粗骨料类型对混凝土高温后抗压强度的影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 2期 (总 第 2 5 6 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 01 1 ( To t a l No2 5 6) 混 凝 土 Con c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ，AND A_I ) M I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 2 0 2 7 粗骨料类型对混凝土高温后抗压强度的影响研究 姚建国，袁广林 ，宋永娟 ，温发明 ( 中国矿业大学 力学与建筑工程学 院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要： 对不同骨料类型的混凝土经历不同温度、 不同冷却方式后的力学性能进行研究。试验结果表明： 高温后不同骨料类型的混凝土 立方体抗 压强度 随着受热温度 的升高总体呈下 降趋 势 ； 不同冷却方式对高温后混凝 土立方 体的抗压强度有一定影响 ， 并且 随静 置时间的 增加而增 加； 不同骨料混凝土立方体试块静 置后 力学性 能有较大差异 。 当温度小 于 4 0 0时 ， 硅质骨料混凝土试块抗压强度较 大 ， 当温度 大于 4 0 0时 ， 钙 质骨料混凝土试 块表现 出良好 的耐火性 。 这 些研究成果可 为今后钢筋混凝 土结构 的抗 火性能及 火灾后 的损 伤评估 与 修复提供参考。 关键词 ： 高温；粗骨料 ；静置时间 ；抗压强度 中图分类号： T U5 2 8 0 4 l 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 8 9 0 3 I n f l u en c e of a ggr e ga t e t yp e on c ompr e s s i ve s t r eng t h o f c onc r e t e a f t e r e x pos ur e t o h i gh t e mper a t ur e s Y AO J i a n - g u o ， YU AN Gu a n g 一 1 i n ， S ONG Y o n g u a n ， WE NF a - mi n g ( S c h o o l o f Me c h a n i c s a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n dT e c h n o l o g y ， X u z h o u2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s of c o n c re t e wi t h d i ffe r e n t a g g r e g a t e t y p e a fte r d i ffe r e n t he a t i n g t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g m o de s a r c i n ve s t i g a t e d Te s t r e s u l t s s h o w t h a t ： a ft e rh i g ht e mp e r a t ur e， t h e c o mp r e s s i v e s t r e r I g t hof c o n c r e t ewi t hd i ffe r e n t a g g r e g a t ety p ed e c r e a s e swi t ht h ei n c r e a s eo f h e a t i n g t e m p e r a t u r e Co ol i n g mo d e s h a v e i mp a c t s o n t h e r e s i d ua l c o mpres s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c u b e s a ft e r h i t e mp e r a t ure ， a l s o t h e i mpa c t s i n c r e a s e wi t h the i n c r e a s e o fs t a nd i n g t i me Ho we v e r ， t h e r e i s mu c h d i ffe r e n c e b e