高溫對(duì)建筑混凝土材料抗震抗壓的作用及原理

蘇迎社，楊媛媛

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程設(shè)計(jì)研究院，西安710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑學(xué)院，西安710061）

在普通情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗震性能良好，并且價(jià)格便宜，所以除了在土木工程中，在機(jī)械行業(yè)、造船業(yè)等各個(gè)行業(yè)已被廣泛運(yùn)用。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫下的混凝土材料性能變 化 做 了 大 量 研 究［1－2］。吳 波 等［3］對(duì) 混 凝 土 結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了軸向約束，研究了火災(zāi)后剩余的軸向壓強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，他們還對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)高溫后混凝土的剛度、強(qiáng)度和滯回性能等進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)中，混凝土的結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了彎曲型的破壞。張家廣等［4］對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在擁有初始載荷的條件下進(jìn)行了升溫、降溫、冷卻等一系列作用之后的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。已經(jīng)有研究表明［4，6－7］，高 溫 會(huì) 對(duì) 混 凝 土 材 料 的 性 能 產(chǎn) 生 較 大 的不利影響。在許多火災(zāi)案例中，人們發(fā)現(xiàn)混凝土材料的框架結(jié)構(gòu)在火被撲滅后的數(shù)天，在相對(duì)比較潮濕的環(huán)境下放置幾天不會(huì)坍塌，反而在人們之后進(jìn)入房屋找尋東西時(shí)倒塌，造成極大的人員傷亡。然而，在多數(shù)的有一定高度的建筑物中，混凝土材料的墻同時(shí)兼具了抗震墻和防火墻兩個(gè)功能。因此，對(duì)高溫之后混凝土材料的抗震、抗壓作用及原理進(jìn)行分析和研究，不但在理論上有很高的價(jià)值，在工程也有很重要的意義。

本文將通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)分別研究高溫對(duì)混凝土材料抗震、抗壓性能的影響，并由這兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)高溫作用后混凝土材料的抗震抗壓原理進(jìn)行分析和研究。

1 高溫下混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度

1.1 原材料

混凝土硅質(zhì)骨料采用的是琉璃河生產(chǎn)的425號(hào)硅酸鹽水泥；粗骨料采用卵石，粒徑的大致范圍為5～20 mm；細(xì)骨料采用中級(jí)細(xì)骨料砂。它們的配比是水泥∶水∶卵石∶中砂＝1∶0.42∶2.86∶1.52。

制作80個(gè)120mm×120mm×320mm 的硅質(zhì)骨料混凝土棱柱體試件，5 個(gè)150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件和5 個(gè)100 mm×100mm×100mm 的立方體試件。常溫下，立方體的抗壓強(qiáng)度為55 MPa，棱柱體的抗壓強(qiáng)度為45 MPa。

將試驗(yàn)的溫度分別設(shè)置為150、350、550、750℃。為了使得各個(gè)試件的內(nèi)部溫度跟外部溫度相同，將每個(gè)試件的受高溫的時(shí)間設(shè)置為5h。待到高溫之后，將各試件一部分放置在自然環(huán)境中，剩下的一部分則放置在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)靜置，將靜置時(shí)間分別設(shè)置為0、2、4、6h。分別對(duì)試件進(jìn)行自然冷卻。

1.2 加熱裝置

本次試驗(yàn)采用RX3－65－12 高溫箱式電阻爐對(duì)混凝土材料的試件進(jìn)行加熱，額定電壓為380 V，額定功率為65kW，額定溫度為1200 ℃，爐膛尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1200 mm×600 mm×400 mm。

采用EWY－103型園圖電子電位差計(jì)記錄電勢(shì)和溫度。為了調(diào)節(jié)溫度，本文在爐膛內(nèi)增加電接點(diǎn)裝置，并且放置熱電偶測(cè)試爐內(nèi)的溫度。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

將制作好的試件放進(jìn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)15h，之后在常溫下放置風(fēng)干，時(shí)間為5 天后進(jìn)行加熱。首先，將試件放入高溫電阻爐內(nèi)加熱到試驗(yàn)方法中設(shè)置好的溫度，保持溫度5h，然后分別用自然冷卻和噴水冷卻兩種方法給試件降溫，這樣剛好模擬了現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)被撲滅的兩個(gè)過(guò)程。其次，將用噴水方式冷卻的試件分別放在自然條件和潮濕條件（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室）中靜置到預(yù)先設(shè)計(jì)好的時(shí)間。最后，將試件放在液壓式壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

