高温后不同类型混凝土力学性能试验研究

文章编号:100926094(2005)0520001206

高温后不同类型混凝土

力学性能试验研究3

余志武,丁发兴,罗建平

(中南大学土木建筑学院,长沙410075)

摘　要:对高温后C40和C50普通混凝土以及C80高性能混凝土的力学性能进行了试验研究,描述了试验现象,探讨了火灾温度、恒温时间、试件尺寸、冷却方式和混凝土类型等因素对高温后混凝土力学性能的影响,提出了高温后不同类型混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变等经验计算公式和高温后混凝土轴压应力-应变关系曲线表达式。试验研究表明,随着火灾温度的升高和恒温时间的增加,高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等整体上呈降低趋势,而峰值应变逐渐增加;在火灾温度、恒温时间恒定时,试件尺寸越大越不利,喷水冷却不如自然冷却,高性能混凝土不如普通混凝土。

关键词:混凝土与钢筋混凝土结构;高温;应力-应变全曲线;力学

性能

中图分类号:T U528131 文献标示码:A

0　引　言

混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料之一,普通混凝土的应用已有悠久的历史。高性能混凝土(HPC )是一种新型高技术混凝土,具有强度高、耐久性好等优点,目前己逐步取代普通混凝土并广泛应用于高层建筑、大跨建筑、地下工程和海洋工程中,取得了显著的经济技术效益。

随着城市人口的聚集,现代建筑的火灾发生频率和火灾危险性不断增加,由于火灾(高温)后混凝土的力学性能劣化,导致混凝土结构的安全性降低,需要对这类结构进行高温后

的损伤评估,以制定相应的修复措施。为了进行评估和修复,

首先需要对混凝土的高温力学性能展开研究。国内外学者通过宏观的力学性能试验方法,对高温下、高温后的混凝土作了不少研究[1～11],取得了一些成果。然而,与常温下混凝土研究方式相似,现有的高温后的研究成果只针对特定强度的混凝土,其应用范围具有局限性。

本文在试验研究基础上,对国内已有的研究成果[1,2,4～7,11]进行总结,建立可满足普通和高性能混凝土的高温后单轴受压力学性能统一计算方法。

1　试验研究

111　试验目的

1)研究不同温度对高温后混凝土力学性能的影响;2)研究不同恒温时间对高温后混凝土力学性能的影响;3)研究不

同尺寸对高温后混凝土力学性能的影响;4)研究不同冷却方式对高温后混凝土力学性能的影响;5)研究相同条件下普通混凝土和高性能混凝土高温后力学性能的异同;6)建立高温后普通、高性能混凝土单轴受压应力-应变全曲线。112　试验方案11211　试件制作及配比

采用C40、C50普通混凝土和C80高性能混凝土,混凝土的配比见表1。成型的C40和C50混凝土,边长为15cm 的立方体试件各21组,10cm ×10cm ×30cm 的棱柱体试件各21组;成型的C80高性能混凝土,边长为10cm 的立方体试件30组,边长为15cm 的立方体试件13组,10cm ×10cm ×30cm 的棱柱体试件13组。混凝土试件成型后标准养护7d ,此后自然养护。90～120d 后,在火灾实验室高温实验炉中烧制,高温试验时测定C40混凝土立方体抗压强度f cu 为5119MPa ,C50混凝土立方体抗压强度f cu 为5511MPa ,C80混凝土立方体抗压强度f cu 为9112MPa 。

表1　混凝土配比

kg/m 3

T able 1　Mix proportion of concrete

强度

等级

525#硅酸

盐水泥

超细粉

UPFA 硅粉

中粗河砂

碎石

(粒径015～2cm )

水

膨胀剂

UE A 复合高效减水剂SP

C8035615186

4615

530112014531

8104

C50380——6601180168——C40

430

——510

1300

170

——

3收稿日期:2005205212

作者简介:余志武,教授,硕士,从事桥梁工程、结构工程和防灾工

程研究。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278097);湖南省自然

科学基金资助项目(03JJ Y 3089)

11212　试验方案

对于普通混凝土,考察不同温度和恒温时间对混凝土试件高温后力学性能的影响,对C40和C50混凝土的立方体和棱柱体试件分别加热至100～1000℃等不同温度,然后分别恒温1h 、2h 、3h 。

