高温条件下混凝土的力学性能与抗爆裂

高温条件下混凝土的力学性能与抗爆裂3
董香军　丁一宁　王岳华
(大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室　大连　116024)
摘　要:根据近年来国内外对混凝土高温性能的试验研究,阐述了混凝土在高温下的基本力学性能,包括强度、弹性模量、应力-应变关系;从混凝土的微观结构出发,分析了混凝土在高温下的爆裂及强度损失机理;通过在混凝土中掺加纤维来减少混凝土高温后的强度损失和爆裂,经试验证明是行之有效的方法。

关键词:混凝土　高温　强度　纤维　爆裂
MECHANICAL AN D ANTI2SPALL ING PERFORMANCE OF CONCRETE
SUBJECTE D T O HIGH TEMPERATURES
Dong Xiangjun　Ding Y ining　Wang Yuehua
(State K ey Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology　Dalian　116024)
Abstract:Based on the recent experimental studies,this paper summarized the mechanical behavior of concrete at high temperature,including strength,elastic modulus,stress2strain relation1The mechanism of explosive spalling and strength loss at high temperatures was analyzed from the microstructure of concrete1Fibers can be used in concrete to reduce explosive spalling and mass loss,which was proved a feasible method by experiments1
K eyw ords:concrete high2temperature strength fiber explosive spalling
随着城市人口居住的密集化和高层建筑的迅速发展。

火灾是造成建筑物破坏的潜在因素之一,一旦发生火灾,建筑物的材料性能将严重恶化,结构性能大大削弱,造成巨额经济损失。

因此,研究结构及材料的高温性能具有重大的经济利益。

目前,国外对混凝土的高温性能已进行了相关的试验研究[1]。

20世纪80年代,国内一些高校,包括同济大学、清华大学、西南交通大学等开始混凝土结构及材料在高温下及高温后的力学性能研究。

通过大量试验和分析,取得了丰硕的研究成果。

本文根据众多学者的试验研究,系统阐述了混凝土的高温力学性能;并以混凝土强度损失和高温爆裂机理为基础,分析了利用纤维抗爆和增强的可行性。

1　混凝土的高温力学性能
高温下混凝土的力学性能指标主要包括抗压强度、抗拉强度、抗剪与抗弯强度、弹性模量、应力-应变关系等,其中抗压强度是最基本的一项。

111　强　度
众多试验研究和火灾现场调查表明:高温下混凝土的强度衰减是不可避免的。

强度的衰减程度与众多因素如混凝土等级、骨料类型、配合比、养护条件、加热参数和冷却制度等有关,以上各参数不同,得出的试验结果也会有差异。

3国家自然科学基金资助项目(编号:50278013)
第一作者:董香军　男　1978年8
月出生　博士研究生
收稿日期:2005-03-09
混凝土抗压、抗弯、抗剪和抗拉强度随温度升高而变化的典型曲线如图1所示。

从图1可以看出:混凝土的各项强度指标都随温度升高而降低,但下降程度却有很大不同,其中劈拉强度的下降最明显;掺加钢纤维的混凝土抗剪强度下降最缓慢。

值得注意的是:随着温度从室温升至400℃左右,混凝土的
1-普通混凝土抗压[2];2-普通混凝土劈拉[3];
3-钢纤维混凝土抗弯[4];4-钢纤维混凝土抗剪[4]
图1　混凝土强度-温度关系
307
Industrial Construction Vol.35,Supplement,2005 工业建筑　2005年第35卷增刊
抗压强度起初有轻微下降,然后还有一些回升。

当温度超过400℃后,强度即开始急剧下降,许多试验也证明了这一点。

文献[2]给出的高温下混凝土强度与温度的回归关系方程:
f T cu=f cu/[1+214(T-20)6×10-17](1)其中,f T cu,f cu分别表示混凝土高温下及室温下的立方体抗压强度;T表示最高受火温度。

随着试验温度的升高,混凝土抗拉强度和抗压强度降低的规律不同[2]。

文献[2]根据试验结果建议采用如下方程:
f T t=(1-01001T)f t　(20℃≤T≤1000℃)
(2)其中,f T t、f t分别表示混凝土高温下及室温下的抗拉强度。

