火灾后混凝土的力学火灾后混凝土的力学性能及研究进展性能及研究进展

孙训韬 孙训韬 0611115906111159（广州大学土木学院结构（广州大学土木学院结构 0606 级）级）

摘要：本文对不同类型的混摘要：本文对不同类型的混凝土在高温后的力学性能进凝土在高温后的力学性能进行分析。并且对现阶段各种行分析。并且对现阶段各种不同类型的混凝土的抗火性不同类型的混凝土的抗火性能进行初步的分析比较。能进行初步的分析比较。

关键词：混凝土 高温 力学关键词：混凝土 高温 力学性能性能

—— ））引言引言 火创造了人类文明火创造了人类文明 ,, 推动了社会变革推动了社会变革 ,, 但是火灾但是火灾

也是当今世界上发生频率最大，损伤最严重的也是当今世界上发生频率最大，损伤最严重的一种灾害一种灾害 ,, 给人类的生命财产安全带来了极大给人类的生命财产安全带来了极大的损失。近年来的损失。近年来 ,, 随着社会经济的发展，人口随着社会经济的发展，人口的集中，建筑物大规模化以及用途的复合化的集中，建筑物大规模化以及用途的复合化 ,,火灾发生的因素也随之增加火灾发生的因素也随之增加 ,, 火灾的规模和频火灾的规模和频率也在日趋扩大。据不完全统计率也在日趋扩大。据不完全统计 ,, 我国每年发我国每年发生约生约 2020 万起火灾万起火灾 ,, 城市建筑物火灾占总火灾的城市建筑物火灾占总火灾的2/32/3 以上。我国每年由于建筑物火灾造成的人员以上。我国每年由于建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失非常巨大伤亡和财产损失非常巨大 ,1971~2002,1971~2002 年的年的 3030多年中多年中 ,, 全国共发生火灾 全国共发生火灾 217217 万余起万余起 ,, 死亡近死亡近 1100 万人万人 ,, 直接经济损失达直接经济损失达 187187 亿余元。 亿余元。

目前在我国目前在我国 ,, 钢筋混凝土结构是使用最多也钢筋混凝土结构是使用最多也最广泛的一种工程结构最广泛的一种工程结构 ,, 因此因此 ,, 合理评估火合理评估火灾后钢筋混凝土结构的损伤程度灾后钢筋混凝土结构的损伤程度 ,, 针对钢筋针对钢筋混凝土结构构件不同的损伤程度混凝土结构构件不同的损伤程度 ,, 做出合理做出合理的损伤诊断的损伤诊断 ,, 并且提出经济适用而又能满足并且提出经济适用而又能满足使用要求的加固方法使用要求的加固方法 ,, 具有十分重要的现实具有十分重要的现实意义和经济意义。火灾对钢筋和混凝土材料意义和经济意义。火灾对钢筋和混凝土材料性能的劣化作用直接危及到结构的安全性能性能的劣化作用直接危及到结构的安全性能和耐久性能。为了正确评估火灾发生时和火和耐久性能。为了正确评估火灾发生时和火灾发生后混凝土结构的安全性能和耐久性能灾发生后混凝土结构的安全性能和耐久性能 ,,就应该了解高温下以及高温冷却后混凝土力就应该了解高温下以及高温冷却后混凝土力学性能的改变。学性能的改变。

二）二）高温后不同类型的混凝土力学性能的简高温后不同类型的混凝土力学性能的简单分析单分析

11 ）试验目的）试验目的 当今研究人员对高温后不同类型的混凝土的当今研究人员对高温后不同类型的混凝土的

主要实验目的包括以下几种：主要实验目的包括以下几种：

（（ 11 ）研究不同温度对高温后混凝土力学性）研究不同温度对高温后混凝土力学性能的影响能的影响 ;;

（（ 22 ）研究不同恒温时间对高温后混凝土力）研究不同恒温时间对高温后混凝土力学性能的影响学性能的影响 ;;

