1、第 1 8卷第 6期 2 0 1 5年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI I DI NG MATERI AI S Vo1 1 8。 N 0 I 6 De c , 20 15 文章编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 9 5 3 0 5 高温后高强混凝土剪切强度与细观结构 李 志卫 。 , 肖建庄 , 孙振 平 ( 1 同济大学 建筑工程系,上海 2 0 0 0 9 2 ;2 上海 2 0 1 8 0 4 ;3 上 海海 事 大学 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 , 海 洋科 学与 工程 学 院 , 上 海 2 0 1
2、 3 0 6 ) 摘 要 : 通 过 高温后 高强混 凝 土( HS C ) 试 件 的 p u s h - o f f 试 验 , 研 究 了温度 和 混凝 土 抗压 强度 对 HS C 剪切强度的影响 基于剪切 面细观结构的变化, 分析 了高温后 HS C剪切强度变化 的机理 , 研 究了 高温后 HS C骨料断裂率与剪切强度的关 系 结果表 明: 常温下 HS C抗压 强度为 6 4 7 , 9 4 0 MP a 时, 2 0 0后 HS C剪切强度较常温时分别略 有减 小和略有增大; 超过 2 0 0后 , HS C剪切 强度随 温度 的升 高 而降低 ; 无 论 经历 多 高的温度
3、, 混凝 土的 抗压 强度越 高 , 则 HS C剪切 强度 越 大 ; HS C试 件 剪切面上的骨料 断裂率随温度的升高而减小, 随混凝土抗压 强度的增加 而增大 最后 , 建立了高 温后 HS C的 骨料咬 合 模型 关键 词 :高强 混凝 土 ;高 温 ;剪切 强度 ;细观 结构 ;骨料 断裂 率 ;骨料 咬合 中图分 类号 : TU5 2 8 3 1 ; TU3 7 5 文献 标 志码 : A d o i : l O 。 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 6 0 0 7 S h e a r S t r e n g t h a n
4、d M e s o s t r u c t u r e o f Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e a f t e r El e v a t e d Te mp e r a t u r e s LI Zh i we i , XI AO J i a n z h u a n g ,S UN Zh e n pi n g。 ( 1 D e p a r t me n t o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ,T o n g j i Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2
5、0 0 0 9 2 , C h i n a ; 2 K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4,Ch i n a; 3 Co l l e g e o f Oc e a n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g
6、,S h a n g h a i M a r i t i me Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6,Ch i n a ) Ab s t r a c t :P u s h - o f f t e s t s f o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ( HS C)s p e c i me n s a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s we r e c a r r i e d o u t t o s t u d y t h e e
7、 f f e c t o f e l e v a t e d t e mp e r a t u r e a n d c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o n s h e a r s t r e n g t h o f HS CB a s e d o n t h e v a r i a t i o n o f t h e me s o s t r u c t u r e o f HS C s h e a r p l a n e ,t h e me c h a n i s m f o r s h e a r s t r e n
8、 g t h c h a n g e o f HS C a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s wa s i n v e s t i g a t e d Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e a nd s he a r s t r e ng t h of H S C a f t e r e l e v a t e d t e m pe r a t u r e s wa s d i s c us s e d R
