高温对混凝土抗压强度的影响.docx

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高温对混凝土抗压强度的影响

摘要:

由于混凝土材料中粗细骨料和水泥等材料的热工性能不同，在高温作用下，这些材料间的物理化学作用使混凝土力学性能产生变异，进而导致混凝土力学性能劣化。

实验采用液压伺服试验系统对经历一样时间恒温加热，不同温度作用后的C30普通硅酸盐混凝圆柱体试块进展抗压强度试验，详细描述高温后试块的外观特征及抗压破坏特征，探讨分析了不同加热温度对混凝土的抗压强度力学性能的影响。

本试验结果说明：

高温后，混凝土的力学性能随温度的升高而劣化，表现为随着受热温度的升高，混凝土的抗压强度降低。

此外，还探讨了混凝土抗压强度随温度变化的规律，得到了混凝土抗压强度随温度变化的试验曲线。

关键词：

混凝土；高温；抗压强度

Effectoftemperatureonthepressivestrengthofconcrete

Abstract：

Thethermalpropertiesofconcretematerialofcoarseaggregateandcementandothermaterials,undertheconditionofhightemperature,thephysicalandchemicaleffectsofthesematerialstomakethemechanicalpropertiesofconcretemutation,resultingindeteriorationofmechanicalpropertiesofconcrete.Theexperimentadoptshydraulicservotestsystemtoexperiencethesameconstanttemperatureheatingtime,differenttemperatureafterinteractionofC30ordinaryportlandconcretecylinderspecimensweresubjectedtopressivestrengthtests,describedindetailafterhightemperaturetestappearancecharacteristicsandpressiveblockfailurecharacteristics,toexploretheeffectofpressivestrengthofdifferentheatingtemperatureonmechanicalpropertiesofconcreteisanalyzed.Inaddition,alsodiscussestheruleofconcretepressivestrengthvarieswithtemperature,aregressionformulaofpressivestrengthofconcretewithtemperaturechanges,paringtheregressioncurvewiththetestresults,theregressioncurvecanbesimulatedwelltestcurve.

keywords：

concrete;elevatedtemperature;pressionstrength

1绪论

1.1建筑火灾的危害

火在人类生活和生产中起着巨大的作用，但是火失去控制成为火灾后给人类也造成了巨大的损失。

在我国，建筑火灾形势也十分严峻，火灾发生起数和由此造成的损失显著上升。

据统计报告，1993−1997年的五年间，平均年火灾发生38万起，直接经济损失约12亿，死亡2500人，其中建筑火灾居首位，占火灾总数的60％左右，其直接经济损失占总火灾损失的80％以上[1]。

近年来，随着国民经济和现代化建立的开展，高层建筑不断涌现，房屋密度加大。

加之大量新型材料广泛应用于建筑业，以及燃气、电器的普遍使用，大大增加了建筑物发生火灾的可能性，人们预测和控制火灾的压力越来越大。

随着我国现代化建立的开展，建筑物向高层、超高层不断开展，人口密度增加，建筑火灾带来的危害也越来越大，每年我国因为火灾造成的直接经济损失到达数十亿元，而火灾带来的间接经济损失那么更多，统计分析说明，火灾的平均间接经济损失是直接经济损失的3倍左右[1]。

1.2混凝土的组成

混凝土是以水泥为胶结料，把水泥和砂、石等骨料以及添加剂、水按一定比例配合、搅拌而成的物质。

刚搅拌成的混凝土，在一定时间呈流塑状态。

因此，可以制成任意大小和形状的构造和构件。

在成型以后经过一段时间，水泥和水进展水化反响，便硬化成具有一般石料性质的人造石，在建筑中常与钢筋配合使用，组成钢筋混凝土构造。

混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。

同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级围宽等特点。

这些特点使其使用围十分广泛，因此它是现今世界上用途最广、用量最大的人造建筑材料，也是最要的建筑构造材料。

1.3混凝土的力学性能

混凝土的强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度等，其中以抗压强度值最大。

因此，抗压强度是衡量混凝土材料最重要的力学性能参数，工程应用中混凝土主要用来承受压力。

国外许多学者长期以来进展了大量试验研究，发现混凝土抗压强度是各项性能中最根本也是最重要的一项，能直接反映材料本身受高温影响后的力学性能，并直接或间接影响着混凝土的其他性能。

由于混凝土材料中粗细骨料和水泥等材料的热工性能不同，在高温作用下这些材料间的物理化学作用使混凝土力学性能产生变异，进而导致混凝土力学性能劣化，使混凝土构造的平安性降低。