文献[3]也分别利用二次曲线和更简单的二阶段直线来进行描述:
f T t=[2108(T/100)2-21666(T/10)+ 1041792]×10-2f t(3)
f T t=
[0158(110-T/+0142]f t(20℃≤T≤300℃) [0142(116-T/500)]f t(300℃≤T≤800℃)
0(T≥800℃
)
(4)值得一提的是,混凝土所含骨料类型不同,其在
高温作用下强度的损失也不一样。

轻骨料混凝土的抗火性明显优于普通混凝土[5],特别是当温度高于400℃之后,其强度下降较小。

混凝土在高温下的抗压强度还随温凝土受火时间的增加而下降[2],而且温度越高,强度下降越多。

112　弹性模量
混凝土的弹性模量-温度关系的典型曲线如图2所示。

类似于强度损失,混凝土的弹性模量也随着温度的升高而下降。

1-普通混凝土高温下[5];2-普通混凝土高温后[7];
3-普通混凝土高温下[8]
图2　混凝土的弹性模量-温度曲线
文献[6]定义014f T c处的割线模量为混凝土的弹性模量,并且提出了计算E T c的三阶段线性公式:
E T c=
(1-010015T)E c(0<T≤200℃) (0187-0100082T)E c(200℃<T≤700℃) 0128E c(700℃<T≤800℃)
(5)
其中,E T c,E c分别为混凝土高温后及室温下的弹性模量。

此外,文献[2]也提出了计算E T c和T的二阶段线性公式:
E T c=
E c(20℃≤T≤60℃)
(0183-010011T)E c(60℃≤T≤700℃)
(6)
113　应力-应变关系
文献[2]通过试验进行了4种混凝土在不同温
度下的应力-应变全曲线试验,发现随着试验温度
的提高,曲线渐趋扁平,峰点明显下降和右移。

与常
温下的应力-应变曲线很接近,因此,建议高温和常
温下受压应力-应变曲线采用统一的方程,其曲线
上升段和下降段分别是三次多项式和有理分式。

为便于对比,文献[9]同时研究了高温后高强混
凝土和普通混凝土的无量纲化应力-应变曲线,在
应力-应变曲线的上升段,高强混凝土与普通混凝
土基本一致,但高强混凝土应力-应变曲线的下降
段要陡于普通混凝土,即应力随应变增大而降低的
速率要大于普通混凝土,这主要是由于高强混凝土
的脆性较大,能量释放比较集中而突然所致。

2　高温爆裂及强度损失机理
211　高温爆裂
混凝土特别是高性能混凝土的高温爆裂是一种
灾难性破坏,高性能混凝土的高温爆裂通常发生于
300℃以上,其特征是伴随着爆裂,混凝土结构表层
形成深浅不一的凹坑,但爆裂前却没有能为人所察
觉的先兆。

高温爆裂难以预见,且高温爆裂将导致
结构完整性的丧失,即钢筋表面的混凝土保护层脱
落,这意味着由于钢筋直接暴露于高温下,致使钢筋
混凝土结构在火灾高温下被过早破坏。

尽管目前关于混凝土爆裂的机理还没被完全揭
示,然而对此已形成两种主要解释,即蒸汽压机理与
热应力机理。

蒸汽压机理指密实的硬化水泥浆在高
温下阻止水蒸汽的逸出,从而产生了内部蒸汽压,当
蒸汽压达到一定数值时,即引发高温爆裂;热应力机
理指火灾高温在混凝土内部引起了温度梯度,伴随
温度梯度而产生的热应力最终引发了爆裂,也有可
能是这两种机理同时起作用。

实际情况可能比较复
杂,混凝土的强度等级、湿含量,加温中的升温速率407工业建筑　2005年第35卷增刊
和最高温度,其它如试件的几何形状和钢筋分布等,都可能对爆裂的发生有所影响。