（（ 33 ）研究不同尺寸对高温后混凝土力学性）研究不同尺寸对高温后混凝土力学性能的影响能的影响 ;;

（（ 44 ）研究不同冷却方式对高温后混凝土力）研究不同冷却方式对高温后混凝土力学性能的影响学性能的影响 ;;

（（ 55 ）研究相同条件下普通混凝土和高性能）研究相同条件下普通混凝土和高性能混凝土高温后力学性能的异同混凝土高温后力学性能的异同 ;;

（（ 66 ）建立高温后普通高性能混凝土单轴受）建立高温后普通高性能混凝土单轴受压应力压应力 -- 应变全曲线。应变全曲线。

22 ））以下将通过三组不同强度的混凝土简单以下将通过三组不同强度的混凝土简单分析分析

硅酸硅酸盐水盐水泥泥

超超细细粉粉UPUPFAFA

硅硅粉粉

中粗中粗河砂河砂

碎石碎石（（ 1~1~2cm)2cm)

水水 膨胀膨胀剂剂

UEAUEA

复合高效复合高效减水剂减水剂 SSPP

C80C80 356356 186186 4646 530530 11201120 145145 3131 88 ．． 0404

C50C50 380380 __ __ 660660 11801180 168168 __ __

C40C40 430430 __ __ 510510 13001300 170170 __ __

（（ 11 ）试件制作及配比）试件制作及配比 采用采用 C40C40 、、 C50C50 普通混凝土和普通混凝土和 C80C80 高性能高性能

混凝土混凝土 ,, 混凝土的配比见表混凝土的配比见表 11 成型的成型的 C40C40 和和C50C50 混凝土混凝土 ,, 边长为边长为 15cm15cm 的立方体试件各的立方体试件各2121 组组 ,10cm× 10cm× 30cm,10cm× 10cm× 30cm 的棱柱体试件的棱柱体试件各各 2121 组组 ;; 成型的成型的 C80C80 高性能混凝土高性能混凝土 ,, 边长为边长为10cm10cm 的立方体试件的立方体试件 3030 组组 ,, 边长为边长为 15cm15cm 的的立方体试件立方体试件 1313 组组 ,10cm× 10cm× 30cm,10cm× 10cm× 30cm的棱柱体试件的棱柱体试件 1313 组混凝土试件成型后标准组混凝土试件成型后标准养护养护 7d,7d, 此后自然养护此后自然养护 90~120d90~120d 后后 ,, 在火灾在火灾实验室高温实验炉中烧制实验室高温实验炉中烧制 , ,

高温试验时测定高温试验时测定 C40C40 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcufcu 为为 51.9MPa,C5051.9MPa,C50 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcufcu 为为 55.1MPa,C8055.1MPa,C80 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcufcu 为为 91.2MPa91.2MPa 。。

（（ 22 ）以下图表是混凝土在不同温度下力学）以下图表是混凝土在不同温度下力学性能的影响性能的影响

（（ 33 ））通过图表分析高温后混凝土的力学性通过图表分析高温后混凝土的力学性能能

随着恒温温度的升高随着恒温温度的升高 ,, 高温后混凝土立方体高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等总体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等总体上呈降低趋势上呈降低趋势 ,, 而峰值应变逐渐增加而峰值应变逐渐增加 ,, 见图见图 11 。。其中其中 TT 为温度为温度 ,f,fcucu(T)(T) 、、 ffee(T)(T) 、、 EEee(T)(T) 、、 εε00

(T)(T) 分别为经受分别为经受 TT 后混凝土的立方体抗压强后混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和峰值应变。度、轴心抗压强度、弹性模量和峰值应变。图中图标意义以图中图标意义以 5151 为例说明为例说明 ,, 其中其中 55 表示混表示混凝土强度等级为凝土强度等级为 C50,1C50,1 表示恒温表示恒温 1 h1 h 。图中。图中C40C40 和和 C50C50 混凝土是边长为混凝土是边长为 15 cm15 cm 的立方的立方体试块体试块 ,, 而而 C80C80 混凝土是边长为混凝土是边长为 10 cm10 cm 的立的立方体试块。 方体试块。