可见高温后，抗压强度上下对于构造的承载力及平安使用同样起着很重要的作用。

1.4国外研究现状

1.4.1国外研究状况

国外对于混凝土抗火性能的研究开场得比拟早，大量的研究开场于50年代，美国、日本、英国、瑞典等国家对不同类型的混凝土在高温下的热工特性和力学性能、钢筋混凝土构件、构造及预应力钢筋混凝土构造的抗火性能进展了大量的研究[2]。

对高温下混凝土在单向、多向应力作用下的应力一应变关系以及强度、变形性能均进展了系统的研究。

1.4.2国研究状况

国对钢筋混凝土的抗火性能的系统研究开场得比拟晚。

主要是从80年代起，同济大学、清华大学、建筑大学等学校先后分别开场对高温下混凝土的力学性能、火灾下钢筋混凝土构件部的温度分布、钢筋混凝土构件、钢筋混凝土框架及预应力混凝土构造等的抗火性能进展了较为系统的实验和理论研究，积累了不少研究资料[3-6]。

同济大学还对高温下普通混凝土热工性能进展了测定[3]。

国学者对于高温下不同混凝土在单向应力作用下的应力应变关系已经进展了比拟系统的研究[3]，对高温下混凝土在单向应力作用下的强度、变形性能均有了比拟深刻的了解，对于高温下混凝土在双向应力作用下强度及变形性能也有了局部研究，取得了混凝土在双向应力作用下强度及变形随温度变化的规律[4,5]。

卫等[7]对高温后混凝土的抗压、抗拉强度及变形性能进展的试验研究，分析了高温后混凝土力学性能的变化规律和机理，并给出了相应的计算公式；吴波等[8]对混凝土的应力—应变全过程及其变形指标进展的试验研究，分析了混凝土经历100～600℃高温作用过程中应力—应变曲线各阶段的特点，建立了相应的应力—应变全曲线方程；阎继红等[9]对混凝土材料进展了不同温度、不同静置时间、不同冷却方式及不同养护条件等情况下的相关试验，研究了这些因素对混凝土抗压强度的影响，并得出了计算公式；吕天启等[10,11]通过大量试验，研究了高温静置后混凝土抗压强度变化的原因，探讨了高温后静置混凝土的抗压强度、弹性模量和应力—应变关系等力学性能的变化规律，给出了各力学指标的拟合回归公式；等通过4种水灰比混凝土的高温后强度试验，分析了混凝土的剩余强度衰减规律及其高温衰退机理。

但是现有研究并未就某一温度下的一样加热时间对混凝土力学性能的影响进展全面的研究和分析，因此本文对经历不同温度、不同加热时间作用后的混凝土力学性能进展了试验研究，探讨混凝土抗压强度随温度变化的规律。

研究成果说明，400℃后混凝土强度开场剧烈下降，剩余强度随着温度的升高逐渐降低，但是从常温到400℃这个温度区间混凝土的强度变化比拟复杂，在200℃强度损失不大，从300℃开场强度损失就比拟严重了，特别是600℃后强度剧烈降低。

由此可以预测800℃甚至更高的温度时混凝土试块的剩余强度将会很小。

1.5研究容及意义

1.5.1研究容

本研究通过采用液压伺服试验系统对经历一样时间恒温加热，不同温度作用后的C30普通硅酸盐混凝圆柱体试块进展抗压强度试验，详细描述高温后试块的外观特征及抗压破坏特征，探讨分析了不同加热温度对混凝土的抗压强度力学性能的影响。

1.5.2研究意义

一般的混凝土构造在建造过程和长期的使用期间，当处于正常的工作条件下，其温度绝对值不高，波动不大，按照现行规[12]进展设计，可保证构造平安，并满足建筑物的使用功能要求。

