早龄期钢筋混凝土柱高温后力学性能研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r 1 1 i n2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 6 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 0 4 早龄期钢筋混凝土柱高温后力学性能研究 王磊 。袁广林，周立欣 ( 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： 通过试验研究了不同养护龄期( 1 4 、 2 8 d ) 受高温后的钢筋混凝土柱在小偏心荷载下构件的承载力及变形退化规律。 结果表明： 养护龄期为 1 4 d 的柱高温后其相对抗压强度和残余抗压强度均大于2 8 d 龄期柱， 且柱的挠度和轴向变形增长幅度明显小于龄期为 2 8 d 柱的 增长幅度； 1 4 d 龄期的钢筋混凝土柱在常温下和 5 5 0 高温后测得的荷载一 挠度曲线及荷载一 轴向变形曲线都有明显的下降段， 而2 8 d 龄 期柱高温后的曲线下降段不完整。 这说明， 养护龄期为 1 4 d 的柱高温后残余强度、 延性均优于龄期为 2 8 d 的柱， 1 4 d 龄期的钢筋混凝土柱 耐火性能较好， 这些研究成果可为不同龄期钢筋混凝土结构受火后的评估提供参考。 关键词： 早龄期；高温；钢筋混凝土柱；力学性能 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 1 1 - 0 3 St ud y on t h e me ch ani c a l pr oper t y of e ar l y a ge c onc r e t e c ol umns a f t er hi gh t e m pe r a t ur e WANG Lc i N Gu a n g - l i n Z HOU Li - x i n ( S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t yo f Mi n i n g a n dT e c h n o l o g y ， Xu z h o u2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e s i d u a l l o a d b e a r i n g c a p a c i t y a n d d e f o r ma t i o n d e g r a d a t i o n r u l e o f R C c o l u mn s a ft e r h i g h t e mp e r a t u r e we r e t e s t e d ， a n d d i ff e r e n t ma i n t e n a n c e a g e s ( 1 4 、 2 8 d ) ， l i a l e d e c e n t r a t i o n l o a d i n g we r e c o n s i d e r e d Th e r e s u l t i n d i c a t e d t h a t t h e r e l a t i v e and r e s i d u a l c o mp r e s s iv e s t r e n g t h o f t h e 1 4 d c o l um n we r e l a r g e r t h a n the 28 d c o l um n， me a n wh i l e the i nc r e a s e d a mp l i t ud e o f the d e fle c t i o n a n d a x i a l d e f o r ma t i o n wa s l e s s Th e l o a d d e fle c t i o n an d l o a d - axi a l d e fl e c t i o n c u r v e s o fthe 1 4 d c o l um n a t n o rm a l t e mp e r a t u r e an d 5 5 0 h i g h t e mp e r a tur e h a v e a ma r k e d d e c l i n e s e c t i o n， b u t t h e c u r v e o f t h e 2 8 d c o l u mn a f t e r h i g h t e mp e r a tu r e wa s i n c o mp l e t e T h e r e s i d u a l s t r e n g t h and d u c t i l i ty o f t h e 1 4 d c o l um n a f t e r h i g h t e m p e mt u r e we r e b e t t e r t h an t h e 2 8 d c o l u mnTh e 1 4 d a g e RC c o l u mn ha s a g o o d fir e r e s i s t a n t p e r f o rm anc e Th e