王宇濤，劉殿書(shū)，李勝林，馮亞飛

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中核西北建設(shè)集團(tuán)有限公司，西安 710054）

在諸多建筑中混凝土結(jié)構(gòu)使用最廣，其所能承受的耐火時(shí)間遠(yuǎn)超鋼、木結(jié)構(gòu)，火災(zāi)發(fā)生后混凝土結(jié)構(gòu)倒塌事故并不多；但每次火災(zāi)均會(huì)存在殘留的受火構(gòu)件及整個(gè)建筑物的損傷鑒定問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)經(jīng)歷高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命、可維修性評(píng)估大多建立在準(zhǔn)靜態(tài)性能研究基礎(chǔ)上［1－3］。而混凝土材料在實(shí)際使用中會(huì)承受靜、動(dòng)荷載作用，且動(dòng)荷載作用下混凝土材料變形更嚴(yán)重。因此，結(jié)合靜、動(dòng)載條件綜合評(píng)判高溫后混凝土的力學(xué)性能對(duì)合理評(píng)估火災(zāi)后建筑材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的損傷程度［4］，針對(duì)不同構(gòu)件、不同損傷程度提出經(jīng)濟(jì)適用且能滿足結(jié)構(gòu)使用要求的加固方法，具有較大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

1 混凝土試件高溫加熱技術(shù)及試驗(yàn)

1.1 混凝土試件高溫加熱技術(shù)

試驗(yàn)采用龍口電爐廠的陶瓷纖維電阻爐見(jiàn)圖1，額定溫度1300℃。試驗(yàn)溫度控制器溫度設(shè)定稍高于指定溫度，見(jiàn)圖2。設(shè)定溫度待爐膛內(nèi)預(yù)熱后放入混凝土試件，持續(xù)加熱2.5 h，用紅外線測(cè)溫槍測(cè)量高溫后的試件溫度，測(cè)溫范圍－50℃～950℃。高溫后試件自然冷卻。

圖1 實(shí)驗(yàn)用電阻爐Fig.1 Experimental resistance furnace

圖2 溫度控制儀Fig.2 Temperature control device

圖3 混凝土試件Fig.3 Concrete specimens

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 混凝土試件制備

為使研究結(jié)果更全面系統(tǒng)，用 C30、C50兩種混凝土試件。試件尺寸100 mm×100 mm×300 mm。在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）土木實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度 20±3℃，濕度 95%以上）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后經(jīng)切割、取芯、打磨制成直徑75 mm，高55 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體［5］，見(jiàn)圖3。為滿足試件受力的“均勻性”假定，試件兩端精密打磨，不平整度控制在0.02 mm以內(nèi)。

1.2.2 靜態(tài)試驗(yàn)方案

為精確說(shuō)明常溫～300℃高溫間混凝土材料靜態(tài)加載的變化規(guī)律，利用100℃、200℃、400℃3個(gè)溫度控制點(diǎn)及500℃、700℃、900℃計(jì)8個(gè)不同溫度統(tǒng)一經(jīng)室溫冷卻至20℃（本文所有試驗(yàn)條件均在冷卻至室溫20℃下進(jìn)行）。同種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件在相同高溫冷卻后各進(jìn)行3次試驗(yàn)（C30、C50混凝土試件各24塊）以增加試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，且重復(fù)性較好。

利用壓力試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量高溫前后混凝土試件，獲得不同溫度冷卻后混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量的變化曲線。用RSMSY5測(cè)定高溫前后混凝土試件的縱波波速，計(jì)算其高溫后損傷［6］，即

式中：v為常溫狀態(tài)下混凝土試件的縱波波速；v′為某高溫后混凝土試件縱波波速。

1.2.3 SHPB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)方案

為系統(tǒng)討論高溫后不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在相同試驗(yàn)條件下的溫度效應(yīng)，利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）Φ75 mm SHPB鋼桿系統(tǒng)（子彈長(zhǎng)L＝400 mm）對(duì)C30、C50兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件在5組不同溫度后（常溫、300℃、500℃、700℃、900℃）經(jīng)室溫自然冷卻至20℃進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)。每種條件4個(gè)試件。試驗(yàn)結(jié)果取平均值，結(jié)果重復(fù)性較好。

