(nèi)、單位溫度梯度情況下，通過材料單位等溫面積的熱量，單位為W/(m·℃)，影響熱傳導(dǎo)系數(shù)λc的因素主要有溫度、骨料類型、含水率、混凝土配合比等，硅質(zhì)骨料混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)比鈣質(zhì)骨料的略大[2]。質(zhì)量熱容(Cc)又稱比熱容，定義為單位質(zhì)量的材料，溫度升高1 ℃需要吸收的熱量，單位為J/(kg·℃)，混凝土質(zhì)量熱容Cc受骨料種類的影響較小，普通混凝土比各種輕骨料混凝土的Cc稍大[2]。質(zhì)量密度(ρc)也稱體積質(zhì)量，為材料單位體積的質(zhì)量，單位為kg/m3，混凝土的質(zhì)量密度隨溫度變化不大，在構(gòu)件溫度場分析時，體積質(zhì)量取為常值(2 200～2 400)kg/m3[2]。線膨脹系數(shù)(αc)指溫度每變化1 ℃，材料長度變化的百分率，線膨脹系數(shù)僅影響材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和溫度變形，與溫度場分布無關(guān)，影響線膨脹系數(shù)的因素有混凝土配比、齡期、試件尺寸、加熱速率、試件密實度和外部環(huán)境等，由于影響因素較多，為計算簡便一般只考慮溫度影響而給出關(guān)系式[2]。

1989年，同濟大學(xué)陸洲導(dǎo)[3]對NSC的4個基本熱工參數(shù)進行了測定。Kodur[4]于2003年提出了高強混凝土質(zhì)量密度(ρc)、質(zhì)量熱容(Cc)、熱傳導(dǎo)系數(shù)(λc)、線膨脹系數(shù)(αc)和質(zhì)量損失隨溫度變化的關(guān)系式。VKodur[5]試驗發(fā)現(xiàn)高強混凝土的熱工參數(shù)低于自密實混凝土，并提出了熱工參數(shù)的簡化計算式，為混凝土結(jié)構(gòu)防火分析提供了參考。EN1992-1-2(歐洲防火設(shè)計規(guī)程2004)給出了被研究人員廣泛采用的混凝土熱工參數(shù)值。鞠楊，劉紅彬等[6]試驗測定了鋼纖維體積摻量分別為0、1%、2%和3%的活性粉末混凝土(RPC)各熱工參數(shù)值，并建立了ρc、λc、αc、Cc和αl以鋼纖維體積率和溫度為參數(shù)的計算公式，與普通混凝土相比，RPC的熱擴散系數(shù)偏高，質(zhì)量損失率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容偏低，線膨脹系數(shù)則基本持平，說明RPC熱擴散性能較好，但傳導(dǎo)和貯存熱量的能力不高。鄭文忠，王睿[7]等采用熱線法測定了4種不同體積纖維摻量的RPC在常溫、100～900 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)，擬合發(fā)現(xiàn)RPC導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，且高于普通混凝土。

綜合上述分析可知，針對混凝土熱工性能的研究成果較少，普通混凝土熱工參數(shù)的取值比較統(tǒng)一，但高強混凝土熱工參數(shù)的取值離散性較大，為推進混凝土溫度場理論分析的發(fā)展，應(yīng)加強高強混凝土熱工性能的試驗研究工作。

2高強混凝土高溫力學(xué)性能

混凝土高溫力學(xué)性能可以用各項強度、變形、彈模、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等來表達。雖然試驗時所選用的強度等級、試驗方法、試件尺寸和升降溫機制不同，但試驗結(jié)果總體變化規(guī)律相似。

2.1受壓性能

在混凝土受壓力學(xué)性能指標中，抗壓強度是最基本的。目前，對不同強度等級混凝土的立方體抗壓強度[8-12]和軸心抗壓強度[11-15]研究較多，本文通過分類匯總繪制出了不同類型混凝土抗壓強度隨溫度的變化曲線如圖1所示。