在本次試驗(yàn)中，混凝土試件的破壞形態(tài)基本為縱向破壞，150 ℃時(shí)混凝土試件的破壞程度與普通情況下的破壞程度基本相同，并且在載荷不斷增大的情況下，試件沒有出現(xiàn)裂縫，但是當(dāng)超過(guò)試件的最大應(yīng)力之后，試件中的斜裂縫在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，承載力也隨之降低，伴隨著輕微的響聲，出現(xiàn)脆性破壞。混凝土試件在350～550 ℃時(shí)，仍然是縱向劈裂破壞，細(xì)微的裂縫在載荷不斷增大的時(shí)候出現(xiàn)，并且一直持續(xù)加大，在超過(guò)材料的最大應(yīng)力之后，開始出現(xiàn)貫通的斜裂縫，承載力降低，試件遭到毀壞。試件在750℃時(shí)，最開始加載就能聽到響聲，載荷不斷增大時(shí)，裂縫逐漸增多，當(dāng)超過(guò)材料的最大應(yīng)力之后，迅速地在試件的內(nèi)部形成貫通的斜裂縫，承載力減小，此時(shí)試件中有明顯的斜裂縫面。

2 高溫下混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能

2.1 原材料

試驗(yàn)用混凝土和鋼筋制成短柱試件，截面尺寸為220mm×220mm，共8根。箍筋的體積配箍率為0.835%，箍筋的彎鉤平直段的長(zhǎng)度為85 mm。試件Z1為對(duì)比試件，不受火，其他試件均是受火后的試件。試件的參數(shù)如表1所示。其中：t為受火時(shí)間；fcu為混凝土材料制成的立方體的抗壓強(qiáng)度；N 為試件受到的軸向壓力；λ 為剪跨比；混凝土材料試件的軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c＝0.88×0.76fcu；Vm為受剪承載力；軸壓比用n表示，n＝N／（fcA），其中A 為混凝土材料試件的柱截面面積；Ea為累計(jì)的滯回耗能。

表1 試件的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the test piece

在試件的柱頂增加2層鋼筋的網(wǎng)片，它們之間的間距為45mm。要預(yù)先留好孔道，以方便試驗(yàn)中吊裝使用以及之后在模擬靜力試驗(yàn)時(shí)在其中插螺栓桿。

2.2 材料性能

混凝土的強(qiáng)度采用C35，每立方米混凝土采用的材料及其用量分別為中砂680kg、卵石1130 kg，水210kg。試件的配合比為R42.5∶水∶磨細(xì)礦渣∶石子（5～30mm）∶砂子∶FDN 減水劑＝314∶210∶314∶680∶1130∶5.5。其中，水和水泥磨細(xì)礦渣的質(zhì)量比及水膠比均為0.33。

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 高溫試驗(yàn)

高溫試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將7個(gè)試件分三批分別放進(jìn)耐火試驗(yàn)爐，第一批是受火時(shí)間為100min的試件Z3、Z7、Z8，第二批是受火時(shí)間為50min的試件Z2、Z5、Z6，第三批是受火試件為150min的試件Z4。升溫時(shí)采用煤氣，爐內(nèi)的升溫方式模擬標(biāo)準(zhǔn)ISO－834的升溫曲線。在到達(dá)預(yù)定好的溫度后，將火熄滅，并自然冷卻至室溫。圖1為火燒試驗(yàn)示意圖。

2.3.2 高溫后的加載試驗(yàn)

試驗(yàn)中的加載裝置采用油壓千斤頂，向柱頂施加縱向載荷。加載采用位移控制，在這個(gè)階段中，每次加載反復(fù)循環(huán)3 次時(shí)，控制位移角為1／90、1／70、1／45、1／30、1／20；每次加載反復(fù)循環(huán)1次時(shí)，控制位移角分別為1／550、1／450、1／350、1／250、1／150、1／100rad。

圖1 火燒試驗(yàn)示意圖Fig.1 Fire test

采用下面的標(biāo)準(zhǔn)判斷試驗(yàn)是否終結(jié)：①在某一個(gè)位移角下的第一次循環(huán)加載中，混凝土試件進(jìn)入下降階段后載荷下降為峰值的88%以下，可以由此判斷，試件已經(jīng)被嚴(yán)重破壞。②在同一個(gè)位移角的不同加載的載荷循環(huán)中，如果在其中的某一個(gè)載荷循環(huán)下，混凝土試件的峰值載荷下降為第一次循環(huán)峰值載荷的88%以下，就認(rèn)為試件在反復(fù)的加載之后性能已經(jīng)不太穩(wěn)定，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該在完成該位移角的加載后停止試驗(yàn)。

