不同温度作用下混凝土力学损伤试验研究

关 伟

(湖南致力工程科技有限公司， 湖南 长沙 410208)

0 引言

混凝土广泛应用于工程建筑中。火灾作为建筑物潜在的重大灾害之一，其高温对混凝土内部结构会造成较为严重的破坏，使混凝土强度受到较大影响，严重影响其正常使用[1-2]。随着火灾的发展，燃烧温度升高，混凝土材料内部损伤不断加大，损伤由内部扩展到外表面，最终导致显著的结构破坏[3]。因此，研究高温对混凝土的损伤情况非常重要。

李卫文等[4]研究高温后混凝土的力学性能和超声变化，并且发现声波的波速随着温度升高而降低。王怀亮等[5]对轻骨料混凝土高温后受压的本构关系进行研究，发现随着试验温度提高，普通骨料混凝土和高性能轻骨料混凝土应力-应变曲线均趋于扁平。

本研究分别对25、200、400、600 ℃等4个温度下的普通混凝土进行力学性能试验和声波试验，研究高温对混凝土的应力-应变曲线、混凝土声波的影响以及混凝土的不同损伤程度。

1 原材料与试验方法

1.1 试验材料

试验水泥采用白色硅酸盐水泥；砂石采用中国ISO标准砂；拌和水为城市自来水。

1.2 试验配合比

砂、水泥、水的质量比为2∶1∶0.45。

1.3 试验要求

试验严格按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)要求进行，单轴抗压强度试验采用50 mm×100 mm试件，混凝土在标准养护28 d后，移出养护室用打磨机打磨备用。

1.4 试验仪器

单轴抗压强度试验采用DSZ-1000应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪；测声波的仪器为声波仪；加热设备为马弗炉。

1.5 试验步骤

将加热设备温度分别设定为25、200、400、600 ℃，对25℃组试件进行单轴抗压试验，其它3组试件待炉内达到设定温度并保持1h后取出，冷却至室温后进行声波试验，然后进行单轴压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1 温度对混凝土的表观影响

不同温度下混凝土表观状态见图1。混凝土试件初始状态较为密实，裂隙不发育，随着加热温度升高，裂隙逐渐形成，结构损伤愈发明显[6]。高温后混凝土质量烧失率均随着温度升高而增大。温度不超过200 ℃时，混凝土质量烧失率变化相差不大[7]。温度升至400 ℃时，混凝土的外观上看不出明显的裂隙与裂缝，混凝土部分区域颜色开始变黑。温度升至600 ℃时，混凝土已经严重受损，混凝土外观明显变黑，并出现较大的贯通裂隙，从顶部贯穿至底部，严重影响其强度。当混凝土温度为400～600 ℃时，混凝土损伤发展最快，其原因是其所使用的白色硅酸盐水泥主要成分为硅酸钙，而水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体在高温作用下会发生脱水分解反应，其反应速率与温度、化学反应活化能等因素有关。有研究者认为水化硅酸钙凝胶的脱水主要发生在100 ℃之后，而氢氧化钙晶体的脱水主要发生在400 ℃之后，这可以解释当温度升至600 ℃时产生了较大的贯通裂隙。氢氧化钙是水泥浆体中最重要的化合物之一，在530 ℃左右分解，导致混凝土收缩[8]。

(a) 25 ℃

(b) 200 ℃

(c) 400 ℃

(d) 600 ℃

2.2 温度对混凝土声速的影响

岩样的轴向横波测试或径向纵波测试是指示岩样裂纹扩展状态的有效指标之一，声波速度的下降率可以用来标定岩样的不同损伤程度[9]。声波波束同样适用于描述混凝土的损失状态。在试验中，使用声波仪检测混凝土试件纵波(见图2)，声速值取多个混凝土测试的平均值，由图2可知，温度为25～200 ℃时，混凝土的声速变化相对较慢，说明温度升至200 ℃前，混凝土的内部变化较小。而升温至400 ℃时，相对前一个阶段，混凝土变化逐渐增大，说明混凝土经过400 ℃加温后，内部结构变化较为明显。升温至600 ℃后，混凝土表面已经出现明显裂纹，内部结构受到较为严重的破坏。

图2 温度对混凝土声速的影响

2.3 温度对混凝土应力应变的影响

不同温度下应力应变曲线如图3所示。一般情况下，混凝土试件的单轴压缩过程主要分为压密、弹性变形、裂纹产生和峰后变形阶段。从图3来看，随着温度增加，混凝土的峰值强度逐渐降低，在常温状态、200 ℃和400 ℃之间的峰值强度变化较小。当温度升至600 ℃时，混凝土材料的峰值强度大幅度下降，且随着试验温度升高，混凝土的应力-应变曲线逐渐趋于扁平[10]。有学者研究指出，其原因是温度为300 ℃时，受热使得混凝土胶凝水分蒸发，组织结构变得更加致密，试验温度升至400 ℃时，结构组织开始有所变化，Ca(OH)2开始有少量分解，所以400 ℃时，混凝土的峰值强度也随之降低[8]。温度为600 ℃时，混凝土内应力增大，内部裂隙扩散至表面，已失去90%以上强度。随着试验温度升高，应力-应变图变得扁平，试件发生塑性破坏。

图3 应力-应变曲线

2.4 温度对混凝土峰值强度的影响

温度对混凝土峰值强度的影响见图4。由图4可以看出，混凝土峰值强度受温度变化的影响较大，温度升至200 ℃和400 ℃时，混凝土的峰值强度呈线性降低。结合前文可知温度升至600 ℃时，混凝土已基本失去了强度，因此温度升至600 ℃对混凝土的影响较为严重，混凝土表面已出现较为明显的裂缝，特别是混凝土的端部。

图4 温度对混凝土峰值强度的影响

2.5 破坏模式分析

单轴试验后的混凝土试样见图5。经过与应力-应变曲线对比，可知混凝土的破坏模式属于塑性破坏。试验温度为25 ℃与200 ℃下的混凝土试样，混凝土破坏后，开始出现许多微裂隙和贯通裂隙。经过400 ℃高温加热过后的混凝土，外表呈现少量灼烧痕迹。经过600 ℃高温加热混凝土表面明显变黑，内部结构损伤并扩展到表面，产生明显裂隙。

(a) 25 ℃

(b) 200 ℃

(c) 400 ℃

(d) 600 ℃

3 结论

1) 从峰值强度来看，随着温度升高，混凝土强度逐渐降低，特别是经过600 ℃高温后，混凝土的强度变化最为明显。

2) 声波试验表明，随着温度升高，混凝土的波速随之降低，说明经过高温后的混凝土内部结构发生破坏。

3) 单轴压缩试验表明，混凝土高温后的破坏模式属于塑性破坏。