摘要：混凝土在建筑工程中已经得到广泛的应用。混凝土结构在高温作用后会受到不同程度的破坏，危及结构的安全性和耐久性。本文分析了混凝土材料在不同受热温度、受热时间和加载速率等条件下的力学性能的变化情况。阐明了高温作用后混凝土力学性能与温度、受热时间及应变率等因素之间的关系。这些研究对开展高温时混凝土建筑结构进行合理的抗爆、抗撞击设计和安全评估工作具有十分重要的作用。
关键词：混凝土；高温；应变率；力学性能
0引言
混凝土结构主要用于承受压力，其抗压强度是最基本和最重要的一项力学性能[1-2]。水泥强度、混凝土的配合比、养护方式及龄期甚至包括加载方式、速率在内等许多因素都会对混凝土的抗压强度造成影响[3]。余志武，资伟等[4]对混凝土立方体试块进行了抗压性能与受热温度和受热时间关系的相关实验研究后，指出温度是高温后混凝土抗压强度发生变化的主要原因，同时受热时间也是不可忽略的一个因素。动载荷作用下，混凝土的力学性能与静态下较为不同。早期，美国采用应变率，欧洲采用加载率进行衡量，目前国内外大多采用应变率来反映混凝土动态力学行为的变化规律。胡时胜等[5]利用改进的Hopkinson压杆对混凝土材料进行了冲击压缩实验，应变率约为10/s～85/s，得到了混凝土材料不仅具有敏感的应变率效应，还具有明显的损伤软化效应。因此，确定混凝土材料在高温条件作用下的各种力学性能变化，对于高温作用下的混凝土建筑结构进行结构设计和安全评估具有十分重要作用，开展这方面的工作具有十分重要的意义[5]。
1试验概况
1.1试验方案
对标准养护龄期为28d的普通混凝土，采用箱式电阻炉进行高温试验，试验所采用升温方法是在高温炉内将制作养护完好的试块以10℃/min的速度升温至100℃、300℃、500℃、700℃，再分别保温0h、1h、2h、3h。试块经过高温处理后采用自然冷却的方式冷却至室温，静置1d后，采用微机控制电液伺服万能试验机对试块进行多个量级的应变速率动态压缩试验，应变速率分别为10-3/s、10-4/s、10-5/s。每种条件下加载试件3个，取平均值。并采集轴向的位移值和荷载。
1.2试验原料
材料选用海螺牌P·OⅡ42.5级普通硅酸盐水泥；选用天然河砂为细骨料，粗骨料为最大粒径不超过20mm的碎石。
1.3配合比设计
试验设计的混凝土强度等级为C30，试件为100mm尺寸的立方体，按表观密度法进行配合比设计，经过计算所得的单位体积配合比为：水泥390kg、水195kg、砂子635kg、石子1180kg。该配合比配置出来的混凝土和易性良好，强度满足设计要求。
2试验结果
2.1试验现象
混凝土不同高温作用后的表面特征：在试验中观察到，混凝土从室温加热至700℃高温使得物理状态逐渐发生了改变。混凝土试块经历不同高温作用后，其颜色和表面发生不同变化，如图1，受热温度和时间不同，这些外观现象也会产生差异[6]。
受热温度为100℃时，试块颜色、表面状与常温作用下基本相同，受热时间的长短对试块外观几乎无影响。温度为300℃时，试块外观保持完整，外表颜色为略白色，表面出现极少微裂缝，受热时间的延长对外观的影响不显著。500℃时，试块表面颜色变浅，出现细小裂缝，此温度下随受热时间的延长，外观变化明显，裂缝逐渐加宽，且出现少量掉皮及个别缺角现象。受热温度达到700℃时，试块表面的颜色变为灰白色，出现大量裂缝，继续加热，裂缝加宽加深，试块大量掉皮，加热3h后，试块各角均缺失，见图2。
2.1应力-应变曲线
应力-应变曲线全面反映了混凝土的力学性能：抗压强度即为曲线峰值点的应力值、峰值应变为相应的应变、曲线的斜率为其变形模量等等[7]。本试验共进行了4组试验以及1组对照试验，下面列举受热3h情况下各个温度的混凝土受压应力-应变曲线，如图3所示。
2.2试验抗压强度
按照试验方案完成对试块的高温试验及加载试验，并对试块抗压强度进行处理，现将试验所得数据罗列如下，见表1。由表1试验数据可知，同一条件下，高温后混凝土抗压强度随温度的升高而降低，随受热时间的延长而降低，随应变率的提高而升高。
3试验分析
3.1混凝土抗压强度随温度的变化
以应变速率10-5/s下混凝土试块抗压强度随温度变化为例分析混凝土抗压强度与温度的关系，如图4所示。
从上图可以看出，各个条件下混凝土强度均随试验温度的提高而降低。混凝土强度在300℃之前下降幅度很小，甚至有小幅度的增长，300℃后剧烈下降，呈现一定的波动性。100℃时，混凝土抗压强度稍有降低，这个温度左右，主要是自由水的蒸发流失，试件内部形成毛细裂缝，加载后应力集中，所以强度略微下降。300℃时，水化硅酸钙的脱水使得水泥浆体开始收缩，同时大量的水蒸气和气体的散发冲击，使得混凝土结构膨胀，产生裂纹的孔隙导致了混凝土抗压强度的降低[8]。500℃时，混凝土的抗压强度大幅下降至常温下的60%左右。此时，混凝土内部结构水和水化产物已经几乎完全消失，裂纹和孔隙进一步发展。氢氧化钙的分解产生吸热反应，孔隙进一步扩大，混凝土宏观破坏开始。700℃时，水泥中未水化的水泥颗粒和石英颗粒等晶体化，使得混凝土发生剧烈膨胀，其中发生的化学反应产生的分解物在高温时部分为熔融状态，冷却后强度丧失。700℃左右普通混凝土强度大约为常温的30%。
