高温作用后混凝土的性能及改善措施宋百姓，柯国军，杨卉 （南华大学城市建设学院，衡阳，421001） 摘要 混凝土在火灾等其他高温条件下其内部结构要发生复杂的物理、化学变化导致其抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学性能发生改变。这些力学性能的改变影响了结构的安全使用。有必要采取措施来提高其高温力学性能，目前国内外常见的方法就是掺加钢纤维、聚丙烯纤维，改变胶凝材料，使用不同的骨料。研究发现采用玻璃骨料也是提高混凝土耐高温性能的一个行之有效的措施，有待于我们去进一步研究。 关键词抗拉强度；抗压强度；弹性模量；钢纤维；聚丙烯纤维；胶凝材料；骨料；废玻璃 0 前言在经济高速发展的21世纪，有大量的混凝土需要长期在高温环境下服役，例如火电厂、热电厂、炼钢厂、蓄热池等，在这些环境下的混凝土由于耐高温性能不理想使其“寿命”大大缩短，加大了混凝土性能的失效造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此研究作为主要结构材料的混凝土的高温性能就显得非常有必要，这也将给社会带来很大的经济效益和环境效益，有利于社会的可持续发展。 本文主要介绍高温后混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量的变化及其机理，并且介绍了改善混凝土高温后性能的措施。 1 力学性能1.1 抗压强度混凝土的抗压强度是其力学性能中最重要、最基本的一项,常作为基本参量确定混凝土的等级质量，并决定其它力学性能,如抗拉强度、弹性模量和峰值应变等。高温后,抗压强度高低对于结构的承载力及安全使用同样起着很重要的作用。 对于高温后混凝土的抗压强度变化，从普通混凝土到高性能混凝土及轻骨料混凝土，国内外已有很多学者做了大量的研究[1-3]，在这些学者的研究中可以得出一个比较一致的结论：400°C后强度开始剧烈下降，残余强度随着温度的升高逐渐降低。但是从常温到400°C这个温度区间混凝土的强度变化比较复杂，也由于这些学者的实验条件、材料条件等目前并没有达成一致的观点，在侯高峰，韦军[4]的研究中在这个温度区间内混凝土的残余强度随着温度的升高呈下降的趋势，但是在曹万智[5]等的研究中由普通硅酸盐水泥配制的混凝土在在这个区间内的残余强度却比常温时的强度高。文献[4]采用32.5的复合硅酸盐水泥，粒径为5～30mm的石灰岩粗骨料配制了强度等级为C25的混凝土试块，并测定了高温后的残余强度。其结果如表1和图1所示。 表1 高温作用后不同冷却方式的残余强度
注：表中数值为三个试件的平均强度，Z-代表自然冷却，S-代表浇水冷却。
从表1和图1中我们看到抗压强度损失率随着温度的升高逐渐增大，在200°C内强度损失不大，从300°C开始强度损失就比较严重了，特别是600℃后强度剧烈降低。我们可以预测800°C甚至更高的温度时混凝土试块的残余强度将会很小。其原因是：在200°C内主要是试块内的自由水受热蒸发，由于空隙中水分的蒸发形成应力集中，使其抗压强度降低了。而超过300°C混凝土C-S-H凝胶体中的层间水和化学结合水开始蒸发破坏了水泥石完整的结构开始出现细微的裂缝，导致了抗压强度的显著下降。谢狄敏，钱在兹[6]指出300～600°C混凝土强度的损失是物理结构破坏的结果，而600°C之后强度的损失是水泥石胶凝体化学分解为CaO使混凝土的结构松散所致。在图中我们还可以清晰的看到强度损失率还和试块的冷却方式有关，在500°C之前浇水冷却的强度损失要大于自然冷却，而500°C之后自然冷却的强度损失要大于浇水冷却。但是对于冷却方式对混凝土参与性能的影响规律很多学者持有与本组数据不同的观点：如徐志胜[3]等认为在任意高温下喷水冷却的强度损失都要比自然冷却严重。 混凝土的强度损失还和混凝土的强度等级、胶凝材料、骨料种类、构件的尺寸等因素有关。在文献[4]中指出混凝土的强度损失随强度的增大而增大。文献[6]指出尺寸小的构件受温度影响较大。文献[5]指出在300～700°C的高温环境下，由陶粒作为出骨料配制的混凝土的高温力学力能优于碎石骨料的混凝土，且700°C后高铝水泥作为胶凝材料的混凝土的耐高温性能也好于由普通硅酸盐配制的混凝土。 对于高温作用后混凝土的强度变化规律国内外还有不少学者提出了其强度计算公式。