对于高性能混凝土,考察温度(100～1100℃

)和恒温时间(1h 、2h 、3h )对混凝土试件高温后力学性能影响,同时还考查试件尺寸、冷却方式等因素对高温后高性能混凝土力学性能的影响。

高温试验过程中,按试件编号将试件加热至预定温度,再恒温至规定时间,随后切断电源,按要求自然冷却或喷水冷却至室温。60d 后,测定混凝土试件的各力学指标及相应的应力-应变全曲线。11213　试验要求

加热炉为箱型电阻炉,最高温度可达1200℃,温度可自动控制,且到达指定温度后可自动恒温。高温后混凝土试件抗压强度试验在2000kN 普通压力试验机上进行。进行棱柱

第5卷第5期2005年10月 安全与环境学报Journal of Safety and Environment

V ol.5　N o.5

　Oct ,2005

体试验时,在普通压力试验机上附加刚架,通过重复加、卸载来获得完整的应力-应变全曲线。进行应变和变形测试时,在混凝土轴向对称两边贴纵向应变片并安置纵向位移计,两者同时记录。荷载-变形(应变)曲线由I MP数据采集系统采集。113　试验结果及分析

11311　试验现象

1)气体逸出规律

升温过程中,电阻炉内气体逸出规律为:对于普通混凝土,当温度上升到300℃时开始逸出气体,500～600℃时气体逸出量最大,此后逐渐减弱,到700℃时基本上没有气体逸出;对于高性能混凝土,400℃时开始逸出气体,600～700℃时逸出气体量最大,此后逐渐减弱,到900℃时气体逸出较少,之后气体基本停止逸出。由此可见,随着混凝土强度等级的提高,混凝土内部趋于密实,高温作用下混凝土内部自由水蒸发和结合水的分解滞后。

2)爆裂现象描述

对于普通混凝土,当加热到400℃时,可以听到炉内发出轻微的爆炸声;在600℃左右,爆炸声最为密集,到700℃左右逐渐减弱,800℃时基本消失。打开炉膛,可以看到爆裂脱落的微细颗粒;经历500℃的试件表层则有细小的砂砾脱落;经历600℃的试件表层则有小块的混凝土及粗骨料发生爆裂而脱落,在经历600℃以上的试件中,有2个试件发生炸裂。

对于高性能混凝土,当加热至440℃时,在升温过程中高性能混凝土试件陆续发生爆炸,700℃以后爆炸现象基本消失。高性能混凝土爆炸的数量远多于普通混凝土爆炸的数量,且爆炸后碎块的断面形状不规则,断面处沙、石及水泥石清晰可见,没有发生沿集料和水泥石界面破坏的情况。当改变升温程序时(先升温至200℃,恒温3h,再升温至给定温度),基本没有发生爆炸现象。合理的解释是,爆炸由蒸汽压机理造成,而混凝土中湿含量是影响其高温爆裂的主要因素[3]。

3)试件颜色及表面状况描述

普通混凝土和高性能混凝土在相同高温作用后,其外表颜色变化相似。所有混凝土试件在常温下为灰色,100～300℃时,颜色无明显变化;400℃时,试件开始呈现灰白色,且表面有龟裂纹;500～700℃时,试件为灰白色略带浅红色,表面有许多细小裂纹,且裂纹长度增加,有时有贯穿裂纹;800℃时,试件呈现浅红色,裂纹宽度明显增加;900～1000℃时,试件表面为白色,带有黄褐色,且随温度升高,恒温时间延长,颜色变深,到1000℃,恒温3h的试件,颜色已经变成深黄褐色,表面布满裂纹,表层已成粉末,极易脱落。

4)试件加载现象

高温后,混凝土轴心抗压强度试验时的破坏形态与常温相比,变化不大,试件工作的全过程仍经历了弹性阶段、弹塑性阶段、内部微裂缝局部贯通、外部可见裂缝出现发展成主裂缝直至最后靠骨料间咬合作用维持残余强度等工作阶段。无量纲化后的应力-应变曲线的形状随经历温度的升高而变化不大。混凝土立方体试件的破坏形态与温度有关,由常温下正倒相接的四角锥体破坏形态逐渐向整体压碎破坏形态过渡,而混凝土强度等级对破坏形态几乎无影响。

11312　主要影响因素

1)温度对混凝土力学性能的影响

随着恒温温度的升高,高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等总体上呈降低趋势,而峰值应变逐渐增加,见图1。其中T为温度,f cu(T)、f c(T)、E c(T)、ε0(T)分别为经受T后混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和峰值应变。图中图标意义以51为例说明,其中5