twe e n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e wi th d i ffe ren t a g g r e g a t e t y pe W h e n t h e h e a t i n g t e mp e r a t u r e i s l o we r t h a n 4 0 0 c o n c r e t e wi t h s i l i c e o u s a g g r e g a t e a p pe a r s g o o d res i s t a n c e o f fi r e Th e s e t e s t r e s u l t s p r o v i d e s c i e nt i fic p r o o f s f o r f u h e r e v a l u a t i o n a n d a n a l y s i s o f me c h a n i c a l p r o p e i e s o f RC s tr u c tur e a fte r e x p o s u r e t o hi t e mp e r a tur e s Ke y w or ds ： h i g h t e mp e r a t u r e ； c o a r s e a g g r e g a t e ； s t a n d i n g t i m e ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引言 目前 ， 混凝土高温后的力学性能是土木工程界研究 的热 点 问题 ， 而骨料类型对混凝土高温后的影响也是人们关心 的问题 之- - - 。 本研究通过对高温后不同骨料 ( 钙质和硅质 ) 混凝土立 方体试 块力学性能 的试 验研 究 ， 分 析了混凝 土骨料类型 、 加热 温度 、 冷却方 式 、 高温后静置时 间等对其抗压强度 的影 响 ， 得 到 _两种 骨料混凝土 ( 钙 质与硅质 ) 抗压 强度随静置 时间 的变化 规律 1 。 1 试 验 概 况 1 1 试 块制作 与 分组 混凝土设计强度为 C 2 5 ， 粗骨料分别为钙质( 石灰岩碎石 ) 和硅质 ( 玄武 岩碎石 ) ， 粒径 为 5 2 0mm， 水 泥采用强度 3 2 5级 的复合硅酸盐水泥 ， 混凝土配合 比为水 泥： 水 ： 砂： 石 = 1 ： 0 5 5 ： 1 7 5 ： 2 9 8 ， 砂率为 3 7 。 本试验设计 1 0 0 minx 1 O 0 m mx l O 0 mm的混凝土立方体试 块 1 6组， 钙质骨料和硅质骨料混凝土试块各 8组， 每组有 1 8 个 试块 。 具体 分组 见表 1 。 试 块成 型后 2 4 h脱模 ， 然后标 准养 护 2 8 d至高温试验。 收稿 日期 ：2 0 1 0 4 ) 9 1 5 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 9 9 7 8 0 0 8 ) 表 1 钙质与硅质骨料混凝土试 块受热制度 1 2 受热 制度及 冷却 方 式 参照文献 1 1 - 1 2 ， 经综合考虑， 本试验采用如下加热方式： 升温速率为 1 0 C mi n ， 到达预设温 度点后恒温 9 0 mi n ， 具体受 热 制度 见表 1 。 取 出试 块后 ， 分别对其进行 “ 自然冷却 ” 和“ 喷水 冷却” 。冷却至常温后， 在室内分别放置 1 、 3 、 7 、 1 4 、 2 8 、 5 6 、 8 4 d ， 然后进行加载试验。 1 3加载 方 法 混凝土试块抗压强度试验采用 YE 2 0 0型液压式压力试验 机进行加载 ， 加载速率为 3 - 5 k N s 。 89 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 试验 结果分析 2 1 试验现象及破坏形态 2 1 1 高温后表观现象 不 同骨料 混凝 土试 块 由室 温分 别加 热 到 2 0 0、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0， 经恒温后取出， 对其进行自然冷却和喷水冷却。 混凝土试 块 的表 面特征发生了一 系列变化 ， 包 括试块的颜色 、 裂缝 、 掉皮 、 缺角和疏松等， 具体见图 l ( 如图 1 ( a ) 示前 2块为自然冷却 、 后 2块为喷水冷却 ) 与表 2 。 高温后混凝土试块表观现象表明： 当受热温度 T 2 0 0时， 混凝 土试块 的表 面颜 色( 自然冷却 和喷水冷却相 比 ) 无 明显变 化 ， 当温度达到 4 0 0 6 0 0时 ， 试块表面呈粉红色 ， 且试块 的颜 色随着温度升高 逐渐变淡 ， 当温度 达到 8 0 0时 ， 试块表 面呈 灰白色。 