但是，如假设构造的环境温度升高很多，或温度差发生周期性变化时，可能使构造因为使用性能恶化或承载力下降而失效，甚至酿成局部破坏，以至整体倒塌。

混凝土的抗压强度是评价其力学性能的最重要、最根本的指标。

不同温度下混凝土的力学性能研究，为人们进一步分析火灾情况下混凝土构件部各点的应力分布和评估构造在不同温度下的损伤情况和平安性提供依据。

建筑物遭受火灾后，其构造部升温，形成不均匀的温度场，材料性能严重恶化，导致构造不同程度的损伤和承载力的下降。

作为建筑物的承重和支撑体系，其构造必须在一定时间期限保持足够的承载能力，以便使受灾人员平安撤离现场，消防人员进展灭火，救护伤亡人员和抢救重要器物等活动。

2试验设计介绍

2.1引言

随着我国经济的不断开展，人民的生活水平得到提高，同时也伴随着火灾的不断发生。

上文中已介绍我国每年发生大量的火灾，而且随着建筑物高层化开展火灾带来的危害也越来越大。

我们知道，高温后混凝土的力学性能发生了巨大的变化，由此可以猜测：

火灾后没有坍塌的建筑物能否可以继续使用？

正是因为这个猜测的引出，所以本人拟定了这个实验方案[13]，来探究高温后混凝土的力学性能，从而来解答上述的猜测。

2.2原材料与混凝土配比

在本次试验中，所采用的水泥是东骏水泥于2013年2月21日生产的P•S42.5级的普通硅酸盐水泥，该水泥是按照国家新标准GB175-1999组织生产的，它具有早强，28天富裕强度高，凝结时间正常，和易性好的特点，在全省质量评比中名列前茅。

所采用的细骨料为细河砂，粗骨料为碎石子，骨料的最大粒径可达10mm，水为自来水。

本试验所采用的混凝土标号为C30，混凝土每立方米的配合比以及其性能指标见表1。

表1每立方米混凝土的配合比

C30混凝土〔2400kg/m³〕

水

水泥

砂子

石子

质量〔kg〕

175

357

633

1285

配合比

0.49

1.77

3.6

2.3模具及混凝土试块制备

本试验混凝土试块为直接50mm，高10mm的圆柱体，试验采用直径50mm的阻燃性硬质PVC聚氯乙烯管作为制备混凝土试块的模具。

先将PVC聚氯乙烯管切割为11cm长的短管，经过打磨使其长度到达10cm，再将其切割成两半，重新组装并且用塑料胶带纸绑好，使其恢复原状。

按照C30混凝土的标准配合比量取水、水泥、沙子、石子，将其倒入搅拌桶中，充分搅拌；将配置好的混凝土分层放入模具中，充分捣实，直至拌合物外表呈现水泥浆时为止；用镆刀沿试模边缘将多余的拌合物刮去，并用镆刀将外表抹平；于室阴凉处常温静置，使其自然硬化。

2.4混凝土试块的养护

混凝土试块的养护采用室〔20℃〕自然条件下养护，试件成型后应覆盖外表，以防止水分蒸发，并应在室阴凉处；常温条件下静置1～2天，拆下模具；拆模后的试件应隔天浇水继续养护，防止用水直接冲淋试件；拆模后，试件仍需要保持同等条件下养护28天，使混凝土试块具有充分的强度。

2.5加热设备及热处理过程

本试验采用的高温试验炉为特成机械设备制造的SX2-10-12型箱形高温电阻炉，炉膛净空为（400×250×160）mm，额定功率10kW，最高温度1200℃，配套使用KSW-12-16型电炉温度控制器，最高控制温度可达1200℃，炉温由一个热电偶测定。

本试验共分为常温（20℃）、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃十个温度档〔见表2〕，每组三个平行试验。

将需加热的混凝土试件置于炉加热，待温度到达预设温度时开场计时，并且使试件恒温加热120min。

加热完毕，切断电源，小心取出混凝土试块放在地面，令其在自然环境中冷却一天后进展抗压强度试验。

冷却后给混凝土试块标号，并记录加热后混凝土试块的外表变化特征。

表2实验温度档取定表

实验组

1组

2组

3组

4组

5组

6组

7组

8组

9组

10组

加热温度

常温

200℃

300℃

400℃

500℃

600℃

700℃

800℃

900℃

1000℃

加热时间

120min

重复上述操作，对每个温度档的混凝土试块进展温度处理并编号。

2.6压力试验设备及加压处理过程

2.6.1压力试验设备及加压处理过程

压力试验设备采用西南林业大学土木工程学院力学实验室SANS型微机控制液压伺服压力试验万能机，是由华龙仪器生产。

设备型号WHY-10KN，试验机的最大荷载为1000kN，量程可分多档，试验力测量围0.4%--100%，试验力示值误差为±0.5%。

试验采用计算机应力控制方式，将经历高温热处理后的混凝土试样放置在压力试验机上，以0.5MPa/s的速率沿轴向均匀施加荷载，直至试样破坏，试验数据由试验系统自动采集。

