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

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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

(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