3.2抗压强度随受热时间的变化
图5为应变速率为10-5/s条件下试块抗压强度 与受热时间1h抗压强度的比值的分布情况。
由图5可知，高温混凝土受热0h至3h，其强度随受热时间的延长呈线性关系下降，这也从说明了混凝土的下降主要发生在温度升高的过程中，受热时间的影响低于受热温度的提高。100℃时，试块抗压强度随受热时间延长呈下降的趋势。300℃时，随着受热时间的增加，混凝土试块抗压强度降低的速度逐渐变缓，这是因为混凝土为热惰性材料，由于受热时间短，试块内部温度提高很少，产生温度应力，试块抗压强度小幅度降低；随着受热时间的增加，试块内部温度的提升促进未完成的水化反应，使试块强度提高。500℃时，试块抗压强度降低的趋势同300℃，受热2h后强度大幅度降低，之后变缓；原因是受热温度较高，试块内部温度的提升促使未完成的水化反应得以完成，从而使试块强度提高；此外，随着受热时间的增加，试块内部的水分不断逸出，减少水化反应的进行，造成试块强度降低，两种因素综合作用下，导致试块强度变化表现出波动性[9]。受热温度为700℃且受热时间为1h时，试块内外存在的温度梯度产生裂缝，使试块强度降低；随着受热时间的延长，试件内外温差逐渐减小，温度应力也随之减小，但试块内部温度的升高使水泥浆体中起骨架作用的晶体分解，抗压强度急剧下降。因此，700℃时，受热时间为2h～3h时强度下降的幅度大于受热时间为1h～2h。
综上所述，在受热温度一定的情况下，混凝土抗压强度受热时间的延长而降低，受热时间的延长对混凝土力学性能的影响不可忽视。
3.3抗压强度随应变率的变化
以受热时间为3h的混凝土抗压强度变化为例，受热温度及受热时间相同条件下试件抗压强度随应变率的增大而变化如图6所示，其中表示应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s时试件抗压强度与准静态（假定应变速率10-5/s下为准静态）下试件抗压强度的比值。通过对试验结果分析可知，在相同的条件下，随着应变率的增加，混凝土的抗压强度增大。由图6可知，在受热温度为300℃及以前，当应变率从10-5/s到10-3/s依照一个量级增加时，普通混凝土抗压强度提高了3%～5%不等；而在500℃时，当应变率从10-5/s到10-3/s依照一个量级增加时，混凝土抗压强度提高了5%～8%，而在700℃时提高了10%左右。
混凝土的破坏是由于裂纹的出现和扩大导致，裂纹的产生需要较高的能量。当加载速率较大时，加载作用时间较短，混凝土材料没有足够时间累积能量，只好通过增加应力的方法来抵消荷载施加的冲量。因此随着加载速率的增加，混凝土强度会有所增加[5]。
4试验结论及展望
本文通过对混凝土5个温度、3种受热时间和3组应变率下的力学性能进行试验研究，主要得到以下结论：
（1）混凝土在高温作用后其表观特征发生变化，主要表现为颜色的变化和表面裂缝的发展。经高温作用后，试块由原来的青灰色依次变化为略红色、暗红色、灰白色；试块表面裂缝在300℃时较少且细微；500℃时大裂缝较多，个别角出现缺失；700℃时，试块表面布满贯穿状裂缝，有大量掉皮现象，各角均缺失。
（2）混凝土的温度损伤效应比较明显。在相同的应变速率下，其抗压强度随温度的升高不断的减小，在300℃之后迅速衰减。
（3）受热时间对高温后混凝土的性能变化影响不可忽视。在温度、应变率等一定的条件下，随着受热时间的延长，混凝土的抗压强度总体上呈下降趋势。
（4）混凝土作为一种应变率敏感性较强的的建筑工程材料，其抗压强度随应变率的增加而提高。在不同的温度下其应变率效应差异较小。
参考文献
[1]李友群, 苏健波. 高强混凝土的抗火灾高温性能研究概述[J].混凝土, 2009 (2): 24-26.
[2]覃丽坤,宋玉普,王列东,等. 高温后混凝土的双轴压力学性能[J].土木工程学报, 2005,38(10) :97-101.
[3]刘敬涛,郭文杨. 浅谈建筑结构抗火性能研究现状[J]. 科技视界,2012,5(12):200-201.
[4]余志武,资伟,匡亚川,等. 受热温度和时间对混凝土抗压强度的影响[J].消防科学与技术,2012,31(2):111-114.
[5]胡时胜,王道荣. 混凝土材料动态力学性能的实验研究[J].工程力学,2001, 18(5): 115-118.
[6]王志坤,许金余,范建设,等. 温度,应变率对地质聚合物混凝土抗压强度的影响[J].振动与冲击, 2014, 33(17):197-202.
[7]黄政宇, 谭彬. 活性粉末钢纤维混凝土受压应力-应变全曲线的研究[J].三峡大学学报: 自然科学版, 2007, 29(5):415-420.
[8] 李奎.混凝土高温时动态力学性能及本构关系研究[D].西南科技大学, 2011.
[9] 洪亚强,杨鼎宜,朱静,等.威维纤维混凝土的高温后力学性能研究[J].混凝土,2015(7): 40-48.