圖1　混凝土抗壓強度隨溫度變化

對圖1進行分析可知：隨溫度的升高，不同強度等級的混凝土抗壓強度均呈下降趨勢，且軸心抗壓強度曲線衰退速率快于立方體抗壓強度；無論是立方體抗壓強度還是軸心抗壓強度，高溫后強度均低于高溫下強度，因為在降溫過程中，形成了與升溫過程相反的溫度梯度，強度進一步損失[16]；HSC與NSC抗壓強度衰退速率以400 ℃為界，當溫度低于400 ℃時，NSC強度衰退速率較快，高于400 ℃時，HSC強度損失較快，因為HSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)較NSC更為致密，當溫度較高時所受高溫損傷自然更大，所以強度下降更快[17]；摻入鋼纖維對NSC和HSC高溫力學(xué)性能均有較大提高[18-19]，但摻入聚丙烯纖維對混凝土高溫力學(xué)性能是否有提高則結(jié)論不一，孫偉[20]指出聚丙烯纖維對混凝土殘余抗壓強度有明顯提高作用，Poon[21]則認為聚丙烯纖維的摻入反而降低了混凝土的高溫力學(xué)性能，文獻[22-23]認為聚丙烯纖維對混凝土高溫力學(xué)性能的影響不大。

此外，混凝土高溫力學(xué)性能與水灰比、骨料類型、冷卻制度等因素也有較大關(guān)系。水灰比與混凝土高溫強度成反比關(guān)系[24]，輕骨料混凝土的高溫強度最高，鈣質(zhì)骨料混凝土次之，硅質(zhì)骨料混凝土最低[1,25]，泡水冷卻對混凝土抗壓強度的損傷最大， 灑水不少于30 min與泡水冷卻的效果相當[26]，因為泡水冷卻在混凝土內(nèi)外形成了巨大的溫差變化，從而產(chǎn)生了較大的收縮裂紋，強度損失也相應(yīng)較大。

2.2受拉性能

抗拉強度和抗折強度可有效反應(yīng)混凝土的受拉性能。本文對混凝土高溫受拉性能研究結(jié)果進行了整理和匯總，不同強度等級混凝土的抗拉強度[11,13,14,27,28]和抗折強度[29-31]隨溫度變化曲線如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出：抗折強度和抗拉強度均隨溫度的升高大致呈線性規(guī)律降低，相對于抗壓強度而言，抗折和抗拉強度下降速率更快，因為高溫作用使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂紋從而導(dǎo)致力學(xué)性能出現(xiàn)衰退，而裂紋對受拉性能的影響大于受壓性能，所以抗拉強度衰退速率快[32-34]；NSC和HSC抗拉強度隨溫度的變化基本相同，EN1992-1-2曲線位于最下面，說明具有較大的安全儲備。

圖2　混凝土抗拉強度隨溫度變化

圖3　混凝土抗折強度隨溫度變化

纖維對抗拉和抗折強度的增強效果明顯大于抗壓強度。Pliya等試驗研究了鋼纖維和聚丙烯纖維單摻及混摻對HSC高溫后抗折強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨經(jīng)歷溫度的升高，3種混凝土抗折強度均不斷降低，且經(jīng)較高溫度作用后，混摻兩種纖維的HSC抗折強度低于單摻鋼纖維的HSC[31]。Chen等試驗研究了單摻及混摻鋼纖維和聚丙烯纖維對HSC劈裂抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維和聚丙烯纖維混摻對高溫后HSC劈拉強度提高明顯[22]。鞠麗艷、張雄試驗發(fā)現(xiàn)混摻鋼纖維和聚丙烯纖維對高溫后HSC抗折強度和劈裂抗拉強度的提高幅度大于抗壓強度[35]。由此可見，鋼纖維在提高抗壓性能的同時，對混凝土高溫抗拉性能也有較大提高作用，而聚丙烯纖維對抗拉性能的提高效果明顯優(yōu)于抗壓性能[36-37]。

2.3變形性能

本文通過峰值應(yīng)變來研究混凝土的變形性能，所謂峰值應(yīng)變即為軸心抗壓強度所對應(yīng)的應(yīng)變值。不同強度等級的混凝土峰值應(yīng)變隨溫度變化情況見圖4。由圖4可知，NSC和HSC峰值應(yīng)變均隨溫度的升高迅速增大，HSC峰值應(yīng)變增速高于NSC[11-12,14]。文獻[21]試驗研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷較高溫度作用后，HSC峰值應(yīng)變?yōu)槠涑胤逯祽?yīng)變的2～3倍，鋼纖維的摻入使得HSC高溫峰值應(yīng)變?nèi)〉昧嗣黠@提高，而摻入聚丙烯纖維的HSC峰值應(yīng)變基本無變化。肖建莊[38]對同一配比的混凝土試件進行加熱并研究其變形性能，發(fā)現(xiàn)混凝土橫向變形能力隨經(jīng)歷的溫度升高不斷增大，且峰值拉應(yīng)變普遍小于峰值壓應(yīng)變。