如文献[6]提出了混凝土高温作用后的折线计算公式如下： 20°C≤T≤300°C fcu,T=(1.000-0.00063T)fcu （1） 300°C≤T≤850°C fcu,T=(1.2534-0.001475T)fcu （2） T＞850°C fcu,T=0 (3) T——作用最高温度，°C； fcu——标准立方体抗压强度； fcu,T——高温后的立方体抗压强度。 李卫，过镇海[7]给出的高温下混凝土强度与温度的回归关系方程: fcu,T=fcu/[1+2.4(T-20)6×10-17] (4) 1.2 抗拉强度在进行钢筋混凝土受弯构件的设计时，计算构件受弯承载力的计算假定中只考虑混凝土的抗压强度而忽略其抗拉强度，有些人可能会误以为抗拉强度的大小对构件没有任何的影响。但是我们总是注意到适筋混凝土构件总是首先在受拉区产生微裂缝最后导致整个构件的破坏，对于某些构件来说受拉区的裂缝虽然不会最终决定其承载力，但是裂缝的存在影响了构件的正常使用，影响构件的耐久性。因此抗拉强度也是保证混凝土构件正常使用的关键，特别是对于拉应力起控制作用的预应力构件。抗拉强度的变化规律和抗压强度的变化规律有很大的不同，抗压强度在300°C内降低不多，但是抗拉强度即使是在300°C内也剧烈下降。其原因是高温作用后在混凝土中产生了大量的微裂缝，降低了截面的受力面积，使其抗拉强度剧烈降低。在常温下混凝土的抗压强度和抗拉强度的比值是一个固定的值，但是在高温下其比值就会随着温度的改变而改变。钱在兹，谢狄敏，金贤玉[8]的劈拉强度值也证明了这一点。其实验结果如表2所示。 表2 混凝土的拉压强度
从表2中可以看出，混凝土的拉压比随着温度的升高逐渐减低，抗压强度明显的要比抗压强度的劣化快。 国内外对抗拉强度的变化机理的研究已经比较成熟，并且由实验数据得出了一些强度计算公式。在文献[6]中就提出了折线型的残余抗拉强度的计算式： 20°C≤T≤300°C ftT=(1.0-0.001731T)ft （5） 300°C≤T≤700°C ftT=(0.66-0.0008T)ft （6） T——作用温度，°C； ft——常温的立方体劈拉强度，100mm×100mm×100mm； ftT——高温后的劈拉强度。 1.3 弹性模量弹性模量也是混凝土的一项重要的力学指标，弹性模量大的混凝土构件其刚度大，延性好。对构件的变形起着重要的控制作用，因此有必要研究高温后混凝土的弹性模量的变化规律。Sedar Aydm[9]指出高温对弹性模量的退化影响要比对抗折强度和抗压强度的影响大。根据他的实验数据绘制普通混凝土弹性模量随温度变化的曲线并进行线性拟合如图2所示。 图中折线为弹性模量残余率随温度变化曲线，直线为线性拟合曲线。从图中可以看到在高温作用下混凝土的弹性模量剧烈下降，在900℃时弹性模量很小甚至可以忽略不计。谢狄敏，钱在兹[6]在实验后绘制了不同温度下的应力-应变曲线发现曲线渐趋扁平，峰值应变不断增大，也说明了弹性模量随温度升高而逐渐降低，延性变差。拟合结果如下式： 0°C≦T≦900°C E'=-0.094T+101.1 （7） E'——高温作用后的弹性模量残余率，%； T——作用温度，°C。 关于高温作用后混凝土的弹性模量朱伯龙[10]等定义0.4 fcT处的割线模量为混凝土的弹性模量，并提出了ETc计算式如下： 0＜T≦200°C ETc=(1-0.0015T)Ec （8） 200°C＜T≦ 700°C ETc=(0.87-0.00082T)Ec （9） 700°C＜T≤800°C 0.28Ec （10） 2 提高混凝土耐高温性能的措施2.1加入纤维目前国内外比较常用的方法就是掺加钢纤维或者聚丙烯纤维或者是二者的混合纤维。有研究表明加入钢纤维在一定程度上对高性能混凝土高温下力学性能的劣化有缓和作用[11]。其作用的机理是钢纤维具有桥接和阻裂作用,能够限制混凝土在温度急剧变化和高温的环境下产生的体积变化,减轻混凝土内部微缺陷的引发和扩展. 有研究表明[12,13]掺入钢纤维的混凝土若暴露于高温条件下将表现出较好的性能。还有试验研究表明[14]，在普强高性能混凝土中加入聚丙烯纤维可以，可以有效地防止普强高性能混凝土高温爆裂的发生，提高残余断裂能。对于混凝土的爆裂机理目前主要有两种说法：一、温度应力机理，即在高温的作用下混凝土内外产生温度梯度导致混凝土内产生巨大的温度应力最终使混凝土爆裂。