2.3.3 測(cè)點(diǎn)布置

將熱電偶均勻布置在距離試件底部截面200 mm 處，如圖2所示，所有試件的熱電偶均采用K型鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（WRN－630 型），長(zhǎng)度為3 m，直徑為3.2mm。

圖2 熱電偶布置位置Fig.2 Thermocouple arrangement position

在模擬靜力加載的試驗(yàn)過(guò)程中，采用位移計(jì)來(lái)確定柱頂之外的位移和柱底位移。采用MTS系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)獲取柱頂處加載力方向的水平位移。

對(duì)于沒有受火的混凝土試件Z1和其他的受火混凝土試件Z2～Z8，應(yīng)變片貼在縱筋和箍筋的位置，如圖3所示。應(yīng)變片采用金屬箔式應(yīng)變片，箍筋和縱筋分別采用2.5mm×3mm 和4.5 mm×5mm 大小的應(yīng)變片。在高溫試驗(yàn)結(jié)束之后，再在混凝土試件的兩側(cè)縱筋的中部開槽（非常小，不會(huì)對(duì)試件造成明顯的損傷），在槽內(nèi)貼上應(yīng)變片，最后用水泥修復(fù)。

圖3 應(yīng)變片的粘貼位置Fig.3 Strain gauge attaching position

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和裂縫

各試件的受火溫度和試件內(nèi)應(yīng)變片測(cè)到的實(shí)際溫度T隨時(shí)間t的變化曲線見圖4，圖中給出了標(biāo)準(zhǔn)ISO 升溫曲線進(jìn)行對(duì)比。為了將不同的混凝土材料試件在同一個(gè)爐內(nèi)測(cè)得的實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，將它們都置于同一個(gè)圖中。從圖4可以看出：①不同的混凝土試件在同一個(gè)爐腔內(nèi)測(cè)得的實(shí)際溫度變化基本沒有什么大的差別，由此可以看出每個(gè)爐腔內(nèi)的溫度較為均勻；②在將火熄滅后的降溫過(guò)程中，混凝土材料試件中心區(qū)域的溫度持續(xù)升高，但是混凝土材料試件接近表面的溫度逐漸降低，這是由于在降溫的時(shí)候，熱量不斷由溫度較高的外部傳遞到溫度比較低的內(nèi)部中心區(qū)域。

圖4 溫度隨時(shí)間變化圖Fig.4 Temperature versus time

混凝土試件開裂的過(guò)程是：在靜力加載的開始階段，試件還處于彈性階段，此階段中并沒有裂縫出現(xiàn)，不斷增加靜力載荷，受火的試件先在背火面一側(cè)出現(xiàn)剪切力裂縫，隨后各個(gè)面不斷出現(xiàn)剪切裂縫；繼續(xù)增加靜力載荷，可以觀察到比較多的剪切裂縫，并且裂縫變長(zhǎng)。圖5為各個(gè)試件的裂縫圖。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)位移角超過(guò)1／50rad時(shí)，試件接近破壞，并呈現(xiàn)出明顯的X 裂縫。

2.4.2 剛度、延展性和承載力

試驗(yàn)中得到的骨架曲線如圖6所示。從試件的骨架曲線中可以看出：①受火時(shí)間不同，試件的軸壓比相同的情況下試件的峰值載荷所引起的變形基本上沒有區(qū)別；②逐漸增大軸壓比，混凝土材料試件峰值載荷所引起的變形逐漸變??；③在軸壓比和受火時(shí)間不斷增加的情況下，混凝土試件在極限值時(shí)的最大變形量減小，并且骨架曲線下滑得更快。

圖5 試件的裂縫圖Fig.5 Specimen cracks

骨架曲線的特征值（承載力Vm、與峰值載荷相應(yīng)的位移Δm、屈服位移Δy、屈服載荷Vy，極限位移Δu、極限載荷Vu和位移延性系數(shù)μ）見表2。其中，位移系數(shù)μ＝Δu／Δy，取峰值載荷的88%作為試件的極限載荷。