文献[10]试验了强度等级和湿含量对爆裂的影响。

结果表明,爆裂的发生既取决于强度等级,也取决于湿含量,对于强度等级低于C60的混凝土,即使饱和水试件也不会发生爆裂。

对于强度等级高于C60的混凝土,当湿含量高于临界值时,湿含量越高则爆裂发生机率越大,或者说,湿含量是决定强度等级高于C60的混凝土发生爆裂的主要因素。

但是文献[7]只进行了在480～500℃范围内的爆裂试验研究。

温度的高低理应也是产生爆裂的主因素之一,因此,仍有必要进行在更大温度范围内爆裂问题的研究与探讨,文献[11]指出:混凝土的湿含量越高,升温速度越快,则爆裂现象越严重。

212　强度损失机理
混凝土是一个复杂的物相体系,对于火灾后的混凝土,由于受到高温的作用,混凝土在水化、碳化和矿物分解后又产生了许多新的物相。

火灾温度不同,所产生的相变和内部结构的变化程度亦不同。

经受高温后,混凝土宏观性能的变化是其内部微观结构变化的结果。

文献[12]通过X射线分析及扫描电镜观察,探讨了高温后混凝土抗压强度的变化原因:在100℃的受火温度之后,较常温下相比,混凝土的微观形貌变化不大,有利于水泥的水化,加快水化物的生长。

在300℃的受火温度之后,混凝土中结晶水开始散失,水化物开始分解,在受火温度达500℃时,结晶水大部丧失,水泥水化物也大部分解,骨料相亦开始脱水,混凝土表面出现明显裂纹。

在700℃的受火温度之后,结晶水完全丧失,水泥水化物已不存在,混凝土表面裂纹明显而且相互连通。

在900℃的受火温度之后,混凝土已不成形。

其他文献关于高温下混凝土强度变化机理的叙述中比较一致的结论如下:
1)当混凝土加热到100℃以上,毛细孔中开始失去水分;100～150℃由于水蒸气蒸发促进熟料逐步水化,使其抗压强度增加;200～300℃由于排除了凝胶体所吸收的水分而导致组织硬化;300℃以上脱水开始增加,水泥砂浆收缩而骨料膨胀,混凝土表面开始出现裂纹,强度开始下降,随着温度的升高,水泥砂浆的收缩和骨料的膨胀都在加剧,两者的结合遭到破坏,水泥骨架破裂成块状;到500℃以上,骨料中的石英晶体发生晶型转变,体积膨胀,初生的不连贯裂缝迅速扩展并连接起来,形成贯通裂缝,造成混凝土的宏观破坏。

2)水泥石与骨料有不同的受热变形形态。

当加热到一定温度时,水泥石受拉,骨料受压,由此,加剧了内裂缝的开展,这也是强度降低的主要原因。

所以水泥用量愈大,水灰比愈大,强度的降低也会愈明显。

3　纤维抗爆裂
为了解决混凝土的高温爆裂反应,关键是要产生孔隙,在蒸汽压力达到临界值时让其通过孔隙部分释放。

这对内部结构不太密实的普通混凝土来说,难度不大,但高性能混凝土的水灰比较低、水泥基体密实、毛细孔较少,因此,可掺加化学物质,它们或是在混凝土硬化后分解,或是在火灾时挥发,从而在高性能混凝土内形成毛细孔,这样可以降低混凝土构件在火灾中发生爆裂反应,使高性能混凝土也可取得较好的抗火性能。

文献[13～15]对聚丙烯纤维及钢纤维在混凝土中的作用机理分别做了深浅不一的阐述,并且都通过试验证明了聚丙烯纤维及钢纤维对高温下混凝土抗爆裂及增强的有效性。

聚丙烯纤维的熔点为170℃,高性能混凝土加入聚丙烯纤维后,当温度达到聚丙烯的熔点温度时,混凝土还处于自蒸发阶段,内部压力还不大,当聚丙烯纤维熔化后,其液态体积远小于固态所占空间,于是形成众多小孔隙,并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小而量又多,使得混凝土内部孔结构发生了变化,孔隙的连通性加强,为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道,也就缓解了由于水分膨胀所形成的压力,从而降低了爆裂的可能性。

