陸洲導 陳 宇 蘇 磊 陳慶陽

(同濟大學結構防災減災工程系,上海 200092)

0 引 言

目前國內外關于混凝土材料基本力學性能(包括抗壓強度、抗拉強度、受壓彈性模量、壓拉應力-應變曲線和抗爆性能等)及其影響因素的研究文獻很多,而關于混凝土材料高溫后斷裂性能的研究,特別是高性能混凝土高溫后斷裂性能研究的文獻較少。

朋改非等[1]比較了含粗骨料超高性能混凝土和活性粉末混凝土歷經(jīng)高溫作用后的殘余力學性能。結果顯示,隨著目標溫度的升高,兩種超高性能混凝土的殘余強度均呈現(xiàn)先增大再降低的趨勢,而殘余斷裂能均逐漸降低。各目標溫度下,雖然含粗骨料超高性能混凝土的殘余劈裂抗拉強度和斷裂能均低于活性粉末混凝土,但其殘余抗壓強度卻高于后者。

俞可權等[2]基于雙K斷裂韌度準則,對高溫后混凝土Ⅰ型斷裂性能進行試驗研究。結果表明:起裂韌度Kini隨著溫度的升高逐漸下降,而失穩(wěn)韌度Kic、斷裂能GF和特征長度lch隨著溫度的升高均呈現(xiàn)“保持不變—上升—下降”的變化趨勢,說明三者均可作為高溫后混凝土的延性指標。

國外研究高溫后混凝土斷裂性能的開始時間較早,但是研究不夠系統(tǒng),并且各學者的研究成果略有差異。1988年Z.P.Bazant等[3]研究了混凝土在20 ℃、65 ℃、120 ℃和200 ℃下的斷裂能值,運用尺寸效應法則(size-effect-law)得出各溫度下的斷裂能值呈現(xiàn)單調下降的趨勢。G.Baker等[4]完成了三點彎曲梁法測試高溫后混凝土斷裂能值的試驗,冷卻方法分成試驗爐外快速冷卻和試驗爐內緩慢冷卻。結果表明,當溫度達到300 ℃時,高溫后混凝土斷裂能值達到最大,其后迅速下降,而不同冷卻制度對高溫后斷裂能值沒有明顯影響。H.A.Fattah等[5]通過不同初始切口深度三點彎曲梁試驗,研究了混凝土斷裂韌度和溫度、升溫降溫循環(huán)周期的關系,結果表明:混凝土斷裂韌度隨溫度升高而降低,升溫降溫循環(huán)周期的增加也會進一步導致斷裂韌度的降低。A.Menou等[6]與朋改非等[7]的研究同樣指出,高溫后混凝土的斷裂能在到達某一溫度前其值將較常溫下有所提高,當超過此溫度時,斷裂能值將迅速下降。K.Watanabe等[8]研究了高溫和冷卻后進行三點彎曲梁試驗時,纖維增強高強混凝土的斷裂性能,結果表明:高溫試件的斷裂韌度比冷卻后試件低。

建筑火災是對人類影響最大的災害之一,當前高溫后高強混凝土的研究大部分集中于強度和彈性模量的改變,而對其斷裂性能的研究甚少。一些研究表明,高強混凝土比普通混凝土更容易發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象,因此對火災后高強混凝土的斷裂特性開展系統(tǒng)研究是非常迫切的。

本文通過帶初始裂縫三點彎曲梁試驗,研究高溫后高強混凝土斷裂性能。采用三種混凝土強度、五個溫度梯度進行對比試驗,基于雙K斷裂理論分析高強混凝土斷裂韌度和斷裂能隨溫度的變化規(guī)律,以期為火災后建筑的安全評估和數(shù)值模擬提供參考。

1 試驗概述

本試驗采用國際結構與材料研究所聯(lián)合會(RILEM)提出的跨高比(s/h)為4的標準三點彎曲梁試件,跨中下部預留切口深30mm、寬3mm,三點彎曲梁基本形狀如圖1所示。

圖1 三點彎曲梁試件示意圖(單位:mm)Fig.1 Three-point bending specimen (Unit:mm)