圖4　混凝土峰值應(yīng)變隨溫度變化

圖5　混凝土彈性模量隨溫度變化

2.4彈性模量與泊松比

幾種典型混凝土相對彈性模量隨溫度變化曲線如圖5所示。由圖可知：與抗壓強度變化規(guī)律相似，NSC與HSC的彈性模量均隨溫度升高快速降低，且HSC下降速率快于NSC[12,14]；混摻鋼纖維和聚丙烯纖維可以提高混凝土高溫后彈性模量[21]。Pliya[31]認為，鋼纖維能有效提高混凝土彈性模量，聚丙烯纖維對彈性模量無明顯提高作用； EN1992-1-2曲線位于最下面，安全儲備較大。

目前針對混凝土泊松比與溫度間關(guān)系的研究較少。吳波等[15,39]研究了NSC和HSC泊松比隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者均隨溫度的升高逐漸降低，臨界溫度分別為300 ℃和400 ℃。肖建莊等發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于0.5倍峰值應(yīng)力的泊松比隨溫度的升高不斷降低，提出了該泊松比與溫度間的關(guān)系式[38]。

2.5應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

混凝土高溫下(后)受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是火災(zāi)下(后)結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)行為分析的基礎(chǔ)。對NSC和HSC高溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)[8,15,40-41]，隨溫度的升高，NSC和HSC應(yīng)力-應(yīng)變曲線漸趨扁平，峰值點向右向下明顯偏移，經(jīng)歷溫度高于400 ℃時，HSC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段比NSC曲線陡，力學(xué)性能的衰退速率也遠大于NSC。針對不同強度等級的混凝土，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的方程表達式[42-44]，較典型的方程見表1所示。

表1　典型混凝土高溫受壓本構(gòu)方程

注：NSC-普通混凝土；HSC-高強混凝土；x=ε/εcT，εcT為T作用后混凝土峰值應(yīng)變；y=σ/fcT，fcT為T作用后混凝土抗壓強度。

3高強混凝土的高溫爆裂

HSC因其優(yōu)異的使用性、工作性和耐久性被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)。與NSC相比，HSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，因而在高溫作用下更容易發(fā)生爆裂。柳獻[45]，吳波[15]等試驗觀察到了HSC的高溫爆裂。文獻[46]認為影響混凝土爆裂的最重要的兩個因素為含濕量和強度等級，存在一個控制混凝土爆裂發(fā)生與否的強度等級界限值，當強度等級高于此值時，爆裂發(fā)生幾率隨濕含量的提高而增大[47]。Kodur[48]認為導(dǎo)致HSC發(fā)生高溫爆裂的根源在于其較低的抗拉強度和低孔隙率，提高保護層厚度和摻入聚丙烯纖維可以提高HSC的抗爆裂能力。Han[49]等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維體積摻量0.05%時可以防止爆裂的發(fā)生，金屬纖維抑制爆裂效果較好，但碳纖維和玻璃纖維抑制爆裂作用不大。Kalifa[50]研究發(fā)現(xiàn)HSC較大的內(nèi)部孔壓力增大了其在高溫下爆裂發(fā)生的可能性。錢春香[51]認為HSC中摻入絮狀單絲聚丙烯纖維、網(wǎng)狀聚丙烯纖維、植物纖維及聚合物乳液對爆裂均有一定改善作用，相對而言，抑制爆裂效果最好的為小直徑的單絲聚丙烯纖維。吳波[52]試驗研究了防火涂料厚度與HSC高溫爆裂性能間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)防火涂料厚度為10mm時，試塊爆裂劇烈；厚度為20mm時，試塊無爆裂發(fā)生；與其他涂料相比，非膨脹型隧道防火涂料抑制爆裂效果較好。中國礦業(yè)大學(xué)劉紅彬，鞠楊等[53]利用自行設(shè)計的加溫裝置對鋼纖維體積摻量為0%、1%和2%的RPC進行爆裂行為試驗。發(fā)現(xiàn)當試件中心溫度為250 ℃左右時，RPC發(fā)生爆裂，鋼纖維的摻入對RPC爆裂溫度的提高效果不明顯，但對試件爆裂破壞程度有較好的改善作用，研究中僅考慮了鋼纖維摻量變化對爆裂的影響，未考慮濕含量和升溫速度等因素對RPC爆裂的影響，未對RPC爆裂機理和防爆裂措施進行研究。北京交通大學(xué)朋改非教授及其團隊[54]進行了RPC材料高溫下爆裂性能試驗研究，結(jié)果表明，濕含量和水膠比是RPC高溫爆裂的重要影響因素，但研究中未考慮滲透性和試件尺寸這兩個重要因素對RPC爆裂的影響，也未對RPC的爆裂機理進行深入探討。