9、e s ul t s s ho w t h a t whe n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s a r e 6 4 7 9 4 0 M P a a t r o o m t e mp e r a t u r e ,t h e s h e a r s t r e n g t h s o f HS C a f t e r 2 0 0 h a v e a l i t t l e d e c r e a s e a n d a l i t t l e i n c r e a s e c o mp a r e d wi t h t h a t a
10、t r o o m t e mp e r a t u r e ,r e s p e c t i v e l y 。W h e n t h e e l e r a t e d t e mp e r a t u r e e x c e e d s 2 0 0 ,t h e s h e a r s t r e n g t h o f HS C r e d u c e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e e l e v a t e d t e mp e r a t u r e Th e h i g h e r t h e c o mp r e s s i
11、v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e( a t a n y t e mp e r a t u r e )i s ,t h e g r e a t e r t h e s h e a r s t r e n g t h wi l l b e Th e a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e o f HS C s h e a r p l a n e d e c r e a s e s a s t h e e l e v a t e d t e mp e r a t u r e r i s e s a n d i
12、t wi l l i n c r e a s e a s t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s At 1 a s t ,t h e a g g r e g a t e i n t e r l o c k mo d e l f o r HS C a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s i s p r o p o s e d Ke y wo r d s :h i g h s t r e n g t h c o n c r e
13、t e ( HS C);e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ;s h e a r s t r e n g t h;me s o s t r u c t u r e ;a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e ;a g g r e g a t e i n t e r l o c k 收稿 F t 期 : 2 0 1 4 0 5 2 9 ;修订 日期 : 2 0 1 4 0 8 1 2 基金项 目: 国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 2 C B 7 1 9 7 0 3 ) 第 一作者
14、 : 李志2 1 1 ( 1 9 8 5 -) , 男 , 山东淄博人 , 同济大学博士 主要研 究方向为高强 混凝土抗火 E - ma i l : z w l i s h mt u e d u c E t 通信作者 : 肖建庄( 1 9 6 8 一 ) , 男 , 山东沂南人 , 同济大学教授 , 博士生导师 , 博士 主要研究方 向为混凝土结构抗火 E - ma i l : j z x t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 5 4 建筑材料学报 第 1 8卷 随着社 会发 展 , 高 强混 凝 土 ( HS C )
15、在土 木 工 程 中的应 用 越来 越 广 泛 与普 通 混 凝 土 ( NS C) 相 比 , HS C虽然抗 压 强度 高、 耐 久性 好, 但抗 火性 能较 差口 火灾 对 HS C剪切 强度 的影 响直接关 系到 结构 的安全 国 内外专 家 已经 对 常 温下 HS C 和 NS C 的 剪切强 度进 行 了研 究 , 并 取 得 了一 定 的成 果 。 混 凝土剪切强度受到混凝土抗压强度和骨料类型等因 素的影响【 4 , 骨料咬合作用是混凝土开裂后剪切强 度的主要来源 之一 6 随着温度的升高, HS C的水 泥浆 体和 骨料会 发生 一系列 变化 , 进而 对 HS C的骨 料
16、咬合作 用产 生影 响 混凝土作 为一 种典 型的多 尺度材 料 , 可 以分 为宏观、 细观和微观 3个尺度等级 某一尺度等级 的力学性能可以由下一尺度等级 的结构特点作 出 观 和细 观 尺 度等 级 本 文通 过 p u s h o f f 试验 研 究 了 高 温后 2种 抗 压 强 度 等 级 HS C 的剪 切 强 度 , 同时 采用数码 显微 镜观察 HS C剪切 面 的骨料 咬合作 用 , 从 细观 尺 度 进 一 步 分 析 了 HS C剪 切 强 度 随温 度变 化 的机 理 1 试验 1 1 试 件制作 设 计 2种抗 压强 度等级 的 HS C, L系列 和 H 系 列