素混凝土試件按照混凝土強度等級分為C50、C70、C90三類,按照歷經(jīng)最高溫度分為25 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃五類?？紤]到斷裂試驗存在一定的離散性,每組溫度下設置5個試件,另加1個試件備用。試件編號表示為:素混凝土強度-歷經(jīng)最高溫度,如編號50-200表示該試件為C50,歷經(jīng)最高溫度為200 ℃。不同混凝土強度的試件采用不同的配合比,如表 1所示。水泥均采用海螺牌PO52.5普通硅酸鹽水泥,粗骨料最大粒徑為10 mm,細骨料采用粒徑為0.25～0.5 mm的中砂。試件灑水養(yǎng)護28天后,強度等級為C50、C70、C90的混凝土立方體抗壓強度分別達到63.5 MPa、88.3 MPa、109.7 MPa。

表1試件混凝土配合比

Table 1Proportion ratio of concrete of specimens

加熱升溫裝置采用爐膛尺寸為500 mm×500 mm×1 200 mm的電爐,溫度調節(jié)和恒溫控制采用AI-518 (V7.1)程序型智能溫度調節(jié)器。升溫曲線采用標準升溫制度,并按照每半小時升溫200 ℃的速率來控制加熱時間,當加熱到預定溫度后切換為恒溫模式保持3 h,最后切斷電爐電源自然冷卻24 h后取出試件。

在對強度等級為C50的混凝土加熱過程中發(fā)現(xiàn):當溫度超過500 ℃時,試塊發(fā)生爆裂。在接下來的加熱過程中做出調整:200 ℃、400 ℃兩個溫度等級的混凝土試塊直接加熱到預定溫度;600 ℃、800 ℃兩個等級的混凝土試塊先預加熱到200 ℃并恒溫24 h,然后從200 ℃加熱到預定溫度。后續(xù)加熱過程中沒有發(fā)生爆裂現(xiàn)象,證明預加熱能有效防止高溫下混凝土爆裂發(fā)生。

混凝土斷裂試驗在2 000 kN的電液伺服萬能試驗機上進行。試驗全程通過位移控制,加載速度為0.02 mm/min,以實現(xiàn)穩(wěn)定的劈拉試驗。歷經(jīng)溫度低于400 ℃的試塊,平均加載時間為20 min;而歷經(jīng)溫度大于400 ℃的試塊,由于在荷載-裂縫開口位移曲線下降段所歷經(jīng)的時間較長,其平均加載時間達40 min。如圖2所示,使用夾式引伸計測試各溫度下試件的裂縫開口位移(CMOD)和裂縫尖端位移(CTOD),使用兩個位移計測量各溫度下試件中間位置的撓度。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test set-up

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

高溫后三點彎曲梁試驗現(xiàn)象如圖3所示。當混凝土試件歷經(jīng)溫度不超過400 ℃時:開裂裂縫基本豎直向下,沒有分叉裂縫。劈裂面較為平整,斷裂面上存在數(shù)處骨料拉斷現(xiàn)象。當荷載尚未達到峰值時,試件尖端未現(xiàn)肉眼可見裂縫;但一旦出現(xiàn)肉眼可見裂縫,試件荷載出現(xiàn)短暫突降,之后穩(wěn)定下降;當混凝土試件歷經(jīng)溫度為600 ℃、800 ℃時,裂縫曲折向下,剛開始試件表面同時出現(xiàn)幾條細小裂縫,隨著荷載的加大,出現(xiàn)一條主裂縫和若干分叉裂縫。劈裂面也隨著溫度的升高變得更為曲折,裂縫從骨料中穿過的現(xiàn)象明顯減少,改為從骨料之間繞行。在荷載未達到峰值時,預制裂縫尖端處即有肉眼可見裂縫;當荷載達到峰值時,裂縫開口增大,長度擴展,之后緩慢下降,并且下降段隨著試件歷經(jīng)溫度的升高歷時更長。對于C50、C70、C90混凝土試塊,當試件歷經(jīng)溫度分別為400 ℃、600 ℃、800 ℃時,均出現(xiàn)明顯裂縫從骨料之間繞行的現(xiàn)象。

圖3 高溫后混凝土試件典型裂縫Fig.3 Typical cracks in concrete specimens after elevated temperature

