馬 輝

（寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司， 寧夏 銀川 750021）

高溫后混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)展

馬 輝

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目前，火災(zāi)已成為發(fā)生頻率最高、危害最大的一種災(zāi)害。本文簡(jiǎn)述了高溫后混凝土性能的研究現(xiàn)狀，分析、總結(jié)了高溫后混凝土的物理及力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律，并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。

混凝土；高溫；物理性能；力學(xué)性能

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代化住房剛性需求的不斷增大，進(jìn)一步加重了城市用地的嚴(yán)峻形勢(shì)，建筑逐漸向高層、超高層發(fā)展且功能趨于多樣化、復(fù)雜化，各種新技術(shù)、新材料、新設(shè)備也被廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，建筑火災(zāi)也變得易發(fā)、多發(fā)而頻發(fā)。一旦發(fā)生火災(zāi)，必然導(dǎo)致建筑材料性能的劣化及結(jié)構(gòu)承載力的下降，以致造成不可估量的生命和財(cái)產(chǎn)損失！而混凝土自問世以來(lái)，以其取材方便、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉且具有良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛的應(yīng)用于各類工程建設(shè)當(dāng)中，也是目前用途最廣、用量最大的一種建筑材料。因此，開展對(duì)火災(zāi)后混凝土力學(xué)性能的研究具有重要的實(shí)用意義及工程價(jià)值。

由于火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會(huì)嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，人們也越來(lái)越重視對(duì)混凝土高溫作用后力學(xué)性能的研究：在高溫作用后混凝土準(zhǔn)靜態(tài)下的物理及力學(xué)性能方面，展開了較全面的研究，且成果頗多[1-5]；在高溫作用后混凝土動(dòng)荷載下的物理及力學(xué)性能方面，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本文整理、分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)混凝土高溫作用后的物理及力學(xué)性能，探討了混凝土的主要力學(xué)性能隨受火溫度的劣化規(guī)律及受火后混凝土的外觀特征和質(zhì)量損失率隨溫度的變化規(guī)律?？蔀榛馂?zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的評(píng)估、加固、修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 受火后混凝土物理性能

1.1 外觀特征

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者所做的混凝土高溫試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和分析，得出：隨受火溫度的升高，混凝土表面的顏色由深逐漸變淺，裂紋從無(wú)到有且逐漸增多增大，表面出現(xiàn)龜裂。

華僑大學(xué)的胡翠平等[6]研究了混凝土高溫后自然冷卻和噴水冷卻下的外觀特征，發(fā)現(xiàn)：自然冷卻的試件，溫度在100、200℃時(shí)混凝土試件表面顏色與常溫下相近；300℃時(shí)表面顏色變?yōu)榘祷疑页霈F(xiàn)少量短細(xì)裂紋；400、500℃時(shí)試件表面略帶紅色，混凝土結(jié)構(gòu)開始變得疏松；溫度達(dá)到600℃，試件表面顏色泛白且有少量掉皮；700℃試件表面呈灰白色，棱角有缺損； 800℃混凝土表面變?yōu)榈S色且開裂嚴(yán)重，觸碰即碎。

噴水冷卻的試件，溫度在100℃時(shí)試件表面顏色與自然冷卻下的相差無(wú)幾；在200、300℃時(shí)試件表面出現(xiàn)黃色斑點(diǎn)；到400℃后試件表面顏色變?yōu)榈t色；500℃后表面又呈磚紅色；當(dāng)溫度達(dá)到600、700℃時(shí)，試件表面顏色比自然冷卻的白些；800℃后，混凝土表面呈淡黃色。與自然冷卻的試件相比，同一溫度等級(jí)下澆水冷卻的試件裂縫更多、更大。

1.2 質(zhì)量損失率

對(duì)于混凝土高溫后的質(zhì)量損失率，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)論較為統(tǒng)一。研究者[7-10]發(fā)現(xiàn)：高溫后不論是采用自然冷卻還是澆水冷卻，混凝土的質(zhì)量損失率隨溫度的升高不斷增大。這主要是由于高溫作用下混凝土內(nèi)部自由水的逸出、水泥水化產(chǎn)物的脫水分解及混凝土的爆裂。

陳宗平[10]指出：溫度低于300℃時(shí)，試件燒失率最大不超過1.5%；300℃～400℃試件燒失率迅速增大至6%左右；400～600℃燒失率基本保持不變；而在600℃～800℃試件燒失率呈線性增加，800℃試件的燒失率達(dá)到8.24%。