此外， 随着混凝土受热温度的升高， 表面裂缝也随之增加， 裂缝分布情况也逐渐复杂 。 如 图 2所示 ， 当温度 T 2 0 0时 ， 冷却后? 昆凝土表面无明 显裂缝 ， 当温度达到 4 0 0时 ， 混凝土表面 出现少量细小裂纹 ， ( a ) 2 0 0钙 质 自冷 与水冷 ( c ) 4 0 0 o C钙质 A冷与水 冷 ( e ) 6 0 0钙质 自冷 与水冷 ( b ) 2 0 0硅质 自冷 与水冷 ( d ) 4 0 0 硅质 自冷 与水冷 ( f ) 6 0 0(硅质 白冷与水冷 ( g ) 8 0 0钙质 自冷与 水冷( h ) 8 0 0硅质 自冷与水冷 图 1 高温后混凝土试块表观现象 当温度达 到 6 0 0以上 ， 混凝土表面出现 明显连续状 裂缝 ， 当温 度达到 8 0 0时 ， 裂纹逐渐增多 ， 且裂缝 变宽 。 同时， 随着温度的 升高 ， 昆 凝土失重越来越 明显 ， 6 0 0 、 8 0 0高温后混凝土试块 明 显变轻 ， 表 面也呈现出疏松状况 。 表 2 高温后混凝土外观特征一览表 f c ) 6 0 0 ( d ) 8 0 0 o C 图 2裂缝变化图 2 1 2 加载后破坏形态 高温后不同骨料混凝土试块加载后的破坏形态类似， 以高 温后静置 1 4 d的钙质与硅质骨料为例， 常温下受压破坏后的混 凝土立方体试块成正倒角锥状， 中间部分破裂， 上下端面由于 受钢垫板的约束而无破损， 边角完整 2 0 0高温后的试块， 其 破坏形态与常温试块 没有差别。 而埘于 6 0 0 8 0 0。 C高温后 的混 凝土试块 ， 受压破坏时上下端的裂缝 和边角缺损情况较严重 ， 破 坏后外露 骨料明显增 多 ， 核 心部分面积 逐渐减小 ， 并且经 喷水 冷却后试块 的破坏更为严重。 2 2 试 验 结果分析 2 2 1 骨料类型对混凝土抗压强度的影响 高 温后 不同骨料混 凝土试块经 自然冷却和 喷水 冷却后抗 9 0 压强度的退化规律曲线如图 3 所示。 可见， 高温后混凝土立方体 试块 的抗压强度 随受热温度的升高总体呈下降趋势 ， 当受 热温 度 T 4 0 0时 ， 混凝土 强度降低 幅度 较小 ， 自然冷却和喷水冷 却相差不大 ， 当温度超过 6 0 0时 ， 混凝土抗压强度急剧下降 ， 而喷水冷却后混凝土抗压强度反而比自然冷却后明显提高。 温度 温度 ( a ) 自然冷 却 ( b ) 喷 水冷却 图 3高温后不 同骨料混凝土抗压强度退化 曲线 另外， 当受热温度为 2 0 0 4 0 0。 C时 ， 硅质骨料混凝土的强度 比同条什的钙质骨料? 昆 凝土的强度稍高， 当温度为 6 0 0 8 0 0 时， 钙质骨料混凝土的强度下降速率较慢 ， 表现出优于硅质骨 料的 良好耐火性 。 2 2 2 加热温度与冷去 方式的影 响规律 以静置 1 4 d的钙质与硅质骨料为例 ， 对高温后钙质骨料和 硅质骨料的混凝土立方体试块进行抗压强度试验， 其 自然冷却 强度与喷水冷却强度实测与拟合曲线见图 4 。 可见， 随着受热温 度的升高， 两种骨料混凝土立方体试块的抗压强度总的趋势是 下降的。 在同等受热温度条件下， 经喷水冷却后的残余抗压强度 要 比经 自然冷却后混凝土的抗压强度稍高 。 2 2 3 静置时间对混凝土抗压强度的影响 对不同骨料类型的混凝土试块高温加热后， 随着静置时间 的增加， 对于自然冷却试件， 抗压强度首先出现一个降低， 在达 O O 5 O 5 O 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 温度 o C f a ) C a 质一 自然冷却 温度 ， ( b ) C a 质一 喷水 冷却 温度 ， 温度 ， ( c ) S i 质一 自然冷却( d ) S i 质一 喷水冷却 图 4高温后不 同骨料混凝土强度 曲线 到最低点后 ， 开始缓慢 回升 ， 以后渐趋平稳。 在 4 0 0以下时， 钙 质骨料混凝土与硅质骨料混凝土的抗压强度最小值均在第 1 4 天 45 4 O 35 3。 蓑 2 5 20 1 5 1 0 5 羔 、 霞 出 1 3 7 1 4 28 56 84 静 置时 间 d ( a ) C a 质骨料 自然冷 却 静置时 间 ， d ( c ) S i 质骨料 自然冷却 左右出现， 在 4 0 0以上时， 抗压强度在第2 8 5 6 天出现最小值。 对 于喷水冷却试件 ， 随着静置时间的增加 ， 当温度 T 4 0 0时 ， 钙质骨料混凝土试件在第 l 4天抗压强度达到最小， 而硅质骨料 混凝土试件在第 2 8天抗压强度达到最小； 当温度 大于 6 0 0 时， 两种骨料混凝土试件的抗压强度均缓慢增长 ， 如图 5 所示。 