17、 ( 配合 比如表 1所 示 ) , 其 立 方 体抗 压 强 度 分别 为 6 4 7 , 9 4 0 MP a 试 验 原 材 料 为 : 4 2 5 R( L系 列 ) 和 5 2 5 R( H 系列) 普通硅酸盐水 泥; 9 0 0级硅粉 ; $ 9 5 级矿渣微 粉 ; 5 2 0 ram( H 系列 ) 和 5 2 5 mm( L系 列) 硅质 碎石 ; 细度 模数 为 2 7的 中砂 ; 自来水 ; 聚羧 解释 , HS C的剪切强度 和骨料 咬合分别 属于宏 酸减水剂 裹 1 HS C配合比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f HS
18、 C k g m。 L系列 和 H 系列 各 成 型 1 1个 Z型试 件 , 试 件 尺寸 如 图 1 所示 , 试 件配 置 4根 直 径 8 mm 的封 闭 箍筋 , 箍筋配筋率 p =1 1 2 , 配 筋方案 参照文献 I s - 1 在试件厚度( 1 5 0 ram) 方向距表面 5 , 3 3 ram( 纵 筋处) 和 7 5 mm( 中心处) 各预埋 1 个热 电偶 。 一 S e c t i o n 2 2 图 1试 件 尺 寸 Fi g 1 Di me n s i o n s o f s p e c i me n ( s i z e : mm ) 所 有 试 件在 标 准养
19、 护 室 内养 护 2 8 d , 再 在 自然 环境下 养 护 6 0 d , 然 后进行 高温试 验 设 计 加热 温度 分别为 2 0 0 , 4 0 0 , 8 0 0, 每个温度下同系列各 3个 试 件 , 常 温下 ( 2 0) 同系 列 各 2个 试 件 为 表述 方 便 , 对 每 个 试 件 进 行 编 号 , 如 L - 2 0 0 - 1表 示 I 系 列 HS C在 经历 设计 温度 为 2 0 0后 的第 1个试 件 1 2高温试 验 将试 件放 入 电炉 内加 热 , 升温速 率为 5 rai n , 达到设计温度后保持恒温 , 直到试件中心与设计温 度 的温 差
20、小 于 1 0 时 停 止 加 热 加 热 过 程 中, H一 8 0 0 - 1 , H- 8 0 0 2和 H- 8 0 0 - 3试 件 发 生 了 表 面 爆 裂 , 但剪切 面完 好 , 经 表 面 修 补后 不会 对 下 一 步 的 p u s h o f f 试验 产 生影响 11 3 P u s h - o f f 试 验 将 试件 垂直 放到 试 验 机 上 , 试 件 上端 和下 端 分 别设 置刀 口和滚 轴 支 撑 试 件表 面 设 置 3 个 水 平 方 向位移计来测量试件的裂缝宽度 , 另一面设置 2个 垂直方向位移计来测量试件的裂缝滑移 预设 一个 很小 的试验
21、机力 ( 如 1 k N) , 试 件缓 慢 升 高直 到 顶部 与刀口刚好接触 , 然后切换为位移加载方式 , 位移速 率为 0 0 5 ram rai n , 计算机采集系统 自动记录试验 机力、 裂缝宽度和裂缝滑移 当试验机力基本不变时 停 止试验 , 加 载过程 中试 件沿剪 切 面开裂 1 4细观结 构观 察 P u s h o f f 试验后 , 人工 剪 断试 件裂 缝处 的箍 筋 , 使 试件 沿剪切 面分 开 采 用 VHX 一 5 0 0 0系列 数 码 显 微镜对试件剪切面细观结构进行观察 2 P u s h - o f f 试验结果与分 析 假设试 件所 受 剪 切应
22、力 沿 剪 切 面 均匀 分 布 , 则 剪切极限荷载所对应的峰值剪切应力即试件的剪切 强度 试件 的剪切极限荷载 P 、 剪切强度 r 和骨料 臼 粤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李志卫 , 等 : 高温后 高强 混凝 土剪切强度与细观结构 作用提供 , 因此 Wa l r a v e n等 2 提出的骨料咬合模 型同样适用于高温后 HS C 但是由试件剪切面的细 观结构可知 , 骨料断裂情况随温度和 HS C抗压强度
23、的不同而发生变化 , 因此文献E 21 中的正应力 和切 应 力 r表 达式 变 为 : = = = ( A 一 ) ( 3) r C G p ( A + ) ( 4 ) 式 中: C为高温后 HS C的骨料 断裂缩减 系数 ; 为 水泥浆体产生塑性变形时 的法向应力; , 为单 位 剪切 面 积上 与裂 缝滑 移 和裂缝 宽度 方 向对 应 的接 触面积 ; 为高温后 HS C骨料和水泥浆体间的摩擦 系数 式 ( 3 ) , ( 4 ) 中 , 可通 过 裂缝 滑 移 和 裂缝 宽 度计算得到 ; 与混凝土抗压强度无关I 3 , 若无实测 数据 , 可近似取恒定值 一0 4 ; 和 r可通过
24、 p u s h o f f 试验测得 , 但是试件需要配置外部约束钢筋 , 以 便对剪切面的正应力进行测量_ 3 ; 对 于高温后 HS C 水泥浆体发生塑性变形时的正应力 , 还没有相关 资料 可供 参考 , 需 要 进一 步 的试 验 研究 ; C可在 其 他 参数已知的条件下 反算 得到 因此 , 可根据式 ( 3 ) , ( 4 ) 计算高温后 HS C的正应力和剪应力 5 结语 ( 1 ) 2 0 0后 H 系列 的剪 切 强 度 较 常 温下 有 所 提高 , 其他工况 下试件 的剪切强度均随温度的升高 而降低 8 0 0后 L和 H 系列的剪切强度分别 降为 常温下 的 4 7