可以看出可以看出 ,, 对于立方体抗压强度对于立方体抗压强度 ,, 普通混凝普通混凝土的力学性能突变的临界温度为土的力学性能突变的临界温度为 400℃,400℃, 而高而高性能混凝土的临界温度为性能混凝土的临界温度为 600℃;600℃; 对于棱柱体对于棱柱体轴心抗压强度轴心抗压强度 ,, 普通混凝土的临界温度为普通混凝土的临界温度为 20200℃,0℃, 而高性能混凝土的临界温度为而高性能混凝土的临界温度为 500℃500℃ 。。可见可见 ,, 高温后高性能混凝土的临界温度出现高温后高性能混凝土的临界温度出现时间推迟。时间推迟。

三）三）高温后及加载过程对混凝土材料损伤的高温后及加载过程对混凝土材料损伤的影响影响

对高温后的混凝土进行加载的过程对高温后的混凝土进行加载的过程 ,, 实际上实际上是有损伤材料的损伤进一步积累发展的过程。是有损伤材料的损伤进一步积累发展的过程。材料损伤的描述一般有两种方法材料损伤的描述一般有两种方法 :: 一种用模一种用模量作指标量作指标 ,, 一种用能量作指标。下面分别利一种用能量作指标。下面分别利用上述两种方法对混凝土在高温和外荷载作用上述两种方法对混凝土在高温和外荷载作用下的损伤进行刻画。混凝土的损伤程度通用下的损伤进行刻画。混凝土的损伤程度通常可用下式表示常可用下式表示

D=1D=1 －－ EE**/E/E

式中式中 E*E* 为已损伤材料的模量为已损伤材料的模量 ,E,E 为无损状态为无损状态下混凝土的弹性模量。这里下混凝土的弹性模量。这里 E*E* 取卸载曲线取卸载曲线上上 F=0.2F=0.2 处的点与卸载点之间的割线模量处的点与卸载点之间的割线模量 , , EE 为常温下为常温下 (T=20℃)(T=20℃) 混凝土的弹性模量。图混凝土的弹性模量。图22 给出了高温后混凝土在外荷载作用下的损给出了高温后混凝土在外荷载作用下的损伤值随应变的变化规律。从图中可以看出伤值随应变的变化规律。从图中可以看出 ,,当遭受的高温超过当遭受的高温超过 300℃300℃ 后后 ,, 混凝土初始损混凝土初始损伤值由伤值由 300℃300℃ 时的时的 0.20.2 急剧增至急剧增至 500℃500℃ 时的时的0.64, 500℃0.64, 500℃ 以后变化幅度又相对平缓些以后变化幅度又相对平缓些 ,, 可可300℃300℃ 是个临界温度。这主要是因为是个临界温度。这主要是因为 300℃300℃以后以后 ,, 混凝土内部大量化学结合水及吸附水混凝土内部大量化学结合水及吸附水丧失丧失 ,, 改变了混凝土内部结构性质。 改变了混凝土内部结构性质。

低于低于 300℃300℃ 时时 ,, 随应变增加混凝土的损伤主随应变增加混凝土的损伤主要来自外荷载要来自外荷载 ,, 而高于而高于 300℃300℃ 时由高温导致时由高温导致的初始损伤是主要的。这表明低于的初始损伤是主要的。这表明低于 300℃300℃ 的的混凝土仍具有较好的力学性能混凝土仍具有较好的力学性能 ,, 而高于而高于 300300℃℃ 则较差。图则较差。图 33 给出了不同温度作用后的试给出了不同温度作用后的试件的单位体积累积耗能随受荷过程中应变的件的单位体积累积耗能随受荷过程中应变的变化规律。对于相同的应变值变化规律。对于相同的应变值 ,, 温度高于温度高于 30300℃0℃ 后累积耗能大幅度降低后累积耗能大幅度降低 ; 300, 500, 800; 300, 500, 800℃℃ 高温后混凝土的总耗能能力分别为完好时高温后混凝土的总耗能能力分别为完好时的的 75%, 56%, 30%75%, 56%, 30% 。超过。超过 300℃300℃ 后混凝土后混凝土的耗能力主要靠大应变获得。的耗能力主要靠大应变获得。