表

(a)

对高温后立方体抗压强度的影响

(b)

对高温后棱柱体强度的影响

(c)

对高温后弹性模量的影响

(d)对高温后峰值应变的影响

图1　不同温度对混凝土力学性能的影响

Fig.1　I nfluence of different peak temperature on mech anical

properties of concrete after high temperature

　V ol.5　N o.5 安全与环境学报 第5卷第5期

示混凝土强度等级为C50,1表示恒温1h 。图中C40和C50混凝土是边长为15cm 的立方体试块,而C80混凝土是边长为10cm 的立方体试块。可以看出,对于立方体抗压强度,普通混凝土的力学性能突变的临界温度为400℃,而高性能混凝土的临界温度为600℃;对于棱柱体轴心抗压强度,普通混凝土的临界温度为200℃,而高性能混凝土的临界温度为500℃。可见,高温后高性能混凝土的临界温度出现时间推迟,这与文献[4]的结论类似。

2)恒温时间对混凝土力学性能的影响

以高性能混凝土为例。图2显示了不同恒温时间下高性能混凝土的力学性能。可见,随着恒温时间的延长,高性能混凝土轴心抗压强度、弹性模量总体上呈降低趋势,而峰值应变稍有增加,普通混凝土力学性能的变化规律与高性能混凝土力学性能的变化一致。 3)冷却方式对高性能混凝土强度的影响

试验表明,喷水冷却时高性能混凝土立方体抗压强度损失大于自然冷却的,见图3

。

(a )

对高温后轴心抗压强度的影响

(b )

对高温后弹性模量的影响

(c )对高温后峰值应变的影响

图2　恒温时间对高性能混凝土力学性能的影响

Fig.2　I nfluence of different exposure time on mech anical

properties of H PC after high temperature

4)尺寸对混凝土力学性能的影响

试验表明,恒温2h 后,10cm ×10cm ×30cm 的高性能混凝土棱柱体抗压强度损失最大,边长为15cm 的立方体抗压强度损失次之,而边长为10cm 的立方体抗压强度损失最小,见图4。

5)混凝土类型对混凝土力学性能的影响

试验表明,由普通混凝土过渡到高性能混凝土,相同条件作用后,混凝土轴心抗压强度、弹性模量降低速率减缓,峰值应变增加速率减缓[4,5],这与高温下混凝土轴心抗压强度、弹性模量随混凝土强度等级的提高而降低[8,9]的规律相反,原因可能与高性能混凝土中新增组分有关。图5显示了恒温3

h 后普通混凝土和高性能混凝土的轴心抗压强度、弹性模量

和峰值应变随温度的变化情况

。

图3　冷却方式对高性能混凝土强度的影响

Fig.3　I nfluence of different cooling regimes on strength

of H PC after high

temperature

图4　尺寸对高温后高性能混凝土强度的影响

Fig.4　I nfluence of different size on strength

of H PC after high temperature

2　混凝土力学指标

混凝土是热惰性材料,高温下边长为10cm 的混凝土立方体试件,在外表层温度达到700℃后,约经过恒温6h 后,其中心才达到相应的温度[9]。M ohamedbhai [10]对普通混凝土恒高温后认为,当炉膛温度达到规定温度后恒温3h ,冷却后的

混凝土残余强度较稳定。因此,恒温3h 后即认为试件受热后满足截面无温度梯度假设。本文结合国内已有恒温时间超过3h 的高温后混凝土单轴受压力学性能试验研究成果,提出高温后普通混凝土和高性能混凝土的各项力学指标。

2005年10月 余志武,等:高温后不同类型混凝土力学性能试验研究 Oct ,2005

(a )

对高温后混凝土强度的影响(b )