2.2 試驗結果分析

2.2.1高溫后試件燒失量測定

混凝土試件高溫中發(fā)生自由水和結合水的散失,重量較未受熱前明顯下降。試件在加熱過后為防止室內水汽進入,使用塑料袋將其裹住。通過測定混凝土試件歷經(jīng)高溫前后質量變化,得到不同溫度下不同強度混凝土燒失量曲線,如圖4所示,可以看出,一般混凝土燒失量基本呈現(xiàn)三個階段:第一階段為一個物理變化過程,燒失量增加,其主要原因是試件中自由水的快速蒸發(fā)。第二階段為一個物理-化學變化過程,燒失量增長速度變緩,該階段自由水已經(jīng)流失殆盡,而結合水還較難脫離;第三階段為一個化學變化過程,C-S-H凝膠結晶水大量脫水,Ca(OH)2開始脫水形成氧化物,導致燒失量的進一步增加,同時混凝土力學性能伴有較大退化。

圖4 燒失量隨歷經(jīng)最高溫度的變化Fig.4 Relationship between mass loss and elevated temperature

對于不同強度等級的混凝土,由于水灰比差別明顯,導致其物理、化學兩種作用分別占據(jù)優(yōu)勢。對于C50混凝土,水灰比較大,燒失量增速較快的階段為0 ℃～400 ℃,該階段主要為自由水流失,物理作用造成的損失量比化學作用明顯。對于C90混凝土,水灰比較小,膠凝材料比重大,燒失量增長主要發(fā)生在200 ℃以后,該階段主要為凝膠和Ca(OH)2高溫分解,化學作用造成的損失量比物理作用明顯。對于C70混凝土,水灰比適中,物理化學作用旗鼓相當,燒失量整體保持穩(wěn)定。

各溫度下C50混凝土燒失量均較高,400 ℃以上時C90燒失量高于C70。從整體上來看,高溫下高強混凝土燒失量隨強度提高呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律。

2.2.2高溫后殘余抗壓、抗拉強度隨溫度的改變

三點彎曲梁試驗結束后,試件僅在裂縫區(qū)域破壞,其他部分保持完好,將其切割成小試塊用來做抗壓、抗拉強度試驗?；炷亮⒎襟w抗壓強度、劈裂抗拉強度的測量采用100 mm× 100 mm× 100 mm試塊,而測量軸心抗壓強度時采用尺寸為100 mm×100 mm×200 mm的試塊,對于非標準試件所測得強度均乘以相應換算系數(shù)。試驗機為最大荷載為200t的萬能試驗機。

圖5(a)、(b)、(c)分別表示了歷經(jīng)高溫后高強高性能混凝土的殘余立方體抗壓強度、殘余劈裂抗拉強度和殘余軸心抗壓強度隨所歷經(jīng)最高溫度的變化?？梢钥闯?歷經(jīng)高溫后混凝土殘余強度均隨溫度升高而下降,隨混凝土強度等級提高而升高。

圖5 殘余強度隨歷經(jīng)最高溫度的變化Fig.5 Relationship between strength and elevated temperature

對于不同強度等級的混凝土,其殘余立方體抗壓強度在600 ℃和800 ℃高溫時的差值明顯小于25 ℃和200 ℃時差值,說明高溫下混凝土強度等級的提高對于立方體抗壓強度影響不太明顯,高溫下材料分解、脫水嚴重,強度更趨一致。殘余劈拉強度、殘余軸心抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律與殘余立方體強度相似。

2.2.3高溫后試件荷載-位移曲線

完整的荷載-位移曲線(包括荷載-裂縫開口位移(P-CMOD)曲線與荷載-撓度(P-δ)曲線)代表了一系列重要結果,例如初始剛度、極限承載力、起裂荷載和失穩(wěn)荷載對應的開口位移、硬化軟化特性,并且曲線的幾何形狀還能在一定程度上反應出材料的韌性和脆性。因此,荷載-位移全曲線在混凝土斷裂參數(shù)的計算中起關鍵作用。

圖6、圖7分別為試件各溫度下典型P-CMOD曲線和P-δ曲線,可以看到,兩種類型曲線隨溫度升高均呈現(xiàn)出“變矮、變胖”趨勢。試件的峰值荷載隨溫度升高而下降,與此對應的臨界裂縫開口位移(CMOD)及撓度呈上升趨勢。

圖6 試件各溫度下荷載-裂縫開口位移曲線Fig.6 Load-CMOD curves of concrete exposed to different elevated temperatures

圖7 試件各溫度下荷載-撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves of concrete exposed to different elevated temperatures