2 高溫后混凝土靜態(tài)試驗(yàn)及分析

2.1 高溫前后混凝土靜壓試驗(yàn)及分析

對(duì)高溫前后混凝土試件 C30以 0.3～0.5 MPa／s、C50以0.5～0.8 MPa／s速度進(jìn)行加載試驗(yàn)［7］。試件接近破壞開(kāi)始急劇變形時(shí)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門直至破壞，記錄破壞荷載F（N）。獲得不同溫度作用的兩種混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線，見(jiàn)圖4。由圖4看出，兩種混凝土高溫后強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致：常溫～400℃，靜態(tài)強(qiáng)度急速降低；400℃后兩參數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)趨于平緩；到達(dá)700℃時(shí)又急劇下降，直到900℃材料幾乎喪失強(qiáng)度。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度－溫度曲線Fig.4 Compressive strengthtemperature curve

2.2 高溫后混凝土靜力學(xué)參數(shù)變化及損傷測(cè)定

混凝土試件縱波波速用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的RSM－SY5型聲波儀及配套縱波換能器測(cè)量，獲得C30及C50混凝土試件高溫后波形。以C30常溫結(jié)果為例，見(jiàn)圖5。

圖5 C30常溫下縱波波速（Vp＝3 438 m／s）Fig.5 Longitudinal wave velocity of C30 at room temperature（Vp＝3 438 m／s）

每種溫度試驗(yàn)4試件、每試件測(cè)量3次求平均值，所求4試件的平均值即為該混凝土試件波速測(cè)試值，見(jiàn)表1。

表1 高溫后混凝土參數(shù)變化Tab.1 Parameters of concrete after high temperature

由數(shù)據(jù)所得混凝土試件高溫后參數(shù)隨溫度變化曲線見(jiàn)圖6、圖7。按式（1）計(jì)算獲得高溫后混凝土損傷量D隨溫度變化曲線見(jiàn)圖8。由圖6、圖7看出，無(wú)論C30或C50混凝土，其整體變化基本一致，縱波波速值與彈性模量均隨溫度變化不同程度減小，常溫～400℃兩參數(shù)急速降低；400℃后兩參數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)趨于平緩，700℃時(shí)又急劇下降，直到900℃材料幾乎喪失強(qiáng)度。由圖8看出，常溫～400℃損傷程度直線上升，400℃后溫度對(duì)材料的損失影響趨于平緩，700℃時(shí)又急劇上升，直到900℃，材料近乎完全損壞，與圖4結(jié)果基本相互印證。

圖6 混凝土縱波波速－溫度曲線Fig.6 Longitudinal wave velocitytemperature curve

圖7 混凝土彈性模量－溫度曲線Fig.7 Elastic modulustemperature curve

圖8 混凝土損傷－溫度曲線Fig.8 Damagetemperature curve

3 高溫后混凝土動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)及分析

3.1 高溫后混凝土實(shí)測(cè)波形曲線及破壞分析

試驗(yàn)用子彈長(zhǎng)度400 mm，以C50混凝土在不同溫度、速度基本相同的波形圖為例，見(jiàn)圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明，入射波形狀較穩(wěn)定，近似矩形，與一維彈性應(yīng)力波理論較一致［8－9］。反射波、透射波形狀亦較穩(wěn)定，波形衰減顯著，表現(xiàn)出混凝土材料的脆性，波形形狀與混凝土試件破壞程度密切相關(guān)，見(jiàn)圖10。由圖9、圖10看出，速度變化不大、溫度越高試件的破壞程度越嚴(yán)重，說(shuō)明溫度對(duì)試件造成的損傷較嚴(yán)重。

圖9 C50不同溫度、同速度實(shí)測(cè)波形Fig.9 The waveform diagram of C50 under different temperature and same speed