2 受火后混凝土主要力學(xué)性能劣化規(guī)律

2.1抗壓強(qiáng)度

目前，對(duì)于混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度的研究較為成熟，但混凝土具有地域特性，不同地區(qū)的混凝土由于材料成分的差異，導(dǎo)致其高溫后抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性很大，甚至互為矛盾。但經(jīng)過分析、總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律[11]：溫度不超過400℃時(shí)，無(wú)論是普通混凝土還是高性能混凝土抗壓強(qiáng)度損失都小于5%，在400～600℃溫度段，普通混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度為33%，高性能混凝土降幅為35%～54%，在600～900℃各類混凝土抗壓強(qiáng)度均迅速下降，900℃后，普通混凝土剩余抗壓強(qiáng)度為室溫下的20%，高性能混凝土剩余抗壓強(qiáng)度為室溫下的17%左右。

徐彧 等[12]對(duì)86個(gè)混凝土試塊在常溫～1000℃范圍內(nèi)溫度作用后，進(jìn)行了強(qiáng)度與變形試驗(yàn)，得出以下結(jié)論： 在 300℃內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，在 400℃后呈下降趨勢(shì)；而隨溫度的升高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降,且下降幅度要比抗壓強(qiáng)度大。

羅迎社，陳超等[13]對(duì) 15個(gè) C35混凝土試件在常溫～850℃范圍內(nèi)溫度作用下后進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，著重分析強(qiáng)度與作用溫度的相互關(guān)系，表明：混凝土抗壓強(qiáng)度在 250℃時(shí)與常溫下差不多，450℃時(shí)抗壓強(qiáng)度降低 25%，650℃時(shí)抗壓強(qiáng)度下降55%，在850℃的高溫作用下抗壓強(qiáng)度下降高達(dá)85%，承載力基本喪失。

凌立[14]對(duì)常溫和 200～600℃高溫作用后高性能混凝土進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度升高,在高溫200～300℃時(shí)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度有所升高，而在400～ 600℃之間是逐漸降低的。400℃左右是抗壓強(qiáng)度明顯變化的臨界溫度。

2.2 抗拉強(qiáng)度

通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外大量研究成果，孫偉等[11]在現(xiàn)代混凝土理論與技術(shù)一書中指出：普通混凝土經(jīng)過400℃后劈裂抗拉強(qiáng)度下降18%；摻有硅粉的混凝土略有增大，增幅為6%左右；鋼纖維和硅粉混摻的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增大25%；單摻聚丙烯纖維的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降16%，降幅接近普通混凝土。

胡翠平，徐玉野等[6]對(duì)62組混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了受火溫度、冷卻方式、養(yǎng)護(hù)齡期及靜置時(shí)間對(duì)高溫后混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律,得出：在各種影響因素綜合作用下，隨著溫度的升高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。與自然冷卻的試件相比，噴水冷卻的試件劈裂抗拉強(qiáng)度總體偏低?；炷恋呐芽估瓘?qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，齡期越短強(qiáng)度越低。高溫后混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間總體上呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。靜置時(shí)間為28d時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度最低。

謝狄敏，錢在茲等[15]對(duì)15個(gè)混凝土立方體劈裂試件在常溫～ 900℃范圍內(nèi)不同溫度作用后的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析工作后，指出：高溫作用后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度的降低幅度，且降低幅度隨溫度升高增大,常溫下的拉壓強(qiáng)度關(guān)系不再適合；在 300℃混凝土抗拉強(qiáng)度下降最快，隨溫度升高降低趨勢(shì)減緩；與高溫中的抗拉強(qiáng)度相比，冷卻后的僅為高溫時(shí)的 50%左右。

2.3 彈性模量

混凝土的彈性模量是對(duì)混凝土抵抗外力變形能力的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中，常用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布和裂縫寬度等。而國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)混凝土高溫后的彈性模量也進(jìn)行了研究。

王文兵，范宏亮等[16]對(duì)混凝土在高溫和常溫時(shí)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：高溫后混凝土的彈性模量隨溫度升高呈下降趨勢(shì)?；炷恋膹椥阅Ａ恐饕Q于曾達(dá)到的最高溫度，與升降溫循環(huán)次數(shù)相關(guān)性很小，主要原因是隨溫度升高，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，組織松弛，加之空隙失水失去吸附力，從而造成變形增大，彈性模量降低。其降低幅度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度的減低幅度。

賈艷東，田傲雪等[17]通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C30的立方體混凝土試件在不同溫度條件下（23、100、300、500、700℃），采用不同加熱時(shí)間（1、2、3h）后，測(cè)量其彈性模量變化。發(fā)現(xiàn)：100℃內(nèi)，C20混凝土彈性模量幾乎無(wú)變化，C30混凝土彈性模量呈下降趨勢(shì)；300～500℃段內(nèi)，隨溫度升高，兩類試件的彈性模量均大幅降低，500～700℃彈性模量急劇降低。

3 結(jié)論及展望

從國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)及研究可知，目前對(duì)高溫后混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)下的，對(duì)動(dòng)荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學(xué)性能的研究還有所欠缺。但在實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜。因此，開展高溫作用后混凝土在動(dòng)荷載下及高溫與荷載耦合作用下物理及力學(xué)性能的研究，具有實(shí)用意義及工程價(jià)值。

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馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司