邵晉彪,王林浩,高海靜

(1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 037003；2太原理工大學(xué),山西 太原 037003;3.北京市豐臺區(qū)王佐鎮(zhèn)人民政府,北京 100074)

國內(nèi)外已有很多[1～3]對高強(qiáng)混凝土的研究,對高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究主要有文獻(xiàn)[4～6]。試驗采用的加溫溫度范圍一般從100℃至900℃不等,恒溫時間從1小時至6小時不等,升溫曲線使用較多的是ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。對于上海靜安區(qū)、沈陽皇朝酒店等使用高強(qiáng)混凝土材料的工程結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)較高且恒溫時間較長,現(xiàn)有普通混凝土的研究結(jié)果用于這些高強(qiáng)混凝土構(gòu)筑物會顯得很不合理,從而高強(qiáng)混凝土高溫(尤其是不同受熱溫度與不同恒溫時間的組合)力學(xué)性能的研究必將成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。

本文對C60高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同高溫歷程(不同受熱溫度與不同恒溫時間的組合)后外觀、抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,為高強(qiáng)混凝土經(jīng)歷不同高溫歷程后的力學(xué)性能研究打下了基礎(chǔ),更為使用高強(qiáng)混凝土材料的工程結(jié)構(gòu)遭受長時間火災(zāi)損害后的檢測加固提供了良好的依據(jù)。

1 試驗方法

以C60高強(qiáng)混凝土為試驗材料制作標(biāo)準(zhǔn)試塊,用于確定混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度,試塊的強(qiáng)度平均值fcT=49.6MPa。

采用300mm×500mm×200mm箱式電阻爐進(jìn)行高溫受熱試驗。試驗溫度為200℃、300℃、500℃、600℃與800℃,升溫至指定溫度后再分別恒溫0.5小時、1小時、2小時與3小時,采取室溫冷卻方式。對經(jīng)歷不同高溫歷程后的試塊進(jìn)行減摩靜載試驗,在試塊表面用三層黃油夾三層塑料薄膜為減摩墊層[7]。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

經(jīng)不同的受熱溫度與恒溫時間的組合工況的C60高強(qiáng)混凝土試塊冷卻后,可以發(fā)現(xiàn)升溫至200℃的試塊外表色澤與高溫前基本無差別。當(dāng)高溫歷程為300℃恒溫時間為1小時C60高強(qiáng)混凝土試塊整體或者部分外表色澤與常溫試塊的顏色對比非常明顯-呈現(xiàn)鐵銹紅色,直至恒溫3小時鐵銹紅色消失[4、7],混凝土表面有少量可視細(xì)微裂縫。C60高強(qiáng)混凝土經(jīng)500℃、600℃高溫作用后,Fe(OH)3分解為氧化鐵,紅色消失變?yōu)闇\灰色,可以看到裂縫增加但沒有貫穿整個表面,并伴有少量試塊掉皮、缺角現(xiàn)象；個別試塊在受熱過程中發(fā)生爆裂現(xiàn)象,其斷面比較粗糙,孔洞和裂紋也較多。C60高強(qiáng)混凝土試塊經(jīng)800℃高溫作用后,試塊外表呈灰白色,與常溫試塊的外表色澤對比明顯,試塊表面出現(xiàn)粗大裂縫,有的甚至貫穿整個試塊,且裂紋之間互相貫通,整體結(jié)構(gòu)比較疏松。

C60高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同的受熱溫度與恒溫時間的組合工況后已有可視細(xì)微裂縫,如圖1所示,在此基礎(chǔ)上不斷加壓直至峰值荷載,C60高強(qiáng)混凝土試塊發(fā)生脆性破壞,在此過程中還伴隨有很強(qiáng)的劈裂聲。其主要原因是：C60高強(qiáng)混凝土水泥膠凝體的強(qiáng)度與普通混凝土相比大不同,其強(qiáng)度值很接近于粗骨料的強(qiáng)度值,使得C60高強(qiáng)混凝土的裂縫發(fā)展已無法受到粗骨料的束縛(粗骨料對裂縫的發(fā)展有約束與緩沖作用)；隨著C60高強(qiáng)混凝土所受壓力的增加,試塊內(nèi)部將會積蓄巨大的能量,當(dāng)達(dá)到峰值荷載時將會迅速釋放,以至于試塊的裂縫發(fā)展無法估量,最終可以明顯地看到C60高強(qiáng)混凝土試塊被劈裂成多個小柱體,這個結(jié)論與文獻(xiàn)[3、8]的試驗結(jié)果一致。