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Specimen skeleton curve

由表2可知：①高溫作用后，隨著剪跨比的增大，混凝土試件的受剪承載力不斷減小?；炷猎嚰谑芑?00min之后，相比于剪跨比為1.55的試件Z7來(lái)講，剪跨比為1.95和1.75的Z3和Z8受剪承載力分別減少了5.19%、11.53%。②隨著軸壓比的不斷增大，受火之后的混凝土試件的延性比不斷降低。分析其中的原因可知，軸壓力的增加使得試件的截面的受壓區(qū)域不斷增大，而截面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力減弱。高溫作用前、后的混凝土試件的位移延性系數(shù)都很小，大概的范圍為1.35～1.88。③混凝土試件在受火之后的受剪承載力最開始是隨著軸壓比增大的，但是當(dāng)軸壓比增加到某一個(gè)固定的極限值之后，受剪承載力反而會(huì)降低。其中，軸壓比固定的極限值指的是混凝土試件達(dá)到最大受剪承載力的時(shí)候軸壓比的值。由此可以看到，在高溫作用之后，試件的極限軸壓比與沒有受過(guò)高溫的試件相比有所減小。原因是高溫作用之后，混凝土試件的損壞的區(qū)域要少于受到剪壓的區(qū)域，而高溫后混凝土試件剪壓區(qū)的強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降，在軸壓比相同的情況下，高溫之后混凝土材料在剪壓區(qū)受到的實(shí)際壓應(yīng)力要比沒有受火的時(shí)候大。

表2 試件骨架曲線特征值Table 2 Characteristic value of specimen skeleton curve

3 高溫對(duì)混凝土材料的抗震抗壓作用分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系

混凝土材料的抗壓強(qiáng)度是混凝土的性能指標(biāo)中最常用到的一項(xiàng)，經(jīng)常被用來(lái)評(píng)定混凝土等級(jí)質(zhì)量。在高溫之后，混凝土的抗壓強(qiáng)度仍然占據(jù)了基礎(chǔ)地位。試驗(yàn)中，溫度是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，將混凝土試件冷卻一段時(shí)間后，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高溫時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

利用國(guó)內(nèi)最常見的社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包SPSS對(duì)圖7中的混凝土抗壓強(qiáng)度和靜止時(shí)間以及受火溫度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到下面的計(jì)算公式：

式中：t為時(shí)間；T 為溫度；fc為混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度值。

圖7 抗壓強(qiáng)度和溫度與放置時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship of compressive strength between the storage time and temperature

3.2 高溫與混凝土材料抗震性能的關(guān)系

材料的抗震性能與材料遭到破壞之后的破壞形態(tài)，滯回曲線，骨架曲線，承載力、延性和剛度，耗能能力等有關(guān)。混凝土材料的抗震性能在很大程度上與混凝土的受剪承載力有關(guān)系。在本文中采用式（1）［5］來(lái)計(jì)算高溫作用之后混凝土材料試件的受剪承載力Vm：

式中：h0為試件截面的有效高度；kc為高溫后混凝土截面抗壓強(qiáng)度的均折減系數(shù)值；Asv為箍筋的截面面積；fvy為箍筋的抗拉強(qiáng)度值；N 為與剪力值V 相對(duì)應(yīng)的軸向壓力值，當(dāng)n＞0.3fckcA時(shí)，N＝0.3fckcA，A 為構(gòu)件的截面面積。

與常溫下混凝土材料的受剪承載力計(jì)算式相比，由于考慮到高溫對(duì)箍筋、混凝土的受剪影響，式（1）引入了系數(shù)0.9和kc。

對(duì)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，kc與高溫時(shí)間t以及截面尺寸A 的關(guān)系式近似為：

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（2），吻合結(jié)果很好。剪切破壞的程度越大，混凝土材料的抗震性能越差。式（1）（2）可以用于高溫后混凝土材料受剪承載力的計(jì)算。

4 結(jié) 論

（1）混凝土的抗壓強(qiáng)度與試件的受火溫度有著密切的關(guān)系，隨著試件受火溫度的增高，混凝土材料的強(qiáng)度逐漸降低。在溫度不超過(guò)350 ℃時(shí)，強(qiáng)度減小不大，但是當(dāng)溫度超過(guò)350℃時(shí)，試件的強(qiáng)度下降明顯。

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)度還與試驗(yàn)結(jié)束后的冷卻時(shí)間有關(guān)系。在最初的3天內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度迅速下降，但是時(shí)間延長(zhǎng)之后，混凝土材料的強(qiáng)度反而有所上升，這是工程中很常見的一個(gè)現(xiàn)象。

（3）高溫后的混凝土試件在反復(fù)的加載之后破壞形態(tài)為剪切型的脆性破壞，當(dāng)位移角超過(guò)1／50時(shí)，試件出現(xiàn)明顯的X 裂縫。

（4）提出了混凝土試件在高溫作用后受剪承載力的計(jì)算式，并且將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行了驗(yàn)證。該計(jì)算式具有一定的安全保證率，可供實(shí)際中火災(zāi)后對(duì)混凝土建筑的安全鑒定作為參考。

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