對P-CMOD曲線的上升段近似為直線的部分進行線性回歸,觀察兩者的符合程度,找出曲線開始偏離擬合直線的點,其對應荷載便是起裂荷載Pini,T,詳見表2。

2.2.4DIC方法測試結果

圖 8為對應荷載時刻由夾式引伸儀測得的裂縫口張開位移值與DIC方法確定CMOD值的對比曲線。可以看到兩種測量方法得到的荷載-位移試驗數(shù)據(jù)吻合良好,基本重疊。對比結果表明,DIC方法不僅能夠準確測量裂縫區(qū)張開位移值,還可以用來分析位移場變化。兩種測量方法得到的P-δ曲線同樣吻合良好,基本重疊,如圖 9所示。

表2斷裂參數(shù)計算結果

Table 2Calculated results of fracture parameters

注:所有參數(shù)計算結果均為平均值

同時利用DIC方法分析初始裂縫周邊100 mm×100 mm區(qū)域的水平位移場和豎向位移場。水平位移場如圖 10所示,隨著荷載增大,裂縫兩側水平位移場呈現(xiàn)明顯豎向梯度,試件下部位移差值最大,從下往上位移差值越來越小,試件的最上端已經(jīng)沒有區(qū)別。這與裂縫常規(guī)發(fā)展呈現(xiàn)“倒三角”的規(guī)律是一致的,也證明了DIC方法測量水平位移場是準確的。豎向位移場如圖 11所示,此時中間梯度最大撓度值為-1.02 mm,左側梯度最大撓度值為-0.708 mm,差值為0.312 mm,考慮到兩個梯度距離約為50 mm,撓度減少速度約為6.24×10-3。仔細分析裂縫中位移最大處可以看出,其范圍基本覆蓋裂縫發(fā)展軌跡,說明裂縫豎向位移最大值是出現(xiàn)宏觀裂縫的區(qū)域。

圖 12為裂縫尖端直線水平位移研究取樣圖,利用得到數(shù)據(jù)繪制90-200試件四個不同荷載條件下MN直線上相對位移值與位置坐標的函數(shù)關系,如圖 13所示。其中37.4%Pmax和85.8%Pmax是未達到峰值荷載的上升段荷載,57.9%Pmax和15.5%Pmax是達到峰值荷載后下降段的荷載。

圖8 兩種測量方法得到的荷載-裂縫開口位移曲線(90-800)對比Fig.8 Comparison of load-COMD curves of C90 concrete from different measurements

圖9 兩種方法得到的荷載-撓度曲線(90-800)對比Fig.9 Comparison of load-δ curves from different measurements

圖 10 90-200試件水平位移場Fig.10 Horizontal displacement field of 90-200 specimen

37.4%Pmax荷載條件下,相對位移值分布在0.130～0.135 mm之間,右側位置點位移大于左側位置點位移,說明MN直線點整體往右側移動,另外沒有位移突變,說明試件尚未開裂,仍處在彈性變形階段。85.8%Pmax荷載條件下,相對位移分布在0.360～0.375 mm,且在位置坐標(0,5)之間產(chǎn)生位移突變,說明此時試件開始起裂,查看此時荷載值為4.51 kN,而利用P-CMOD找出的起裂荷載為4.26 kN,兩者差別不大。57.9%Pmax荷載條件下,位移變化幅度增加到0.1 mm左右,而裂縫區(qū)域外相對位移值保持水平直線,說明裂縫區(qū)域外水平位移基本沒變化,位移變化只發(fā)生在裂縫區(qū)域。15.5%Pmax荷載條件下,位移差值繼續(xù)增加,CTOD值為0.35 mm。

圖11 90-200試件豎向位移場Fig.11 Vertical displacement field of 90-200 specimen

圖12 裂縫尖端直線水平位移研究取樣圖Fig.12 Study on horizontal displacement of crack tip

2.2.5雙K斷裂參數(shù)與溫度的關系

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中,ac應按下式計算:

(6)

式中:Pini,T為起裂荷載;m為試件支座間的重量,用試件總質量按S/L比折算;g為重力加速度,取9.81 m/s2;S為試件兩支座間的跨度;a0為跨中下部預留切口深度;t為試件厚度;h為試件高度;Pmax,T為最大荷載;ac為有效裂縫長度;h0為裝置夾式引伸計刀口薄鋼板的厚度;E為計算彈性模量;CMODc為裂縫口張開位移臨界值。