对高温后混凝土弹性模量的影响

(c )对高温后混凝土峰值应变的影响

图5　混凝土类型对混凝土力学性能的影响

Fig.5　I nfluence of different concrete type on mech anical

properties of concrete after high temperature

211　轴心抗压强度

试验结果表明,随温度升高,高温后混凝土轴心抗压强度不断降低,对于高性能混凝土,高温后混凝土轴心抗压强度损失较普通混凝土减缓。通过对本文和文献[4,5,7]高温后普通混凝土和高性能混凝土轴心抗压强度试验结果的回归,得到

f c (T )f c =

1

1+9[(T -20)/800]c 1(1)式中　f c 为常温下混凝土轴心抗压强度;对于普通混凝土,

c 1=3155;对于高性能混凝土,c 1=6170。

图6显示了式(1)计算结果与试验结果的比较,两者变化规律基本一致。

212　弹性模量

试验结果表明,随温度升高,高温后混凝土受压弹性模量逐渐降低;与高温后的轴心抗压强度相比,相同温度后弹性模量降低量大一些;对于高性能混凝土,弹性模量损失较普通混凝土减缓。通过对试验结果的回归,

得到

(

a )普通混凝土

(b )高性能混凝土

图6　混凝土轴心抗压强度随温度的变化

Fig.6　I nfluence of different peak temperature on axial

compressive strength of concrete

E c (T )E c =1

1+c 3[(T -20)/800]c 2+c 4[(T -20)/100]2

(2)

式中　E c 为常温下的混凝土弹性模量,对于普通混凝土,c 2

=4133,c 3=2115×10-3,c 4=317×10-2;对于高性能混凝

土,c 2=7133,c 3=6110×10-3,c 4=117×10-2。

比较式(2)与试验结果,两者变化规律基本一致,见图7。213　受压峰值应变

试验研究表明,随温度升高,高温后混凝土受压峰值应变逐渐增大;在相同温度作用后,高性能混凝土受压峰值应变增加速度比普通混凝土缓慢,拟合可得到

ε0(T )/ε0=1+c 4[(T -20)/100]2

(3)式中　ε0为常温下混凝土受压峰值应变。

图8为式(3)计算结果与本文试验结果的比较,两者变化规律基本一致。

3　高温后混凝土受压应力-应变全曲线

已有试验表明,高温后混凝土应力-应变全曲线与常温

下的几乎一致[4,5],可以采用与常温相同的表达式[12]

y =

A 1x -x

2

1+(A 1-2)x

　x ≤1

x

α1(x -1)2

+x

　x >1(4)

式中　y =σc /f c (T ),x =εc /ε0(T ),σc 和εc 分别是混凝土的压应力和压应变,参数同常温下混凝土单轴受压应力-应变

曲线[12]中的参数:A 1=9.1f -4/9cu ,α1=215×

10-5f 3

cu 。同时,从图7可以看出,弹性模量的折减系数(E c (T )/E c )与峰值割线模量的折减系数(E p (T )/E p )(E p =f c /εc ,E p (T )=f c (T )/ε0(T ))基本相同。

　V ol.5　N o.5 安全与环境学报 第5卷第5期

(a )

普通混凝土

(b )高性能混凝土

图7　混凝土弹性模量随温度的变化

Fig.7　I nfluence of different peak temperature

on elastic modulus of

concrete

图8　高温后混凝土的受压峰值应变

Fig.8　I nfluence of different peak temperature

on peak strain of concrete

运用式(4)进行计算,所得计算曲线与本文试验曲线进行比较,两者具有相同的趋势,见图9。

4　结　论

通过对普通和高性能混凝土立方体试件遭受100～1100℃不同温度后强度的变化和棱柱体试件遭受200～1000℃等不同温度及恒温1h 、2h 、3h 后各力学性能和应力-应变关系的试验研究,得到如下结论。

1)火灾温度、恒温时间、试件尺寸、冷却方式和混凝土类型等因素对高温后混凝土力学性能有影响。在500℃左右高温作用下,高性能混凝土由于发生爆裂而引起大面积脱落,使有效承载面积大大减小,其抗火性能较差。

2)本文建议的高温后混凝土轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变的表达式与试验结果的规律基本一致

。

(a )

高性能混凝土

(b )

普通混凝土

(c )普通混凝土

图9　高温后混凝土应力-应变计算

曲线与试验曲线的比较

Fig.9　Comp arisons betw een calculated stress -stain

curves and tested ones

3)高温后混凝土的应力-应变曲线形状与常温下基本一

致,本文建议的表达式与试验数据具有相同的趋势。

4)高性能混凝土力学性能突变的临界温度推迟,可能与高性能混凝土中新增组分有关,需进一步研究。

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Y U Zhi2wu,DI NG Fa2xing,LUO Jian2ping

(C ollege of Civil Architectural Engineering,Central S outh Universi2 ty,Changsha410075,China)