二、蒸汽压机理，即密实的硬化水泥浆在在高温下阻止了水蒸气的逸出，从而在混凝土的孔隙中产生巨大的蒸汽压力，当这个压力值达到一定的数值时混凝土就会发生高温爆裂。孙伟，罗欣[11]认为温度应力并不是混凝土高温爆裂的主要原因，而蒸汽压力才是主要原因。对于聚丙烯纤维提高混凝土抗爆裂性能的解释是：聚丙烯的熔点在160℃左右,在350℃聚丙烯纤维开始蒸发,当掺入聚丙烯纤维的混凝土升温时,聚丙烯纤维在达到熔点时开始熔化,聚丙烯纤维蒸发的过程中在致密的高性能混凝土内部产生了大量的毛细孔,形成可以让水蒸汽转移的通道,使得蒸汽压达不到临界蒸汽压值，避免了爆裂的发生。这在一定程度上也支持了孙伟，罗欣的说法。虽然大量的研究已经证实了聚丙烯纤维能有效的防止混凝土高温爆裂，但是在提高高温后的力学性能方面并不理想，同济大学的肖建庄[15]在实验中还发现常温时掺加了聚丙烯纤维的混凝土抗压强度要低于素混凝土。孙伟，罗欣和朋改非[14]等的实验证明高温后掺有聚丙烯纤维的混凝土残余抗压和抗拉强度和素混凝土相比差异很小。在混凝土中掺加钢纤维和聚丙烯纤维的混杂纤维，聚丙烯纤维的量合适时既能提高混凝土的爆裂性能又能提高高温后的力学性能[16]。 2.2 改变胶凝材料的组成成分由于当温度上升到一定的程度时混凝土内部的硅酸钙凝胶体会发生分解，我们是否可以从改变混凝土的胶凝材料的组成上来提高混凝土的高温性能。已有试验表明[17],混凝土中加入粉煤灰,可以减少混凝土的表面裂纹。Dias认为10%的粉煤灰掺量即可消除经受600℃高温冷却后的混凝土表面裂纹,通过切开混凝土以检查内部受损的裂纹形式,发现对于粉煤灰的使用,采用低水灰比会减少混凝土高温后的裂纹。不仅如此,掺入粉煤灰,还会提高混凝土受热后的残余强度,Nasser KW对粉煤灰含量达15%的C25混凝土在21～232℃下的性能作了6个月的测试,发现粉煤灰混凝土当温度在121～149℃时强度有所增长,可达152%;受热温度在250℃时,强度也有所增加。曹万智[5]等利用高铝水泥和普通硅酸盐水泥配制了两种混凝土除了胶凝材料的种类不同，其余的材料都一样，并测试了其不同温度下的强度，其结果如表3所示。 表3 不同胶凝材料和骨料的混凝土抗压强度
注：QP1-表示普通硅酸盐水泥混凝土，QG1-表示高铝水泥混凝土 表3的数据表明在700°C之前普通硅酸盐水泥比高铝水泥的混凝土强度参与率高，但是700°C之后就正好相反了。因此700°C之前应优先选用普通硅酸盐水泥，700°C之后就优先选用高铝水泥。 2.3 使用不同种类的骨料混凝土是由胶凝材料、水及骨料组成的，混凝土中最常用的骨料是碎石和卵石，它们的主要成分是CaCO3，当混凝土达到一定的温度时骨料就会分解产生CaO 和CO2 ,CO2压力的增加和逸出,会导致混凝土内部开裂。由此，如果能找到比砂石稳定性好的骨料就可以改善混凝土的耐高温性能。国内也有一些学者研究了骨料品种对混凝土高温性能的影响，曹万智，孙庆霞，周茗如，杨永恒[5]的实验研究表明在1000 ℃以上时应选用耐火骨料如碎黏土砖、碎高铝砖、碎镁砖及镁砂等，可使混凝土的最高使用温度达1600 ℃以上。万惠文,钟祥凰[18]等的实验研究表明采用玻璃渣作骨料的混凝在高温下的力学性能明显好于采用普通砂石作骨料的混凝土。从玻璃制品的生产工艺中知道玻璃制品是经过高温熔融处理后而成型的其主要成分是SiO2 ,性质稳定。因此,用废弃玻璃渣作混凝土的粗骨料,在高温下没有烧失量,也不会发生分解,其高温稳定性要比碎石作混凝土的骨料好得多。而且玻璃没有固定的熔点，在600°C左右就会软化，可以减小混凝土内部的蒸汽压力，降低混凝土爆裂性。目前国内外对玻璃混凝土高温性的研究还很少，是一个值得我们去探索的领域。要是能将大量的废玻璃用作混凝土的骨料不仅可以减少大量的城市固体垃圾，而且还会对发展绿色环保型建筑起到重要的推动作用。 3 结论综上所述我们可以得到以下结论 （1）常温至400°C之间混凝土的强度变化比较复杂，而400°C之后混凝土的强度剧烈下降。 （2）强度等级、骨料种类、胶凝材料以及冷却方式都将影响混凝土高温后的参与强度。 （3）在高温作用下混凝土的抗拉强度剧烈降低，下降的幅度要大于抗压强度。 （4）加入钢纤维在一定程度上对高性能混凝土高温下力学性能的劣化有缓和作用，加入聚丙烯纤维能够改善混凝土的抗爆裂性能，对高温后的残余强度影响较小。 （5）在混凝土中掺加混杂纤维能够，其中聚丙烯纤维的量合适的情况下可以有效改善混凝土的高温抗爆裂性能和高温后的力学性能。 （6）弹性模量残余率随温度变化的线性拟合式为 (7)采用废玻璃渣骨料的混凝土高温力学性能较好，在特殊的环境下采用废玻璃骨料混凝土可以降低生产成本，有利于环保。