3结 论 本研究对 2种骨料混凝土立方体试块高温后静置力学性 能进行 了试验研究 ， 主要得出以下结论 ： ( 1 ) 高温后不同骨料混凝土立方体抗压强度随着受热温度 的升高总体呈下降趋势， 对于钙质骨料， 抗压强度下降范围在 1 7 5 0 ； 对于硅质骨料， 抗压强度下降范围在 l 4 7 0 。 ( 2 ) 高温后不同骨料混凝土立方体试块静置后的力学性能 有较 大差异 。 当温度小于 4 0 0时 ， 硅质骨料混凝土试块抗压强 度较大 ， 当温度 大于 4 0 0时 ， 钙质骨料混 凝土试块 表现 出良 好的耐火性 。 ( 3 ) 冷却方式对高温后混凝土立方体试块的抗压强度有一 定影响， 并且随静置时间的增加而增加， 对于 自然冷却试件 ， 钙 质与硅质骨料混凝土抗压强度最小值出现的时间基本相同。 对 于喷水冷却试件 ， 随着静置时问的增加而增加， 当受热温度小 于 4 0 0时 ， 钙质骨料混凝土试 件在第 l 4天抗压强度达到最小 值， 而硅质骨料混凝土试件在第 2 8 天抗压强度达到最小值。 对 山 、 髓 出 静置 时间 d ( b ) C a 质 骨料喷水 冷却 静置 时间 ， d ( d ) S i 质骨 料喷水 冷却 图 5 抗压强度随静置时间的变化 曲线 参 考文献 ： 1 】 高琼英， 王春阳 建筑材料f M 武汉理工大学出版社， 2 0 0 8 【 2 12 孙波， 郑庆举 浅谈混凝土料源的选择【 J 1 河北水利水电技术， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 3 3 3 4 3 徐或， 徐志胜 高温作用后混凝土强度试验研究l J 1 l混凝土， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 4 4 4 6 【 4 1 李卫， 过镇海高温下混凝土的强度和变形性能试验研究【 J 】 建筑结 构学报 ， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 8 - 1 6 5 】 贾艳东， 田傲霜 不同时间高温后混凝土性能的试验研究 J J 辽亍工 程技术大学学报， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 6 ) ： 8 6 4 8 6 6 6 】 李敏， 钱春香， 等 高强混凝土受火后力学性能变化规律的研究【 J f 硅 酸盐学报， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 1 1 1 6 1 1 2 0 7 】吕天启， 赵国藩， 林志伸 高温后静置混凝土力学性能试验研究【 J 建 筑结构学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 1 ) ： 6 3 7 0 8 阎慧群 高温( 火灾) 作用后混凝土材料力学性能研究 D 成都 ： 四川 大学 ， 2 0 0 4 9 S A E TI A A V， V I T AL I A N I R V E x p e r i m e n t a l i n v e s t ig a t i o n a n d n u m e r 一 下转第 9 4页 9l 0 0 0 O ， G一 4 3 3 2 2 l 1 趟 疆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 加栽应变率的影响 试验得到相同纤维掺量， 不同应变率试件的应力应变曲线 如图5所示。图5明显地表明， 各类试件的强度和变形均随着应 变率的提高而提高， 具有明显的应变率效应。 应变率毒 = 6 0 9 s 一， 4结论 - 口 一 AV 0 S1 f 1 7 0 S 、 -o - A V2 S1 ( 1 7 0 S 。 。) 纤维含量 V r= O 1 ， 试件强度k =- 1 6 4 s - 一 的 1 3 7 倍 ， 峰值应变是其 1 7 9 倍 ； 应变率扣6 6 1 s - 纤维含量 V t= O _ 2 ， 试件强度是b =- 1 7 0 s - 的 1 2 8 8 倍， 峰值应变是其 1 9 9 倍； 应变- 2o - - 6 7 1 s 纤维含量V f= 0 4 ， 试件强度是k = 1 9 2 s 一的 1 4 9 4倍， 峰值应变是其 1 6 5 7 倍 。 o AV1 s1 ( 1 6 , 4 S ) 图 5不同应变率的试验结果 本研究开展了玄武岩纤维增强混凝土试件的冲击压缩试 验 ， 得到了各试件的应力应变 曲线、 强度和变形。 