C50強度混凝土:

Kini,TIC=-0.000 9Tm+0.6694,r=0.977 6

(7)

(8)

C70強度混凝土:

(9)

(10)

C90強度混凝土:

(11)

(12)

圖14 斷裂韌度隨歷經(jīng)最高溫度的變化Fig.14 Relationship between fracture toughness and elevated temperature

2.2.6斷裂能與溫度的關系

根據(jù)圖7中P-δ曲線,斷裂能GF,T計算公式如下:

(13)

式中:W0為外力功;δ0為試件破壞時裂縫開口位移;Alig為試件韌帶面積;a0為試件預制裂縫高度。

不同強度等級混凝土的斷裂能在各溫度下的平均值與溫度的關系可通過下列回歸方程表示。

C50強度混凝土:

(14)

C70強度混凝土:

GF,T=470.32T-0.095,r=0.876 6

(25 ℃≤Tm≤800 ℃)

(15)

C90強度混凝土:

GF,T=540.5T-0.1057,r=0.841 8

(25 ℃≤Tm≤800 ℃)

(16)

結果表明,不同混凝土強度試件斷裂能隨溫度發(fā)展可分為兩種情況,如圖15所示:

(1) 對于C50混凝土試件,溫度低于400 ℃時,斷裂基本呈增大的趨勢(200 ℃斷裂能偏低),這是由于隨著溫度升高,材料發(fā)生分解脫水生成較多的細微裂縫,這些裂縫在加載過程中同樣消耗能量。400 ℃以后,斷裂能隨溫度增加不斷減小,此時裂縫發(fā)展成熟,縫寬變大、變長,已經(jīng)不能用來傳力受荷。

(2) 對于C70混凝土試件,溫度低于200 ℃時,斷裂能隨溫度急劇減小,溫度高于200 ℃時,溫度對斷裂能影響不大,呈緩慢下降趨勢,斷裂能基本維持在297 N/m左右;C90混凝土試件斷裂能的發(fā)展規(guī)律與C70類似。這是由于高強混凝土水灰比較小,膠凝材料比重較大,裂縫發(fā)展比較勻速,所以斷裂能變化幅度比較小。

圖15 不同強度等級混凝土斷裂能與溫度關系Fig.15 Relationship between fracture energy and elevated temperature for different strength of concrete

綜合分析不同強度等級混凝土試件斷裂能隨溫度的發(fā)展規(guī)律,混凝土強度為C50時,斷裂能隨溫度發(fā)展呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律,混凝土強度為C70,C90時,斷裂能隨溫度發(fā)展呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降的規(guī)律。

3 結 論

通過帶初始裂縫的三點彎曲梁實驗,研究了高溫后高強混凝土斷裂性能,采用三種強度等級混凝土、五個溫度梯度來進行對比試驗,并用雙K斷裂理論分析高強混凝土斷裂韌度和斷裂能隨溫度變化的規(guī)律,主要結論如下:

(1) 各溫度下C50混凝土燒失量均較高,400 ℃以上時C90燒失量高于C70,從整體上看,高溫下高強混凝土燒失量隨強度提高呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律。

(2) 隨著混凝土強度等級提高,砂漿與骨料之間的粘結應力以及砂漿的強度得到提高,抵抗高溫的能力得到增強;高溫后混凝土殘余強度隨溫度升高而下降,隨混凝土強度等級提高而升高。不同混凝土強度的殘余立方體抗壓強度在600 ℃和800 ℃高溫時的差值明顯小于25 ℃和200 ℃時的差值,說明高溫下混凝土等級強度的提高對于立方體抗壓強度影響不太明顯,高溫下材料分解、脫水嚴重,強度更趨一致。混凝土殘余劈拉強度、殘余軸心抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律與殘余立方體強度相似。

(3) 利用夾式引伸計和DIC兩種測量方法得到的荷載-位移試驗數(shù)據(jù)吻合良好,基本重疊。對比結果表明DIC方法不僅能夠準確測量裂縫區(qū)張開位移值,還可以用來分析位移場變化。說明DIC技術可以成為研究混凝土斷裂力學的一種新手段。

(5) 在斷裂能GF方面,混凝土強度等級為C50時,GF隨溫度發(fā)展呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律,混凝土強度為C70,C90時,GF隨溫度發(fā)展呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降的規(guī)律。