25、 O 3 和 4 3 8 7 无论 经历 多高 的温 度 , HS C抗压强度越高, 其剪切强度也越大 ( 2 ) HS C经历 的温度越 高, 试件剪切 面上 的骨 料断裂现象越少 HS C抗压强度越 大, 骨料断裂越 严重 高温后 HS C的水泥浆体变得 松散 , 甚至出现 明显 的裂 缝 ( 3 ) 常温 下 和 2 0 0后 HS C的 细观 结构 基本 没 有发生变化 , 4 0 0后 HS C的界面区和水泥浆体 中 都产 生 了裂缝 , 8 0 0后 HS C的 骨料 与 水 泥浆 体 几 乎分离 在各温度下 , HS C抗压强度越高, 细观结构 越密 实 ( 4 ) 常温 下和
26、2 0 0后 HS C剪 切 面上 的骨料 断 裂率基本不变, 4 0 0后 和 8 0 0后 骨料断裂率减 小 , HS C的剪切强度随之降低 ( 5 ) 根据 HS C剪切面的细观结构变化 , 初步建 立了高温后 HS C的骨料咬合模型 参考 文献 : 1 X I AO J Z, F AL KNE R H On r e s i d u a l s t r e n g t h o f h i g h p e r f or m a nc e c o n c r e t e wi t h a n d wi t h o u t p o l y p r o p y l e n e f i b r e
27、 s a t e l - e v a t e d t e mp e r a t u r e s J F i r e S a f e t y J o u r n a l , 2 0 0 6 , 4 1 : 1 1 5 1 2 2 2 WAL RAVE N J C, S TRO B AND J S h e a r f r i c t i o n i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J AC I S p e c i a l P u b l i c a t i o n , 1 9 9 4 , 1 4 9 ( 1 7 ) : 3 1 1 - 3 3 0
28、 E 3 WAL RAVE N J C F u n d a me n t a l a n a l y s i s o f a g g r e g a t e i n t e r l o c k J AS C E J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l Di v i s i o n , 1 9 8 1 , 1 0 7 ( 1 1 ) : 2 2 4 5 2 2 7 0 I- 4 R E I NHARD TH W, WAL RAVE N J C C r a c k s i n c o n c r e t e s u b j e c t t O s h
29、 e a r J AS C E J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l Di v i s i o n , 1 9 8 2, 1 0 8 ( S T1 ): 2 0 7 2 2 4 5 XI AO J z, XI E H, YANG Z J S h e a r t r a n s f e r a c r o s s a c r a c k i n r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h, 2
30、 0 1 2, 4 2( 5 ): 7 0 0 7 0 9 6 WAL R AVE N J C, R EI NHAR DT H W T h e o r y a n d e x p e r i me n t s o n me c h a n i c a l b e h a v ior o f c r a c k s i n p l a i n a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s h e a r l o a d i n g J He r o n , 1 9 8 1 , 2 6 ( 1 ) : 4 O 一
31、 4 7 7 Z HU W C, TA NG C A Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n s h e a r r a c t u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e u s i n g me s o s c o p i c me c h a n i c a l mo d e l J Co n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e r i a l s , 2 0 02 , 1 6( 8) : 4 5 3 4 6 3 8 KHOURY G A, MAJ ORANA C E, P E S AVE NTO F, e t a 1 Mo d e l l i n g o f h e a t e d c o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h, 2 0 0 2。 5 4( 2 ): 7 7 一 i 0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m