Abstract:The present paper aims to introduce the authors’experi2 mental research on the mechanical properties of C40,C50ordinary concrete and C80high2per formance concrete(HPC)when high tem2 perature is applied to it.F or this purpose,the authors have given a detailed review of experimental phenomena and the in fluences of the significant parameters,such as peak tem perature,exposure time, different size of specimens,cooling regimes and different types of concrete on the mechanical properties of concrete after high tem pera2 ture were provided.And then,the paper has given a formula for stress2strain relationship of normal and high2per formance concrete when high tem perature is applied to it.Next,s ome em pirical calcula2 tion formulas for axial com pressive strength,elastic m odulus and peak strain were proposed.The results of the authors’research indicate that:with the exposure of tem perature with the exposure time increas2 es,cube com pressive strength,axial com pressive strength and the e2 lastic m odulus of concrete tend to decrease as a whole while peak strain for concrete tends to increase.On the condition that the peak tem perature and tem perature exposure time are the same,the loss of com pressive strength proves greater for big specimen size than for small ones,greater for water cooling than for furnace cooling and

greater for high2per formance concrete than for ordinary concrete.

K ey w ords:concrete and rein forced concrete structures;high tem2 perature;stress2strain curves;mechanical properties

C LC number:T U528131 Document code:A

Article I D:100926094(2005)05200012063收稿日期:2005205231

作者简介:金韶华,副教授,博士,从事含能材料的化学物理性能、配方设计研究。

基金项目:总装预研基金项目(00J1216161BQ0127)

文章编号:100926094(2005)0520006203

高分子包覆ε-HNIW方法对样品机械撞击感度的影响3

金韶华1,吴秀梅1,王　伟2,松全才1 (1北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081;

2中国北方化学工业总公司,北京100045)

摘　要:使用反溶剂的包覆方法,用高分子材料P845、F2601、F2311包覆钝感ε-HNIW,探讨对样品机械撞击感度的影响。结果表明,制备方法、高分子种类以及是否含有表面活性剂(SFT)都对包覆得到样品的撞击感度有影响。如采用溶液悬浮法和水悬浮法制备的样品的撞击感度特性落高h50,前者平均值为1819cm,而后者平均值为3114 cm,采用水悬浮法制备的样品较为钝感;采用溶液悬浮法时,以高分子材料P845为粘合剂,卵磷脂为SFT制备得到的样品,h50值为4118 cm,使用OT为SFT时,制备得到的样品的h50则为3612cm。样品SPW -11-PVA的机械撞击感度最低,h50值为5917cm。

关键词:应用化学;包覆方法;ε-H NIW;SFT;界面性质;撞击感度

中图分类号:T Q56414 文献标识码:A

0　引　言

六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-H NIW)[1～3]是20世纪90年代的硝胺类炸药代表,其晶体密度达2103～2104g/cm3(比β-H MX高4%),理论最大爆速可达915km/s(比β-H MX高5%),理论最大爆压可达43G Pa(比β-H MX高8%),机械感度略高于H MX,但仍可安全使用。由于H NIW的性能优异,人们称它为明天的高能炸药。由于H NIW的感度较高,熔点较高,成型性较差,近年来关于ε-H NIW的包覆钝感研究有所报道[4～7],但较系统的研究仍然不多。本文较详细地研究高分子包覆方法对于高分子包覆ε-H NIW的撞击感度的作用,研究高分子包覆的工艺方法、高分子种类、表面活性剂(SFT)的应用,以及对于其包覆效果(用特性落高h50表示)的影响。1　实验部分

111　药　品

ε-H NIW,自制。其余药品均为市售。表面活性剂:二(2 -乙基己基)磺基琥珀算钠(OT),T ween-20,PVA,Lecithin。高分子材料:F2601,F2603,F2311为不同种类的氟橡胶;P845为丁腈橡胶;PU为聚氨酯。

112　样品制备

采用反溶剂-溶剂悬浮法[8],将炸药制成悬浮液;搅拌,搅拌速度为450r/min;将高分子(粘合剂)溶液以一定速率滴加到ε-H NIW的悬浮液中,使高分子和ε-H NIW的晶体充分接触。升温至45℃,恒温,减压蒸馏,将高分子溶液的溶剂蒸发,高分子则包覆在ε-H NIW的表面。

第5卷第5期2005年10月

安全与环境学报

Journal of Safety and Environment

V ol.5　N o.5

　Oct,2005