四）四）简单分析混凝土耐火性能研究进展简单分析混凝土耐火性能研究进展

笔者通过调查研究发现目前混凝土耐火研究笔者通过调查研究发现目前混凝土耐火研究主要集中在轻质混凝土，高性能混凝土及预主要集中在轻质混凝土，高性能混凝土及预应力混凝土等几种类型上。以下将分别介绍应力混凝土等几种类型上。以下将分别介绍几种混凝土的研究进展。几种混凝土的研究进展。

1)1) 轻质混凝土轻质混凝土 轻质混凝土是以天然轻集料轻质混凝土是以天然轻集料 (( 如浮石、凝灰如浮石、凝灰

岩等岩等 )) 工业废渣轻集料工业废渣轻集料 (( 如炉渣、粉煤灰陶如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等粒、自燃煤矸石等 )) 人造轻集料人造轻集料 (( 页岩陶粒、页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等粘土陶粒、膨胀珍珠岩等 )) 取代普通集料所取代普通集料所制成的混凝土材料制成的混凝土材料 ,, 具有轻质保温隔热耐火具有轻质保温隔热耐火等优良性能。目前等优良性能。目前 ,, 日本、挪威和美国等发日本、挪威和美国等发达国家对于轻质混凝土的研究和应用都取得达国家对于轻质混凝土的研究和应用都取得了重要进展了重要进展 ,CL50-CL60,CL50-CL60 轻质混凝土已在工轻质混凝土已在工程中大量使用程中大量使用 ,, 轻质结构混凝土的抗压强度轻质结构混凝土的抗压强度最高可达到最高可达到 70MPa70MPa 。与国外相比。与国外相比 ,, 我国轻质我国轻质混凝土发展和应用相对较晚混凝土发展和应用相对较晚 ..

但随着对建筑节能和建筑物功能性要求的但随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高提高 ,, 高强轻质混凝土、轻质结构混凝土在高强轻质混凝土、轻质结构混凝土在我国的研究和应用也得到了迅速发展。实我国的研究和应用也得到了迅速发展。实验表明轻质混凝土主要在二个因素上影响验表明轻质混凝土主要在二个因素上影响热工性能：热工性能：

(1)(1) 矿物掺合料对热工性能参数的影响矿物掺合料对热工性能参数的影响 (2)(2) 水分对热工性能参数的影响水分对热工性能参数的影响 与普通混凝土相比与普通混凝土相比 ,, 轻质混凝土具有较佳轻质混凝土具有较佳

的耐火性能的耐火性能 ,, 应用在建筑结构中应用在建筑结构中 ,, 可增加可增加耐火时间耐火时间 ,, 提高建筑结构的安全水平提高建筑结构的安全水平 ,, 因因此此 ,, 轻质混凝土具有十分广阔的发展前景。轻质混凝土具有十分广阔的发展前景。

