火灾后混凝土的力学性能及研究进展

1. 火灾后混凝土的力学性能及研究进展 孙训韬 06111159 （广州大学土木学院结构06级）

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

3. —）引言 • 火创造了人类文明,推动了社会变革,但是火灾也是当今世界上发生频率最大，损伤最严重的一种灾害,给人类的生命财产安全带来了极大的损失。近年来,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,火灾发生的因素也随之增加,火灾的规模和频率也在日趋扩大。据不完全统计,我国每年发生约20万起火灾,城市建筑物火灾占总火灾的2/3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,1971~2002年的30多年中,全国共发生火灾 217万余起,死亡近10万人,直接经济损失达187亿余元。

4. 目前在我国,钢筋混凝土结构是使用最多也最广泛的一种工程结构,因此,合理评估火灾后钢筋混凝土结构的损伤程度,针对钢筋混凝土结构构件不同的损伤程度,做出合理的损伤诊断,并且提出经济适用而又能满足使用要求的加固方法,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学性能的改变。目前在我国,钢筋混凝土结构是使用最多也最广泛的一种工程结构,因此,合理评估火灾后钢筋混凝土结构的损伤程度,针对钢筋混凝土结构构件不同的损伤程度,做出合理的损伤诊断,并且提出经济适用而又能满足使用要求的加固方法,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学性能的改变。

5. 二）高温后不同类型的混凝土力学性能的简单分析二）高温后不同类型的混凝土力学性能的简单分析 • 1）试验目的 • 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：

6. （1）研究不同温度对高温后混凝土力学性能的影响;（1）研究不同温度对高温后混凝土力学性能的影响; • （2）研究不同恒温时间对高温后混凝土力学性能的影响; • （3）研究不同尺寸对高温后混凝土力学性能的影响; • （4）研究不同冷却方式对高温后混凝土力学性能的影响; • （5）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; • （6）建立高温后普通高性能混凝土单轴受压应力-应变全曲线。

7. 2）以下将通过三组不同强度的混凝土简单分析2）以下将通过三组不同强度的混凝土简单分析

8. （1）试件制作及配比 • 采用C40、C50普通混凝土和C80高性能混凝土,混凝土的配比见表1成型的C40和C50混凝土,边长为15cm的立方体试件各21组,10cm× 10cm× 30cm的棱柱体试件各21组;成型的C80高性能混凝土,边长为10cm的立方体试件30组,边长为15cm的立方体试件13组,10cm× 10cm× 30cm的棱柱体试件13组混凝土试件成型后标准养护7d,此后自然养护90~120d后,在火灾实验室高温实验炉中烧制,

9. 高温试验时测定C40混凝土立方体抗压强度fcu为51.9MPa,C50混凝土立方体抗压强度fcu为55.1MPa,C80混凝土立方体抗压强度fcu为91.2MPa。高温试验时测定C40混凝土立方体抗压强度fcu为51.9MPa,C50混凝土立方体抗压强度fcu为55.1MPa,C80混凝土立方体抗压强度fcu为91.2MPa。 • （2）以下图表是混凝土在不同温度下力学性能的影响

14. （3）通过图表分析高温后混凝土的力学性能 • 随着恒温温度的升高,高温后混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等总体上呈降低趋势,而峰值应变逐渐增加,见图1。其中T为温度,fcu(T)、fe(T)、Ee(T)、ε0(T)分别为经受T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。图中图标意义以51为例说明,其中5表示混凝土强度等级为C50,1表示恒温1 h。图中C40和C50混凝土是边长为15 cm的立方体试块,而C80混凝土是边长为10 cm的立方体试块。

15. 可以看出,对于立方体抗压强度,普通混凝土的力学性能突变的临界温度为400℃,而高性能混凝土的临界温度为600℃;对于棱柱体轴心抗压强度,普通混凝土的临界温度为200℃,而高性能混凝土的临界温度为500℃。可见,高温后高性能混凝土的临界温度出现时间推迟。可以看出,对于立方体抗压强度,普通混凝土的力学性能突变的临界温度为400℃,而高性能混凝土的临界温度为600℃;对于棱柱体轴心抗压强度,普通混凝土的临界温度为200℃,而高性能混凝土的临界温度为500℃。可见,高温后高性能混凝土的临界温度出现时间推迟。

16. 三）高温后及加载过程对混凝土材料损伤的影响三）高温后及加载过程对混凝土材料损伤的影响 • 对高温后的混凝土进行加载的过程,实际上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:一种用模量作指标,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下的损伤进行刻画。混凝土的损伤程度通常可用下式表示 • D=1－E*/E

17. 式中E*为已损伤材料的模量,E为无损状态下混凝土的弹性模量。这里E*取卸载曲线上F=0.2处的点与卸载点之间的割线模量, E为常温下(T=20℃)混凝土的弹性模量。图2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,当遭受的高温超过300℃后,混凝土初始损伤值由300℃时的0.2急剧增至500℃时的0.64, 500℃以后变化幅度又相对平缓些,可300℃是个临界温度。这主要是因为300℃以后,混凝土内部大量化学结合水及吸附水丧失,改变了混凝土内部结构性质。

18. 低于300℃时,随应变增加混凝土的损伤主要来自外荷载,而高于300℃时由高温导致的初始损伤是主要的。这表明低于300℃的混凝土仍具有较好的力学性能,而高于300℃则较差。图3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变化规律。对于相同的应变值,温度高于300℃后累积耗能大幅度降低; 300, 500, 800℃高温后混凝土的总耗能能力分别为完好时的75%, 56%, 30%。超过300℃后混凝土的耗能力主要靠大应变获得。

21. 四）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。以下将分别介绍几种混凝土的研究进展。

22. 1)轻质混凝土 • 轻质混凝土是以天然轻集料(如浮石、凝灰岩等)工业废渣轻集料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等)人造轻集料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等)取代普通集料所制成的混凝土材料,具有轻质保温隔热耐火等优良性能。目前,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了重要进展,CL50-CL60轻质混凝土已在工程中大量使用,轻质结构混凝土的抗压强度最高可达到70MPa。与国外相比,我国轻质混凝土发展和应用相对较晚.

23. 但随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高,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。实验表明轻质混凝土主要在二个因素上影响热工性能：但随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高,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。实验表明轻质混凝土主要在二个因素上影响热工性能： • (1)矿物掺合料对热工性能参数的影响 (2)水分对热工性能参数的影响 与普通混凝土相比,轻质混凝土具有较佳的耐火性能,应用在建筑结构中,可增加耐火时间,提高建筑结构的安全水平,因此,轻质混凝土具有十分广阔的发展前景。

24. 2)高性能混凝土 • 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,而且对高温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:聚丙烯纤维能降低常温下混凝土的抗压强度,提高常温下混凝土的弯折性能,降低高强度混凝土高温后残余抗压强度(约16.5%)。

25. 3）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20世纪70年代初尽管早期ASHTON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。

26. 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。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。

27. 五）结论 • 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,高温作用对混凝土的结构和物理力学性能产生不利的影响,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,其因素较为复杂，对灾后混凝土的评估由于各地建材各异,受灾情况不同,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研究的意义十分重大。

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