聚丙烯纤维的加入虽然能降低混凝土在高温下的爆裂,但是由于增加了混凝土内部的孔隙,因此也削弱了混凝土的强度特别是抗拉强度,这就促使我们寻求既能降低混凝土高温爆裂又能减缓其高温下强度降低的途径。

钢纤维的加入在一定程度上可以使得混凝土在高温下强度降低的幅度减小。

其作用机理可简述如下:
1)钢纤维具有比混凝土较好的热传导性能;其热传导系数为混凝土的20～30倍。

又由于钢纤维在混凝土中是三维乱向分布的,因而它的掺入可使混凝土在高温下更快地达到内部温度的均匀一致,从而减少温度梯度产生的内部应力,减少内部损伤。

2)钢纤维的掺入可以抑制由于快速的温度变化(升温或冷却过程中)而产生的混凝土体积变化,从而减少材料内部微缺陷的产生及发展,在一定程度上减缓了材质的恶化。

(下转第716页)
507
高温条件下混凝土的力学性能与抗爆裂———董香军,等
式,本工程设两个搅拌站,一个为设置在土建公司预制构件厂的HZS50型全自动化搅拌站,理论生产量率为50m3/h,水泥、砂、石、水、外加剂全部由电脑计量自动上料。

另一个设在现场的混凝土搅拌站,它由两台750L混凝土搅拌机。

一台HP0800配料机,一台Z L30D型装载机组成,另外现场设两个拖式混凝土泵。

512　浇筑工艺
总的施工顺序为:先施工东段,后施工西段,先浇筑深坑的混凝土,后浇筑浅的部分混凝土,在浇筑过程中遵循“条形分段、斜面分层、一次到顶、循序渐进”的成熟工艺。

513　振　捣
泵送混凝土浇筑时,因混凝土的流动性很大,需在混凝土斜坡的上中下同时振捣。

故浇筑时每台混凝土泵管出口处配置3台振动棒同时振捣,特别是电梯井、基础边角应加以注意,以防漏振。

振动棒振捣时要切实做到“快插慢拔”,振捣程度以混凝土表面不在明显下沉,不出现气泡表面泛浆为宜。

插入式振动器振捣的操作要点“直上直下、快插慢拔、插点均布、切忽漏插、上下抽动、层层扣搭、时间掌握好、密实质量佳”。

514　泌水处理
底版混凝土浇筑振捣过程中游离的泌水和浮浆顺混凝土坡面下流至坑底利用基坑内的排水井进行排除,当混凝土坡低至顶端时,改变抽水方式,用小型潜水泵将泵底抬高,逐步抽出泌水。

515　表面处理
混凝土浇筑完4～5h后,用长刮杠按照标高(测量工配合)刮平,初凝前用铁滚筒碾压数遍,再用木搓搓平压实,以免收缩裂缝。

516　墙板施工缝留设
混凝土浇筑时墙板施工缝留设在板面上≥350mm处采用止水带每边各埋入深度为150mm。

6　结　语
大体积混凝土施工,只要方案可靠,方法正确、组织周密合理,就能控制裂缝产生,以上仅一项工程为例,对大体积混凝土施工裂缝的控制做了阐述,相信随着科学技术的发展,对大体积混凝土施工裂缝的控制将会得到更好的解决。

(上接第705页)
3)高温后,钢纤维仍然是裹握在水泥浆体中的,因此,只要水泥浆还具有粘结力,钢纤维在常温混凝土中的增强增韧作用仍然存在,且作用效果仍取决于界面粘结强度。

4　结　论
1)随着温度的升高,混凝土的各项强度指标,包括抗压、抗弯、抗剪、抗拉强度以及弹性模量等都呈衰减趋势;
2)湿含量是混凝土产生爆裂的主要原因,高温下混凝土强度的下降是其内部微观结构变化的结果;
3)钢纤维与合成纤维的组合应用能有效降低混凝土在高温下产生爆裂的可能性,并能较好保持混凝土的完整性,高温后仍能承受一定荷载。

这对于减少生命财产的损失以及灾后结构的维修补强等都有重要意义。

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