蔣春霞

摘 要：通過實(shí)驗(yàn)分析了混凝土的抗壓和抗拉力學(xué)性能在高溫作用下的變化規(guī)律，得出高溫作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的變化機(jī)理，為進(jìn)一步研究高強(qiáng)度和高耐久性能的混凝土提供理論基礎(chǔ)，為改善混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高溫；混凝土；力學(xué)性能；強(qiáng)度

基金項(xiàng)目：廣東理工學(xué)院工程造價專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（JXTD2018002）；廣東理工學(xué)院建筑材料精品課程（JPKC2016002）

混凝土是一種由水泥、砂、石子等多種材料組成的非勻質(zhì)復(fù)合材料。各組成材料在相同環(huán)境下的熱工性能及力學(xué)性能相差懸殊，尤其是在高溫下，都會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而彼此影響，使得混凝土的物理和力學(xué)性能較常溫時有很大的差異。本研究對混凝土在高溫作用下的物理化學(xué)變化進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探討了混凝土經(jīng)高溫作用后抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能的變化規(guī)律。現(xiàn)在，隨著城市人口居住的密集化和高層建筑的迅速發(fā)展，不可預(yù)見的火災(zāi)事故防不勝防，作為建筑物的主要結(jié)構(gòu)材料，混凝土在火災(zāi)中耐高溫性能的好壞直接影響人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，研究混凝土的抗火性能和耐高溫性能十分必要和迫切。

1 高溫下混凝土的力學(xué)性能變化

實(shí)驗(yàn)表明，在高溫作用下，混凝土的各組成材料會發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，人的肉眼能看到的物理變化是表面疏松、開裂、邊角崩落等，肉眼看不見的除了化學(xué)變化之外，還有微觀的物理變化，包括組成材料內(nèi)部水分子之間的各種形態(tài)變化（如液態(tài)水蒸發(fā)、固態(tài)水水化等），這些微觀上的變化改變了混凝土的力學(xué)性能，是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受損的根本原因。（1）在高溫作用下，由于混凝土內(nèi)部各組成材料的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，會讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，并且隨著溫度的升高，這種裂紋不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生貫通破壞。（2）在高溫作用下，混凝土材料內(nèi)部水分子的蒸發(fā)與冷凝。結(jié)構(gòu)孔隙中會有一定量的自由水，其蒸發(fā)與冷凝是使混凝土內(nèi)部發(fā)生爆裂的重要原因。一方面，在高溫作用下，孔隙中的水分蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，才能讓本來是液態(tài)的水變成氣態(tài)的水蒸氣，物態(tài)的變化限制了混凝土內(nèi)部溫度上升的速度；另一方面，孔隙內(nèi)不斷增加的水蒸氣，讓孔隙內(nèi)的壓強(qiáng)不斷增大，這樣也會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生爆裂。（3）高溫作用下膠結(jié)材料的化學(xué)變化（如水化和脫水）。實(shí)驗(yàn)表明，混凝土在溫度比較低時會發(fā)生水化反應(yīng)，生產(chǎn)新的性質(zhì)較穩(wěn)定的水化物，當(dāng)溫度不斷升高超過125 ℃時，混凝土將發(fā)生脫水反應(yīng)，一種新的結(jié)晶體會不斷形成，一般，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度為600 ℃左右時，混凝土內(nèi)部的結(jié)晶水就已全部反應(yīng)了。在這種反復(fù)水化和脫水的化學(xué)變化環(huán)境中，熱量也跟著不斷釋放和吸收，這種過程不斷重復(fù)，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疲勞而破損，使混凝土孔隙率變大、結(jié)構(gòu)變得疏松，進(jìn)而引起混凝土其他性能的改變，這些都是混凝土高溫?fù)p傷的主要形式[1]。

1.1 混凝土高溫抗壓強(qiáng)度變化趨勢

在高溫作用下，混凝土的強(qiáng)度等級、骨料類型等因素都會影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論如圖1所示，圖中實(shí)線代表高強(qiáng)混凝土在不同溫度時的強(qiáng)度變化規(guī)律。從圖1中可以得出，隨著溫度的升高，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低[2]。虛線為普通混凝土隨溫度變化而產(chǎn)生的強(qiáng)度變化情況，從圖1中可以看出，隨著溫度的降低，普通混凝土的強(qiáng)度也降低了。但是其強(qiáng)度損失規(guī)律明顯不同。高強(qiáng)混凝土先平緩，中間急劇下降后又平緩，而普通混凝土先有少許上升，然后快速下降，再平緩，在400 ℃左右時，普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度減小，曲線逐漸重合。對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能進(jìn)一步研究，并與普通混凝土進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在0～500 ℃高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度曲線比普通混凝土的更陡[3]。雖然不同的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果有一定的差異，但總的趨勢沒有變化。對比國外一些同類的實(shí)驗(yàn)也可以得出類似的結(jié)論。

1.2 混凝土高溫抗拉強(qiáng)度變化趨勢

實(shí)驗(yàn)表明，混凝土的抗拉強(qiáng)度在高溫下與混凝土的配合比、骨料種類等多種因素有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了如圖2所示的混凝土抗拉強(qiáng)度在高溫作用后的折減規(guī)律圖，與抗壓強(qiáng)度圖對比，混凝土抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律是總體上呈直線性下降。圖2顯示：混凝土的抗拉強(qiáng)度低，其在高溫作用下的強(qiáng)度變化頻率小，這說明配合比的不同，混凝土適應(yīng)溫度變化的能力也不同。當(dāng)然，如果溫度比較高（比如溫度高于500 ℃），鈣質(zhì)骨料混凝土抗拉強(qiáng)度變化下降值是硅質(zhì)骨料混凝土的2倍左右。

2 結(jié)語

在高溫下，混凝土的其他力學(xué)性能比如拉伸性能也會發(fā)生改變。只研究了混凝土在高溫下的抗拉和抗壓力學(xué)性能的變化規(guī)律，在這兩種變化的模型研究中也有很多地方有待改進(jìn)：（1）由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性比較大，而且只考慮了對混凝土高溫力學(xué)性能的研究主要是基于抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度這兩種因素的影響，缺乏對組成材料的細(xì)觀物理化學(xué)變化的分析，沒有從根本上揭示混凝土的高溫?fù)p傷機(jī)理。在以后的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該把所有的因素都考慮進(jìn)去。（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有考慮混凝土組成材料中熱、水、力等狀態(tài)變量的耦合效應(yīng)，也沒有把空隙中的水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)過程中發(fā)生的相變引起的變化考慮進(jìn)去，在以后的研究中還應(yīng)該對這種耦合效應(yīng)和相變過程的影響進(jìn)行分析。總之，在高溫作用下，混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度的變化是由很多種因素和復(fù)雜的物理化學(xué)變化引起的，一定要把所有可能的原因都加以分析，這樣得出的結(jié)論才會對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)有實(shí)際的指導(dǎo)作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鹿少磊.三大系列水泥混凝土的高溫性能比較研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[2] 李東華.高溫鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，1994.

[3] 張杰英.鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，1997.

Analysis of tensile and compressive mechanical properties of concrete at high temperature

Jiang Chunxia

（Guangdong Polytechnic College， Zhaoqing 526100， China）

Abstract：The variation law of compressive and tensile mechanical properties of concrete at high temperature is analyzed experimentally， and the variation mechanism of compressive strength and tensile strength of concrete at high temperature is obtained， which provides a theoretical basis for further study of concrete with high strength and durability， and provides a reference for improving the high temperature mechanical properties of concrete structures.

Key words：high temperature； concrete； mechanical properties； strength