参考文献 [1] Sammy Yin Nin Chan,Xin Luo, Wei Sun.Effectof high t emperature and cooling regimeson the compressive strength and pore propertiesof highperformance concrete[J]. In:Construction and Building Materials,2000,14:261～266 [2] MetinHusem .Theeffects of high temperature on compressive and flexural strengthsof ordinary andhigh-performance concrete[J].In Fire SafetyJournal,2006,41:155～163 [3] 徐彧，徐志胜.高温作用后混凝土强度试验研究[J].混凝土，2000,02:44～45+54 [4] 侯高峰，韦军.高温后不同强度等级混凝土力学性能的试验研究[J].工程质量，2010,03:68～70 [5] 曹万智，孙庆霞，周茗茹等.胶凝材料与骨料品种对混凝土耐高温性能的影响规律研究[J].新型建筑材料，2009,03:17～20 [6] 谢狄敏，钱在兹.高温（明火）作用后混凝土强度与变形试验研究[J].工程力学增刊，1996,05:54～58 [7] 李卫，过镇海.高温下砼的强度和变形性能试验研究[J].建筑结构学报，1993,01:8～16 [8] 谢狄敏，钱在兹，金贤玉.混凝土受明火高温作用后的抗拉强度和粘结强度的试验研究[J]. 工程力学增刊，1997,02：01～05 [9] SerdarAyd?n , Halit Yaz?c?, Bulent Baradan .High temperature resistance of normal strengthand autoclavedhigh strength mortars incorporated polypropylene and steel fibers[J]. In:Construction and Building Materials,2008,12:504～518 [10] 朱伯龙,陆洲导,胡克旭. 高温(火灾) 下混凝土与钢筋的本构关系. 四川建筑科学研究. 1990，01:37～43 [11] 孙伟，罗欣.高性能混凝土的高温性能研究[J].建筑材料学报，2000,01,：34～39 [12] Lie T T ,Kodur V K R. Thermal and mechanical properties of steel2fiber2reinforced concrete atelevated temperatures[J ] . In:CanadianJournal of Civil Engineering ,1996 ,23(2) :511～517. [13] Schneider UProperties of materialsat high temperatures concrete[M].In:Kassel :RIL EM ,1985. [14] 朋改非，郝挺宇，李保华等.普通强度高性能混凝土的高温性能试验研究[J].工业建筑，2010,11:273～1 [15] 肖建庄，任红梅，王平.高性能混凝土高温后残余抗折强度研究[J].同济大学学报（自然科学版），2006,05:580～585 [16] 潘慧敏,贺丽娟.混杂纤维混凝土耐高温性能试验研究[J].铁道建筑，2009,10:110～112 [17] 梁 磊 ,赵 文, 李 艺等.提高混凝土高温性能措施的研究[J].粉煤灰综合利用，2008,05:50～52 [18] 万惠文,钟祥凰.利用玻璃渣做耐高温混凝土骨料的试验研究[J]，武汉理工大学学报，2008，02:37～40
作者简介：宋百姓（1987—），男，江西赣州人，研究方向：高性能混凝土。 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