试验结果表明： ( 1 ) 与准静 态试验结果相似 ， 玄武岩纤维对 于混凝土 的强 度增强效果并不明显。 在低应变率时， 较低纤维掺量的纤维增强混 凝土的动态强度随着纤维掺量的增加而增加。 在高应变率时， 试 件强度反而随纤维掺量的增加而降低。另外， 当纤维掺量增至 V f - O 4 时， 无论是高应变率还是低应变率， 试件强度均下降。 本试 验的结果与其他学者的结果相符。 ( 2 ) 虽然在混凝土中掺入玄武岩纤维对试件的动态强度不 能起到很好 的增强效果 ， 甚至当掺量较高时还是降低试件的强度， 但玄武岩纤 维的掺入 能够很好地改变试件 的破坏形态 ， 提高试 件的极 限变形能力。 ( 3 ) 各种纤维掺量的试件均具有明显的应变率效应。 试件 的动态强度 和峰值变形均随着受载应变率的提高而提高。 上接 第 9 1页 i c a l mo d e l i n g o f c a r b o n a t i o n p r o c e s s i n r e i n f o r e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s P a r t I I P r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s J C e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 9 5 8 9 6 7 1 0 G R E E N M F， B I S B Y L A， F AM A Z ， e t a 1 F R P c o n f i n e d c o n c r e t e c o l u mn s B e h a v i o r u n d e r e x t r e m e c o n d i t i o n s J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 6 ( 2 8 ) ： 9 2 8 - 9 3 7 1 1 过镇海， 8 寸 旭东钢筋混凝土的高温性能及其计算 M 】 京： 清华大 9 4 参考文献 ： 1 许金余 ， 李为民， 杨进勇， 等 纤维增强地质聚合物混凝土的动态力 学性能【 J 1 土木工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 2 ) ： 1 2 7 1 3 2 2 张育宁， 方秦， 刘小斌， 等 高强高掺量纤维增强混凝土静、 动力性能 的试验研究【 J 】 _ 混凝土与水泥制品， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 4 3 4 5 3 许金余， 李为民， 沈刘军 玄武岩纤维混凝土的动态力学性能【 J J 复合 材料学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 3 5 1 4 2 f 4 1胡显奇 我国连续玄武岩纤维的进展及发展建议 J 1 高科技纤维与应 用 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 6 ) ： 1 3 1 8 ， 3 8 5 胡显奇 我国应大力发展纯 天然的连续玄武岩纤维 J 新材料产业 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 6 5 7 0 作者简介 单位地址 ： 联系电话 ： 刘永胜( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 博士 ， 副教授， 主要从事混凝土材料力 学性能研究。 江西省南昌市华东交通大学土木建筑学院( 3 3 o 0 1 3 ) 1 3 7 6 7 9 7 7 0 6 8 学 出版社 ， 2 0 0 3 1 2 董毓利 混凝土结构 的火安全设计 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 1 作者简介 单位地址 联 系电话 姚建国( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士生， 主要从事抗火防灾研究。 江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区研 2 楼 5 单元 5 0 1 室( 5 5 0 1 ) ( 2 2 1 1 1 6 ) 1 3 81 3 4 5 3 6 6 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m