由上述分析可知，現(xiàn)有的對高強混凝土爆裂性能的研究都有一定局限性，且都是針對試塊在電爐升溫下的爆裂情況，與實際火災(zāi)作用有一定差別。此外，爆裂影響因素和爆裂機理非常復(fù)雜，要摸清HSC的高溫爆裂性能，還需通過試驗進行大量深入研究。

4結(jié)論與展望

通過對已有研究成果的分析、歸納，總結(jié)了混凝土的高溫力學(xué)性能研究現(xiàn)狀和HSC的高溫爆裂性能。混凝土高溫力學(xué)性能隨溫度的升高逐漸衰退，高強混凝土強度衰退速率大于普通混凝土；鋼纖維的摻入可明顯提高混凝土高溫力學(xué)性能，聚丙烯纖維對力學(xué)性能的影響效果尚不確定；與普通混凝土相比，高強混凝土致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和較低的孔隙率使得其在高溫環(huán)境下容易發(fā)生爆裂，金屬纖維和聚丙烯纖維的摻入均可有效抑制爆裂的發(fā)生。綜合當前的研究現(xiàn)狀，應(yīng)從以下幾方面開展混凝土高溫性能方面的研究工作：

(1)應(yīng)加強超高強混凝土熱工性能的試驗研究工作，為混凝土結(jié)構(gòu)溫度場分析提供更加豐富的數(shù)據(jù)支持。對高強混凝土的高溫力學(xué)性能，特別是超高強混凝土的力學(xué)性能進行更全面的試驗研究工作，建立混凝土高溫拉壓本構(gòu)關(guān)系。對不同纖維類型和摻量的混凝土熱工性能和高溫力學(xué)性能進行研究。

(2)進一步研究高強混凝土的高溫爆裂機理，對混凝土孔結(jié)構(gòu)特征，物相組成和微觀照片等微觀結(jié)構(gòu)進行研究，建立混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能及高溫爆裂性能間的關(guān)系，為混凝土抗火抗爆裂措施的制定提供理論依據(jù)。

(3)進行高強混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的明火試驗和溫度場分析，為抗火設(shè)計建議的提出提供依據(jù)。

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Progress of Research on High-temperature Performance of High Strength Concrete

Li Haiyan,Liu Gang

(Engineering Mechanics Department, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Abstract:The recent researches on high-temperature properties of high strength concrete are summarized and analyzed, including the thermal performance, mechanical properties and the spalling behavior. There are few studies on the thermal performance of high strength concrete and the results of large discrete. Research on the mechanical properties of high strength concrete has been focused on the compressive properties, tension properties, deformation properties, elastic modulus, Poisson’s ratio, stress-strain relationship, etc., but few studies have been performed on the mechanical properties and temperature field of high strength concrete structures and members. A lot of researches on the spalling law and spalling inhibition of high strength concrete have been carried out, but the studies on the spalling mechanism and microstructure are not enough. In this paper, the existing problems and future research directions of the high temperature-properties of high strength concrete are pointed out from three aspects, which provide a reference for further study on high-temperature properties of high strength concrete.

Key words:High strength concrete (HSC); High temperature; Thermal performance; Mechanical properties; Spalling

中圖分類號：TU528.31

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0048-07

作者簡介：李海艷(1984-),女,博士,講師,主要從事高強混凝土高溫性能方面的研究。E-mail:haiyan126@163.com

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51508346)；河北省自然科學(xué)基金(E2015210020)

收稿日期：2015-03-30責(zé)任編輯:劉憲福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.09

李海艷, 劉剛.高強混凝土高溫性能研究進展[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(1):48-54.