圖1 受熱試驗結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

α=1.087-8.66×10(-4)T,100℃

(1.1)

β=1.09-5.62×10(-2)t ,0.5h

(1.2)

表1 不同高溫歷程后高強(qiáng)混凝土基本力學(xué)指標(biāo)試驗值

圖2 殘余抗壓強(qiáng)度比與受熱溫度和恒溫時間關(guān)系

由圖2可知,隨著試塊受熱溫度和恒溫時間的增加,C60高強(qiáng)混凝土試塊的殘余抗壓強(qiáng)度總體呈逐漸減小的趨勢,與高溫歷程呈反比。當(dāng)受熱溫度不同時,800℃時已降低至12MPa左右,強(qiáng)度僅剩余大約25%,主要原因是C-S-H膠凝分解,高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)徹底破壞[9]。當(dāng)恒溫時間不時,C60高強(qiáng)混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度會隨著恒溫時間的增長而減少。相比恒溫時間,受熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的變化影響更大。

2.2.2 峰值應(yīng)變

混凝土試塊在單軸壓試驗達(dá)到破壞前的最大應(yīng)變?yōu)榛炷恋姆逯祽?yīng)變。圖3給出了C60高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變隨受熱溫度及恒溫時間的變化情況。

由圖3可知,C60高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)變的大小與受熱溫度的高低、恒溫時間的長短有關(guān),與高溫歷程呈正比。當(dāng)C60高強(qiáng)混凝土所受受熱的溫度相同而恒溫時間不同時,C60高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)變會隨著恒溫時間的增長而增大,但增長趨勢不明顯。當(dāng)C60高強(qiáng)混凝土所受的恒溫時間相同而受熱溫度不同時,C60高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)變在500℃以前的變化幅度不明顯；當(dāng)受熱溫度高于500℃時,C60高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變的變化趨勢明顯；800℃時C60高強(qiáng)混凝土各恒溫時間下的峰值應(yīng)變與其在100℃時的幅值相比增長了約2倍。相比恒溫時間,受熱溫度的變化對高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變的變化影響更大。

圖3 不同受熱溫度及恒溫時間下峰值應(yīng)變影響規(guī)律

其中,受熱溫度低于500℃時,恒溫時間對峰值應(yīng)變影響并不明顯；當(dāng)受熱溫度大于500℃時,C60高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變隨恒溫時間的增長而增大,且增幅較大。

現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程中混凝土的峰值應(yīng)變?nèi)缡?：

(2)

參考式(2)的形式,對各試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,建議按下式計算C60高強(qiáng)混凝土經(jīng)歷不同高溫歷程后的峰值應(yīng)變：

式中：ε0T為高溫后C60高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變,fcT為高溫后C60高強(qiáng)混凝土剩余抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)C60高強(qiáng)混凝土經(jīng)不同溫度與恒溫時間后的外表色澤逐漸變淺。 300℃恒溫1小時至恒溫3小時之間混凝土試塊呈鐵銹紅色,800℃試塊表面呈灰白色,且試塊表面裂縫逐漸開裂變粗,直至貫穿整個試塊,整體結(jié)構(gòu)疏松。

C60高強(qiáng)混凝土受高溫歷程作用后已有可視細(xì)微裂縫,當(dāng)不斷受壓達(dá)到峰值荷載后發(fā)生脆性破壞,并伴隨劇烈的劈裂聲,出現(xiàn)嚴(yán)重的爆裂破碎現(xiàn)象,其單軸壓疲勞破壞形態(tài)為柱(小柱體)狀壓潰。

(2)C60高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能隨高溫歷程的增加而降低。相對恒溫時間的不同,受熱溫度的變化對C60高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響更大。C60高強(qiáng)混凝土的的殘余強(qiáng)度與高溫歷程呈反比,其峰值應(yīng)變與高溫歷程呈正比。