不同過火條件對混凝土抗壓強度影響的試驗研究

徐文濤 倪 康 孔德鐠

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

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不同過火條件對混凝土抗壓強度影響的試驗研究

徐文濤 倪 康 孔德鐠

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

制作了不同強度等級的混凝土試件，在給定溫度的火中燃燒特定時間，用水冷卻后，進行了混凝土抗壓試驗，分析了過火溫度和過火時間對混凝土強度的影響規(guī)律，得出了一些有意義的結(jié)論。

混凝土，抗壓強度，過火溫度，過火時間

0 引言

在高溫作用下，混凝土的力學(xué)性能會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性降低[1]。許多學(xué)者對過火后混凝土的各項力學(xué)性能做了較多的試驗研究，包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量和應(yīng)力應(yīng)變曲線等[2,3]。部分學(xué)者針對過火試驗中不同冷卻方式對混凝土抗壓強度的影響也做了相關(guān)研究[4,5]。

在高溫的情況下，混凝土中的結(jié)合水會逸出，其微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，混凝土內(nèi)部膠體的粘結(jié)力也會發(fā)生失效。混凝土中骨料與水泥石的熱膨脹系數(shù)存在差異，在高溫下會導(dǎo)致內(nèi)部粘結(jié)面開裂[6]，使混凝土的性能發(fā)生變化。

本文通過試驗測試不同強度等級的混凝土試塊在經(jīng)過不同過火溫度、過火時間后抗壓強度的變化，研究不同過火條件對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

本次試驗的混凝土試塊在商混站進行制作，混凝土試塊采用C25，C30，C35三種強度等級，分別進行常溫和過火溫度為300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃下的試驗。過火的時間分為30 min，60 min和90 min，共36組混凝土試塊試件，配合比如表1所示。混凝土試塊的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，經(jīng)過28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后再進行過火實驗。本次試驗自制了高溫爐，以模擬混凝土在火災(zāi)中的過火情況。所有試塊過火后均采用噴水冷卻方式來模擬現(xiàn)實火災(zāi)后消防噴水滅火的情況。在過火試驗前一天對試塊進行烘干處理，同時對各個試塊進行編號。所有試塊在過火試驗后經(jīng)過20 d讓其性能穩(wěn)定后再進行抗壓強度的試驗。該設(shè)備的尺寸如圖1所示。

表1 混凝土材料用量 kg/m3

高溫爐外部全部采用硅酸鋁保溫耐火面進行覆蓋，再用模板來進行固定，內(nèi)部需要保溫的部位都進行了保溫耐火棉包裹。它的最高耐火溫度為1 260 ℃，滿足實驗要求。加熱設(shè)備采用的是高壓液化氣藍(lán)火爐，最高燃燒溫度能達到1 200 ℃。放置藍(lán)火爐的正后方設(shè)有通風(fēng)口，保證它的燃燒。試驗時，高溫爐頂部覆蓋一層保溫棉并用鋼板進行壓實，保證溫度的上升。中間留有溫度觀測孔，前期加熱時，用保溫棉堵住觀測孔。測量溫度時用鉗子拿掉保溫棉，讀數(shù)完成后再迅速把保溫棉放回。測量溫度的設(shè)備為GM1150A型紅外線測溫儀，物距比為50∶1，測量溫度范圍：-18 ℃～1 150 ℃。混凝土抗壓強度加載設(shè)備采用的是TYE-2000型壓力試驗機，最大荷載1 000 kN，試驗力相對誤差為±1%。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 過火溫度對混凝土抗壓強度的影響

根據(jù)過火后的混凝土抗壓實驗數(shù)據(jù)，繪制不同強度等級的混凝土抗壓強度比值fcu(T,t)/fcu在不同過火溫度下的變化曲線如圖2所示,T為過火溫度，t為過火時間。

由圖2可得出，過火溫度對抗壓強度比值fcu(T,t)/fcu的影響規(guī)律如下：

1)當(dāng)過火時間為30 min時，混凝土抗壓強度的變化為緩慢線性下降。不同強度等級的混凝土變化規(guī)律大體一致，溫度的增加對混凝土抗壓強度的影響不大，其下降的幅度均不超過20%。

2)當(dāng)過火時間為60 min時，我們從圖中可觀察到不同強度等級的混凝土抗壓強度隨著溫度的增加，在0 ℃～500 ℃時呈現(xiàn)波動性。在 300 ℃時，強度有些許降低，隨著溫度上升到500 ℃時混凝土的抗壓強度卻小幅回升。當(dāng)溫度繼續(xù)增加時，強度直線下降。這種變化的原因考慮為較高的過火溫度對混凝土內(nèi)部未完全水化的水泥熟料有著促進水化的作用，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強度有稍許提升；當(dāng)溫度超過500 ℃后混凝土內(nèi)部起到骨架作用的晶體(如C-S-H)發(fā)生了脫水分解，導(dǎo)致其抗壓強度降低。另外，混凝土的熱惰性會使內(nèi)部產(chǎn)生溫差對溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有著促進作用，導(dǎo)致其抗壓強度的降低。

