（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021）

普通混凝土高溫性能研究綜述

孫 帥 劉 寧

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021）

目前，對于高溫后力學(xué)性能的的研究主要集中于抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系等，筆者對近年來高溫后普通混凝土性能及其微觀特性的研究成果進(jìn)行了分析、總結(jié)，指出了普通混凝土高溫性能研究中存在的問題和今后的研究方向，為深入研究普通混凝土的高溫性能提供參考。

高溫；普通混凝土；力學(xué)性能

0 引言

火在類生活和生產(chǎn)中起著巨大的作用,但火災(zāi)卻也是造成建筑結(jié)構(gòu)破壞的一個主要因素。當(dāng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，火災(zāi)也就會隨之而來，并且發(fā)生火災(zāi)的頻率以及造成的損失會因為人口和建筑的集中呈現(xiàn)上升的趨勢[1]。相對于發(fā)達(dá)國家，我國對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究起步較晚，但近十幾年來這方面研究發(fā)展較快。從上世紀(jì)80年代起，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)一批高校先后就混凝土高溫后的物理、力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)的抗火性能等方面開展了相關(guān)試驗和理論研究工作，且成果頗多。

1 高溫后混凝土的力學(xué)性能

1.1 高溫作用后混凝土試件的表觀特征

混凝土試件在經(jīng)受高溫后，其表面顏色發(fā)生改變，出現(xiàn)裂縫，并伴隨龜裂現(xiàn)象，質(zhì)量變輕。根據(jù)研究[2,3]做出混凝土試件表觀特征隨溫度的變化情況表，如表1。

表1 試件顏色及表面狀態(tài)隨溫度變化情況表

1.2 抗壓強(qiáng)度的變化

當(dāng)溫度低于400℃時，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度損失不超過5%。當(dāng)溫度超過400℃后強(qiáng)度開始劇烈下降，隨著溫度的升高殘余強(qiáng)度也會逐漸降低，其降幅也偏高。對于高溫后混凝土強(qiáng)度損失機(jī)理：謝狄敏、錢在茲等[4]指出物理結(jié)構(gòu)的破壞是造成混凝土抗壓強(qiáng)度的損失的主要原因，這種情況主要存在于溫度段位300～600℃；當(dāng)溫度在600℃以上時，混凝土中的水泥石膠凝體產(chǎn)生化學(xué)分解，使混凝土結(jié)構(gòu)變松散，從而造成了強(qiáng)度的損失。溫度達(dá)到900℃時，普通混凝土剩余抗壓強(qiáng)度只是室溫強(qiáng)度的20%。實驗表明，混凝土的強(qiáng)度等級、膠凝材料的不同、骨料種類的各異、構(gòu)件的尺寸大小、自然冷卻還是澆水冷卻方式等因素都會對混凝土的強(qiáng)度損失產(chǎn)生一定的影響。從總體來說，高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度是呈下降趨勢的。李衛(wèi)、過鎮(zhèn)海[5]給出了高溫下混凝土強(qiáng)度與溫度的回歸關(guān)系方程:

1.3 抗拉強(qiáng)度的變化

大量研究表明：適筋混凝土構(gòu)件基本上是由于在受拉區(qū)產(chǎn)生微裂縫然后導(dǎo)致整個構(gòu)件的破壞。抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律相比有著顯然的不同。，混凝土抗拉強(qiáng)度會在300℃溫度內(nèi)劇烈下降。對于混凝土抗拉強(qiáng)度下降的原因：主要是在高溫作用后內(nèi)部產(chǎn)生了大量的微裂縫，減小了截面的受力面積，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度劇烈降低。錢在茲、謝狄敏、金賢玉[7]實驗結(jié)果就表明了抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，其實驗結(jié)果如下表2。

1.4 彈性模量的變化

研究表明：混凝土的彈性模量隨溫度的變化的規(guī)律性比較明顯。一般情況下的彈性模量隨溫度的升高而直線下降。高溫時的混凝土由于溫度效應(yīng)其彈性模量要比高溫后的高。骨料類型及水灰比對彈性模量也有著一定影響。普遍的研究數(shù)據(jù)表明：骨料對彈性模量的影響較大。水灰比的顯著增高，并且隨著溫度的升高，彈性模量也會明顯的下降。南建林, 過鎮(zhèn)海等[6]認(rèn)為在高溫作用下混凝土的彈性模量會劇烈下降。并且當(dāng)溫度達(dá)到900℃時，其彈性模量甚至可以忽略不計。下式是過鎮(zhèn)海[5]給出的混凝土初始彈性模量的表達(dá)式為：

表2 混凝土的拉壓強(qiáng)度

陸洲導(dǎo)[8]給出的取0.4 0.4?cT處割線模量反映彈性模量的變化規(guī)律為：

1.5 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

一般的，混凝土在高溫作用后的強(qiáng)度低，變形大，與常溫的混凝土相比，高溫后混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線下降段的線剛度值小很多，其受壓應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€不需要特殊的附加裝置就可量測到穩(wěn)定值。南建林, 過鎮(zhèn)海等研究[6]發(fā)現(xiàn)：混凝土的骨料類型是影響高溫后混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線的主要因素。陳宗平等[2]認(rèn)為：應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段和下降段的斜率隨著溫度的升高逐漸變小，起初坡度較陡后逐漸變緩；加壓后期混凝土試件的峰值應(yīng)力逐漸降低，而峰值應(yīng)變則逐漸增大。

2 結(jié)論與展望

由于試驗采用的方法不同以及混凝土材料本身的差異性，不同學(xué)者給出的函數(shù)表達(dá)式的總體規(guī)律及趨勢也存在很大差異且具體數(shù)值差異較大，但大致相同。目前有關(guān)混凝土高溫后物理及力學(xué)性能相關(guān)研究較多，微觀分析方面有所欠缺，有待深入研究并建立微觀結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能變化的內(nèi)在聯(lián)系。

[1]孫偉,繆昌文. 現(xiàn)代混凝土理論與技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2012.

[2]陳宗平,王歡歡, 陳宇良. 高溫后混凝土的力學(xué)性能試驗研究[J]. 混凝土, 2015(1):13-17.

[3]郭強(qiáng),吳守軍,張博. 高溫后混凝土力學(xué)性能及微觀特性研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2016(7):168-170.

[4]過鎮(zhèn)海,時旭東. 鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M]. 清華大學(xué)出版社, 2003.

[5]李衛(wèi),過鎮(zhèn)海. 高溫下砼的強(qiáng)度和變形性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1993, 14(1):8-16.

[6]南建林, 過鎮(zhèn)海. 混凝土的溫度——應(yīng)力耦合本構(gòu)關(guān)系[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1997(6):87-90.

[7]錢在茲,謝狄敏,金賢玉. 混凝土受明火高溫作用后的抗拉強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的試驗研究[C]// 全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議. 1997:1-5.

[8]陸洲導(dǎo). 鋼筋混凝土梁對火災(zāi)反應(yīng)的研究[D]. 同濟(jì)大學(xué), 1989.

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