待试块冷却后，将试块取出后擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观；将试块放在下承压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直，试件的中心应与试验机下压板中心对准；开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡；加压时，应连续而均匀地加荷，加荷速度控制在0.5MPa/s；当试件接近破坏而开场迅速变形时，停顿调整试验机加压控制器，直至试件破坏，记录破坏载荷。

重复上述过程，将7组试件分别测试，记录数据。

2.6.2实验考前须知

（1）压力机

在进展混凝土抗压强度试验的过程中，必须选择精度和量程都满足条件的压力试验机，只有这样才能降低测试误差，提高混凝土强度测定值的准确性。

另外，在测试的过程中，混凝土试件的中心要对准上下压板的中心，也就是要试件、上压板、下压板中心为一直线，这就要求试验机的上下压板必须中心相对，假设上下压板中心偏离，混凝土试件受力不均匀，使得测出结果会比实际值偏低。

另外，压力机上下压板的平整度对混凝土抗压强度试验结果亦有影响，压板不平、球座不灵活都会使试件产生局部受压，降低强度检验结果。

（2）加荷速度

试验过程中，加荷速度对于混凝土立方体的强度具有一定的影响，加荷速度的快与慢，会造成测试结果和真值相比偏高与偏低。

当加荷速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加，故破坏时强度偏高；而加荷速度较慢时，由于试件破坏荷载大，到接近破坏阶段，尽管油门已开至最大，但加荷速度还是达不到规定的要求，结果破坏荷载就会明显减小而不能正确反映混凝土的真实强度。

因此，在GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准中规定了不同等级混凝土立方体试件的加载速度为：

混凝土强度等级小于C30时，加荷速度取每秒0.3MPa～0.5MPa，所以我们在试验过程中应严格按标准的规定速度加荷。

2.7数据处理

水泥块圆柱体试件抗压强度按下式计算：

（1）

式中：

——水泥圆柱体试件抗压强度，MPa；

F——破坏载荷，N；

A——试块承压面积，mm2。

以三个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度，准确至0.01MPa。

3试验局部

3.1温度的选定

为了便于科学研究和制定防火规，世界各国都依据实验结果制定能代表本国一般建筑火灾开展规律的标准温度-时间曲线。

实际上，各国绘制的标准温度-时间曲线形状十分近似，我用国际标准〔ISO834〕规定的标准火灾温度-时间曲线〔见图1〕。

图1标准火灾温度曲线

图示为标准火灾温度曲线图，根据火灾开展及温度变化规律，为了使实验能够更真实的模拟火灾环境，使混凝土能到达火灾环境中最高温度和有充足的时间发生物理化学反响，同时结合实验实际条件，最终本试验将混凝土试块在恒温下加热120min。

3.2混凝土试块表观特征

常温至200℃时，试块颜色和外表特征与常温状态一样；400℃开场，外表有少量细微裂缝，颜色暗灰；600℃时，试件外表出现较多细微裂纹，且有少量掉皮、缺角现象，颜色由暗灰到灰白；700℃混凝土外表的颜色开场变浅，呈现淡灰色，外表开场出现可见的细微裂缝，无缺角现象；700℃以上时，试件外表有较多明显的宽裂纹，有明显的疏松爆裂状况，且有大量掉皮、缺角现象，颜色呈灰白色，冷却后触碰掉渣，完全松散（见表3〕。

表3火灾温度作用后混凝构造构件外观特征表

火灾温度

混凝土颜色

外表开裂情况

疏松脱落情况

200−300℃以下

灰青色与常温无大变化

无

400℃

微显红色

无

600℃

灰白色为主

外表有贯穿裂缝

角部剥落、外表起鼓

700℃

颜色开场变浅，呈现淡灰色

外表有贯穿裂缝

混凝土有疏松状

800℃～1000℃

浅黄并呈白色

裂缝较多

冷却后触碰掉渣，完全松散

3.3混凝土试块的高温破坏现象

混凝土试件在200℃温度下，高温对混凝土力学特性影响不大，单轴受压条件下，试件表现为柱状破坏。

受火温度为300℃到500℃的试块在抗压过程中，破坏特征根本类似，单轴受压条件下，试件主体表现为柱状破坏，但由于外表的裂纹的存在和水分的丧失，试件外表带有较多的片状破坏：

最初试块没有明显裂缝出现，随着荷载的增加，当快要到达破坏荷载时，试块的边角开场出现细微斜裂缝并逐渐开展；当到达破坏荷载时，在很短的时间发生斜截面剪切破坏，边角掉落，承载力骤然降低，并且伴随着较清脆的声响。