3)當(dāng)過火時間為90 min時，從圖中我們可知在溫度不超過300 ℃時，三種強度等級的混凝土抗壓強度都有著小幅度的升高。隨著過火溫度上升到700 ℃，它的抗壓強度直線下降，并且下降幅度很大。其中500 ℃～700 ℃時的抗壓強度下降幅度最大。因為此時混凝土內(nèi)部會快速的分解從而導(dǎo)致抗壓強度大幅度的下降；當(dāng)過火溫度上升到900 ℃時，抗壓強度持續(xù)降低但是降低的幅度變小，因為在高溫長時間的作用下此時混凝土水泥石強度基本已經(jīng)完全損失，混凝土抗壓強度僅僅依靠它的機械強度來進行維持。

2.2 過火時間對混凝土抗壓強度的影響

根據(jù)過火后混凝土試塊抗壓試驗得出的數(shù)據(jù)可得到不同標(biāo)號的混凝土抗壓強度比值fcu(T,t)/fcu在不同過火時間的作用下的變化曲線如圖3所示。

從圖3可知，過火時間對抗壓強度比值fcu(T,t)/fcu的影響規(guī)律如下：

1)過火溫度為300 ℃時，三種強度等級的混凝土在過火時間少于60 min時，混凝土的抗壓強度基本沒有變化。過火時間為90 min 時，三種強度等級的混凝土抗壓強度都比過火時間短時的強度要高，甚至比未過火的混凝土抗壓強度都略有提升?？紤]此現(xiàn)象的原因為：在經(jīng)過300 ℃這并不高的溫度長時間的作用下，混凝土此時的內(nèi)部溫度與外界溫度相差無幾，促進了混凝土的水化，此時的有利作用要大于高溫帶來的不利影響(如膨脹開裂等)，所以表現(xiàn)為混凝土的抗壓強度有所提高；

2)過火溫度為500 ℃時，通過觀察圖3，可知此時三種強度等級的混凝土剩余抗壓強度在不同的過火時間下表現(xiàn)為不規(guī)律性。

這是因為在較高溫度的作用下，混凝土試塊內(nèi)部主要有兩種現(xiàn)象，一方面是混凝土中多余的水泥熟料的水化現(xiàn)象，另一方面是試塊內(nèi)部的水分不斷的蒸發(fā)逸出，就會對水化作用不利。這兩種現(xiàn)象，一種會導(dǎo)致混凝土抗壓強度的升高，另一種會導(dǎo)致混凝土抗壓強度的減少。兩個方面的因素隨著過火時間的增加互相對混凝土產(chǎn)生各自的影響，此消彼長。這就導(dǎo)致在過火溫度為500 ℃時，混凝土試塊的剩余抗壓強度隨受熱時間的增加出現(xiàn)了一定的波動性；

3)當(dāng)過火溫度為700 ℃和900 ℃時，三種強度等級的混凝土剩余抗壓強度整體呈下降趨勢。當(dāng)過火的時間較短時，因為混凝土的熱惰性，此時混凝土存在內(nèi)外溫差從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生使混凝土抗壓強度降低。隨著過火時間的增加，混凝土內(nèi)部溫度與外界溫度的溫差逐漸縮小，此時混凝土內(nèi)部起骨架作用的水化物迅速分解導(dǎo)致抗壓強度迅速下降。隨著時間的增加，700 ℃和900 ℃的混凝土抗壓強度越來越接近。

3 結(jié)語

1)隨著過火時間和過火溫度的增加，混凝土的抗壓強度呈整體降低趨勢。在過火溫度較低(≤500 ℃)和時間不長(≤60 min)時，混凝土抗壓強度下降的幅度較小。在過火溫度為700 ℃時，前期會隨著時間的增加，混凝土抗壓強度的減少呈增大趨勢。當(dāng)時間足夠長時，混凝土抗壓強度的減少會趨于平緩。

2)在過火溫度為700 ℃、時間不大于60 min時，過火后的混凝土抗壓強度是緩慢的線性下降，隨后它的強度是急劇的線性變化。

3)在過火溫度為900 ℃時，過火后的混凝土抗壓強度一致是比較急劇的線性變化，其中60 min～90 min時的變化幅度比0 min～60 min 時偏大。

4)不同強度等級的混凝土在過火溫度較低和時間較短的情況下，混凝土抗壓強度的下降幅度整體基本沒有差別，隨著過火溫度和過火時間的增加，強度等級大的混凝土其抗壓強度下降幅度要比標(biāo)號小的混凝土偏大。

5)在混凝土強度迅速下降(時間不小于60 min)的階段，過火溫度相比過火時間對混凝土抗壓強度的影響要大。

[1] 董毓利.混凝土結(jié)構(gòu)的火安全設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[2] 王學(xué)謙.建筑防火[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[3] 吳 波.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[4] 過鎮(zhèn)海,時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[5] 閻繼紅,林志伸,胡云昌.高溫作用后混凝土抗壓強度的試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2002，35(5):17-18.

[6] 吳 波,馬忠誠,歐進萍.高溫后混凝土變形特性及本構(gòu)關(guān)系的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999，20(5):42-43.

Experimental study on the effect of fire temperature and time on the compressive strength of concrete

Xu Wentao Ni Kang Kong Depu

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，NanchangHangkongUniversity，Nanchang330063，China)

This paper produced the concrete specimen with different strength grade, burning specific time in fire at a given temperature, after water cooling, made concrete compression strength test, analyzed the influence law of burning temperature and burning time to concrete strength, draw some useful conclusions.

concrete, compression strength, burning temperature, burning time

1009-6825(2017)09-0037-02

2017-01-19

徐文濤(1991- )，男，在讀碩士； 倪 康(1991- )，男，在讀碩士； 孔德鐠(1992- )，男，在讀碩士

TU312.3

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