2)2) 高性能混凝土高性能混凝土

通过提高强度等级、外掺聚丙烯纤维和外掺通过提高强度等级、外掺聚丙烯纤维和外掺矿渣与硅灰等形成的混凝土称为高性能混凝矿渣与硅灰等形成的混凝土称为高性能混凝土。国内外已经就常温下高性能混凝土的基土。国内外已经就常温下高性能混凝土的基本力学性能进行了较深入研究本力学性能进行了较深入研究 ,, 而且对高温而且对高温后高性能混凝土残余抗压强度也进行了较为后高性能混凝土残余抗压强度也进行了较为全面的试验与分析。已有的研究证明全面的试验与分析。已有的研究证明 :: 聚丙聚丙烯纤维能降低常温下混凝土的抗压强度烯纤维能降低常温下混凝土的抗压强度 ,, 提提高常温下混凝土的弯折性能高常温下混凝土的弯折性能 ,, 降低高强度混降低高强度混凝土高温后残余抗压强度凝土高温后残余抗压强度 (( 约约 16.5%)16.5%) 。。

33 ））预应力混凝土预应力混凝土 预应力混凝土结构以由早期的简单构件发展预应力混凝土结构以由早期的简单构件发展

为现今复杂的空间整体受力结构，以其大跨为现今复杂的空间整体受力结构，以其大跨度、大空间、良好的结构整体性能以及有竞度、大空间、良好的结构整体性能以及有竞争力的综合经济效益，正逐步成为现代建筑争力的综合经济效益，正逐步成为现代建筑结构形式的发展趋势。但是预应力混凝土结结构形式的发展趋势。但是预应力混凝土结构的抗火性能劣于普通钢筋混凝土结构，所构的抗火性能劣于普通钢筋混凝土结构，所以现在对预应力混凝土的抗火性能研究非常以现在对预应力混凝土的抗火性能研究非常有意义。国外预应力构件抗火性能研究晚于有意义。国外预应力构件抗火性能研究晚于钢筋混凝土结构，主要工作始于钢筋混凝土结构，主要工作始于 2020 世纪世纪 7070年代初尽管早期年代初尽管早期 ASHTONASHTON 等人的试验研究认等人的试验研究认为预应力混凝土在火的作用下存在很多问题为预应力混凝土在火的作用下存在很多问题但其后很多学者的试验与研究表明预应力混但其后很多学者的试验与研究表明预应力混凝土构件在火的作用下有较好的工作性能。 凝土构件在火的作用下有较好的工作性能。

国外根据预应力混凝土梁、板等方面的试验国外根据预应力混凝土梁、板等方面的试验研究结果，以对预应力混凝土在火灾作用下研究结果，以对预应力混凝土在火灾作用下的极限承载力及极限耐火时间有了较全面的的极限承载力及极限耐火时间有了较全面的了解。他们认为温度是影响预应力混凝土结了解。他们认为温度是影响预应力混凝土结构蠕变性能的主要因素。要建立合理的分析构蠕变性能的主要因素。要建立合理的分析方法必须考虑混凝土温度蠕变，弹性理论已方法必须考虑混凝土温度蠕变，弹性理论已不在适用。蠕变率的分析方法被认为是预测不在适用。蠕变率的分析方法被认为是预测整个加载阶段结构特性较满意的方法。整个加载阶段结构特性较满意的方法。

五）五）结论结论 随着我国经济的高速发展，建筑火灾带来的经随着我国经济的高速发展，建筑火灾带来的经

济损失也日趋严重。建筑遭受火灾后济损失也日趋严重。建筑遭受火灾后 ,, 高温作高温作用对混凝土的结构和物理力学性能产生不利的用对混凝土的结构和物理力学性能产生不利的影响影响 ,, 其程度随受热时间长短升温速度的快慢、其程度随受热时间长短升温速度的快慢、构件所处位置等不同构件所处位置等不同 ,, 其因素较为复杂，对灾其因素较为复杂，对灾后混凝土的评估由于各地建材各异后混凝土的评估由于各地建材各异 ,, 受灾情况受灾情况不同不同 ,, 目前尚没有一部专门针对火灾类鉴定标目前尚没有一部专门针对火灾类鉴定标准或规范。因此，对火灾后混凝土的力学性能准或规范。因此，对火灾后混凝土的力学性能研究的意义十分重大。研究的意义十分重大。

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