破坏面不仅在骨料的外表以及砂浆的部，而且骨料本身发生大量破坏。

受火温度为700℃的试块，因本身存在较多的温度裂缝，试块在压坏时，破坏面松散，有少量核心。

破坏面依然主要在骨料与砂浆的结合面及砂浆的部，骨料本身也存在少量破坏。

700℃以上的混凝土试块冷却后自然松散，除800℃的混凝土试块有少量的核心外，其余均没有，且混凝土试块中的骨料完全分解，一触即碎，化为粉末。

3.4试验数据

连续均匀地加载荷载，直至试件破坏。

荷载及变形等数据由试验机配套的数据采集软件自动采集，得到试件荷载－位移曲线。

然后再根据不同温度处理后混凝土试块所得的极限载荷与试块受力面积的关系，绘制出试验数据表〔见表4、表5〕。

表4各组试块抗压强度极限值

温度〔℃〕

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

第一组

29.37

30.15

34.76

20.34

10.28

2.73

1.26

第二组

33.95

32.17

32.25

24.72

8.97

2.54

1.57

第三组

32.51

34.38

33.58

25.63

7.14

4.25

2.47

表5实验处理数据

温度〔℃〕

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

抗压强度平均值

31.94

32.23

33.53

23.56

8.8

3.17

1.77

残留强度百分率

100

101

105

强度损失百分率

-1

-5

100

3.5高温后混凝土立方体抗压强度与温度的关系曲线

图2高温后混凝土抗压强度曲线

T=100℃，混凝土部自由水蒸发，试件部形成孔隙和裂缝，混凝土抗压强度略微降低，但强度降低不明显，根本与常温情况下一样；

T=200−300℃，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，混凝土的抗压强度值逐渐上升，甚至超过常温强度然后随着温度的增加强度开场降低；

T=400−500℃，混凝土强度急剧下降，这是因为水泥胶体与粗骨料的变形差逐步增大，界面裂缝不断开展延伸；

T>500℃后，Ca（OH）2开场脱水，体积膨胀，促使裂缝进一步开展；

T>600℃后，水泥中未水化的颗粒和骨料中的石英成分晶体化，伴随着巨大的膨胀，甚至在骨料部形成裂缝，随温度的升高而继续下降。

3.6抗压强度损失率随温度的变化曲线

图3高温后混凝土抗压强度损失百分率曲线

从图3可以看到抗压强度损失率随着温度的升高逐渐增大，在200℃强度损失不大，但在300℃左右强度损失出现负增长，300℃开场强度损失就比拟严重了，特别是400℃后强度损失加剧，800℃甚至更高的温度时混凝土试块的强度将会完全丧失。

3.7原因分析

高温下混凝土强度的变化是由其微观变化而造成的，其微观变化又可由材料随温度变化作用的变形情况来加以说明[9，12]。

我们知道，混凝士是由水泥、骨料及孔隙组成的性能复杂的混合体。

当混凝土加热时，在200℃以的受火温度下,较常温相比,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；当温度在300℃左右时，由于C—S—H凝胶脱去局部化合水或结晶水，而使构造变得更加致密和强度的增加；在300℃受火温度之后,混凝土中结晶水开场散失,水化物开场分解,在受火温度达500℃时,结晶水大部丧失,水泥水化物也大局部解,骨料相亦开场脱水,混凝土外表出现明显裂纹。

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,混凝土外表裂纹明显而且相互连通。

在800℃的受火温度之后,混凝土已不成形。

4试验结论

经过高温作用以后，混凝土的力学性能会发生复杂的变化。

总体上来说，混凝土的极限抗压强度会随着温度的增加而降低，但在一定温度围其强度会略有提高：

温度在200℃以下时，其强度变化并不是很明显；300℃左右时其强度有所提高；400℃高温后，混凝土单轴抗压强度降低较明显；800℃混凝土强度完全损失。

5参考文献

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[2]T.Z.Harmathy：

ThermalPropertiesofConcreteatElevatedTemperatures[J]，JournalofMaterials，V01．5，No1，Mar,1970

[3]陆洲导．钢筋混凝土梁对火灾反响的研究[D]．同济大学博士学位论文．，1989年10月

[4]过镇海，卫．混凝土在不同应力-温度下的变形试验和本构关系[J]．土木工程学报，Vol．37，No．6，1977

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