圖10 圖9波形對(duì)應(yīng)試件破壞形態(tài)Fig.10 The concrete damage diagram to figure 9

3.2 高溫后混凝土動(dòng)力學(xué)性能分析

將SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)所得應(yīng)變通過(guò)“三波”公式處理后［10］獲得高溫后應(yīng)力應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖11、圖12。由兩圖看出，① 溫度升高混凝土強(qiáng)度降低，峰值應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力－應(yīng)變曲線越平緩。在初始上升段后隨應(yīng)變的增加應(yīng)力上升增加速率明顯減慢，且出現(xiàn)塑性強(qiáng)化現(xiàn)象，溫度越高此現(xiàn)象越明顯；700℃時(shí)后半段塑性流動(dòng)段已變長(zhǎng)。說(shuō)明混凝土受高溫影響后出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象且溫度越高越明顯。表明混凝土受高溫影響后在壓縮荷載作用下其韌性越好。② C30、C50混凝土試件在4組溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線較相似。應(yīng)力應(yīng)變曲線隨溫度的變化規(guī)律與高溫冷卻后所測(cè)縱波波速、損傷、彈性模量變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

3.3 混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、應(yīng)變的溫度效應(yīng)

試驗(yàn)所得兩種強(qiáng)度混凝土平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)力隨溫度的變化曲線見(jiàn)圖13、圖14。由兩圖看出，①C30、C50混凝土峰值應(yīng)力與平均應(yīng)變率均具有溫度敏感性，峰值應(yīng)力隨溫度的不斷升高出現(xiàn)不同程度降低，平均應(yīng)變率則整體呈不斷上升趨勢(shì)。300℃以內(nèi)峰值應(yīng)力平穩(wěn)下降，在300℃～500℃區(qū)間峰值應(yīng)力急速下降，500℃后趨于平穩(wěn)。而300℃以內(nèi)C30平均應(yīng)變率有一小下降趨勢(shì)，在300℃～500℃區(qū)間平均應(yīng)變率有一急速上升過(guò)程，500℃后C50仍急速上升。② 高強(qiáng)度等級(jí)混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力總體高于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土破壞強(qiáng)度值，即隨強(qiáng)度等級(jí)的增加混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增加。

圖11 C30混凝土高溫后的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.11 C30 stress strain curve after different high temperature

圖12 C50混凝土高溫后應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.12 C50 stress strain curve after different high temperature

圖13 平均應(yīng)變率隨溫度變化曲線Fig.13 The average strain ratetemperature curve

圖14 峰值應(yīng)力隨溫度變化曲線Fig.14 The peak stresstemperature curve

圖15 高溫后C30及C50混凝土靜、動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.15The static and dynamic failure strength curve of C30 and C50 concrete after high temperature

3.4 高溫后混凝土靜、動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度比較

C30、C50經(jīng)不同溫度作用及室溫冷卻后靜、動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度隨溫度變化曲線見(jiàn)圖15。由圖15看出，①混凝土動(dòng)、靜態(tài)強(qiáng)度均具有溫度敏感性，隨溫度升高有所降低，但總體降低程度有差別，即靜態(tài)抗壓強(qiáng)度降低平緩而動(dòng)態(tài)強(qiáng)度溫度敏感性更高。② 無(wú)論C30或C50，高溫后其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均高于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。溫度達(dá)700℃時(shí)無(wú)論靜態(tài)或動(dòng)態(tài)作用下混凝土均被破壞，失去強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種混凝土C30、C50經(jīng)不同溫度作用、室溫冷卻至20℃后分別進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）隨溫度升高冷卻后的混凝土靜態(tài)強(qiáng)度逐漸下降。由抗壓強(qiáng)度及溫度變化曲線可知，混凝土材料強(qiáng)度隨溫度變化有兩明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即400℃及700℃處。

（2）或C30或C50混凝土的縱波波速值與彈性模量均隨溫度變化不同程度減小，常溫～400℃兩參數(shù)急速降低；400℃后則趨于平緩；到700℃時(shí)又急劇下降，直到900℃材料近乎失去強(qiáng)度。

（3）經(jīng)不同高溫冷卻后混凝土動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度不斷降低，峰值應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力－應(yīng)變曲線越平緩，出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象且溫度越高越明顯。

（4）經(jīng)不同高溫冷卻后混凝土動(dòng)、靜態(tài)強(qiáng)度均具有溫度敏感性，隨溫度升高敏感性有所降低，降低程度有差別。高溫后混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均高于靜態(tài)，直至混凝土經(jīng)歷高溫失去強(qiáng)度時(shí)二者趨同。

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