s e r e s u l t s wi l l p r o v i d e r e f e r e nc e s f o r t h e d a ma g e ass e s s me n t o fc o n c r e t e s t r u c t u r e i n d i ffe r e n t a ge s a f t e r fir e Ke y wor ds ： e arl y a g e ； h i t e mpe r a t u r e； RC c o l u mn； me c h ani c a l pr o p e r t i e s 0 引言 近年来， 随着建筑施工工地火灾的频繁发生 ， 导致早龄期 混凝土材料和构件遭受高温损失 ， 因此， 必须对火灾后混凝土 材料与结构的损伤状况和承载能力进行评估， 所以开展早龄期 混凝土材料高温力学性能的研究具有重要意义。 目前， 有关早龄 期混凝土的研究主要包括： 混凝土的强度发展变化 、 应力一 应 变曲线分析3 、 早龄期混凝土的收缩变形H 、 断裂研究嘲 等 ， 而 对于早龄期混凝土高温性能的研究 比较少， 且主要集中在材料 方面 9 _ m 】 ， 尚未见到有关早龄期构件高温后性能的报道。 针对 上述不足， 本试验对早龄期钢筋混凝土柱经受高温后的力学性 能进行了研究， 探讨了高温龄期对其承载力及变形性能的影响， 研究结果可为早龄期混凝土结构受火后性能的分析评价提供 参考 。 1 试验概 况 1 1 试 件 的制作 与分 组 混凝土设计强度 C 2 5 ， 碎石骨料， 粒径为 5 - 2 0 n H n ， 采用 P O 3 2 5 级水泥， 混凝土配合比为 ： I ： 0 5 0 ： 1 2 9 ： 2 6 0 ( 水泥： 水： 砂： 收稿日期：2 0 1 1 _ J 0 5 - o 8 基金项目：国家自然科学基金( 5 9 9 7 8 0 0 8 ) 石) ， 实测 2 8 d抗压强度 2 6 1 7 MP a 。 柱高 1 8 0 0 r n n l ， 在每根柱 的端部预埋 1 0 r n l T l 厚的钢板， 以避免因应力集中产生的局部受 压破坏。 柱中部截面尺寸为 1 0 0 m mx l 5 0 1 1 1 1 1 ， 端部牛腿截面尺 寸为 1 0 0 m mx 3 0 0 mi ll ， 钢筋保护层厚度为 2 0 m l n 。 试验共制作 4根柱， 其中2根进行高温试验， 2根作为常温下的对比柱， 具体 分组见表 1 。 试验柱采用对称配筋 ， 具体尺寸及配筋情况如图 1 所示。 表 1 试验柱( 0 =- 4 0mm) 编号 注： 试件编号中， s 一 室温， T 一 温度( 5 5 0 ) ， d 一 养护龄期。 1 2 试 验设备 采用中国矿业大学建筑结构与材料实验室研发的 G WD 0 1 型高温加热炉 ， 额定功率 1 2 k W， 最高加热温度 1 1 0 0， 升温 速率 1 O m i n ， 加热到 5 5 0 后保持恒温 9 0 m i n 。 加载设备为 P WS 5 0 0 型电液伺服机， 采用单调静力加载制 图 1 钢 筋混凝 土柱截面尺寸及配筋( 单位 ： mm) 度， 每级荷载取 1 0 k N， 使用“ Y E 2 5 3 9高速静态应变仪” 进行数 据采集， 钢筋混凝土柱的跨中挠度和轴向变形采用 Y HD 1 0 0型 位移计测量。 2试 验 过 程 2 1 柱的加 热试 验 采用 GWD- 0 1 型加载柱高温炉按设定的加热制度对不同 龄期的钢筋混凝土柱进行四面加热， 柱牛腿部位用石棉做好保 温。 达到预定温度后将钢筋混凝土柱从高温炉中取出， 在室温下 自然冷却后加载 ， 取出的试验柱加热部位呈暗红色， 且加热面 出现较多的裂纹。 试验柱内部温度通过柱内部埋置的热电偶得 到， 试验柱加热示意图和柱内部热电偶布置分别见图2 、 3 1 1 。 图 2 柱加热示意 图 I 图 3 柱截面热电偶布置 ( 单位 ： mm) 2 2 柱的加 载试 验 加载试验在 P WS 5 0 0型电液伺服试验机上进行， 采用圆滚 轴支座加载。 试件两端设置由高强钢材制成的加荷板， 其上设有 凹槽， 与圆滚轴相吻合。 为了较为准确测量试件的变形 ， 分别在 柱子的两端、 跨中布置 3块位移计 ， 用来测量柱子沿偏心方向 的挠曲变形。 另外在柱子的上端布置 1 块位移计来测量柱子的 纵向压缩变形， 具体的试验装置如图4所示。 3 试验结果分析 3 1 柱的破坏形态 常温下龄期为 1 4 d的柱， 在荷载作用下柱中部首先出现裂 缝， 继续加载 ， 裂缝沿竖向迅速发展， 并贯通， 受压区混凝土大 1 2 丛 刀夹具 图 4 柱加载装置示意图 片整体脱落， 之后外露钢筋在压力作用下屈服。 在龄期为 1 4 d 时 受火冷却后 ， 在荷载作用下柱中部破坏， 受压区混凝土部分压 碎剥落， 部分呈较大片剥落， 柱破坏面周边布满裂纹。 受压过程 中， 便随着混凝土压碎声， 直到柱失去承载力。 常温下龄期为 2 8 d的柱 ， 在荷载作用下柱中部破坏 ， 混凝 土受压开裂， 破坏面处裂纹较多。 在龄期为 1 4 d时受火冷却后， 在荷载作用下柱中部破坏 ， 混凝土压碎掉落。 破坏时， 骨料和胶 凝体剥离。 两者受压时都伴有混凝土压碎声。 3 2 柱 的极 限荷载 不同养护龄期的钢筋混凝土柱极限荷载试验结果见表 2 。 表 2 钢筋混凝土柱极 限承载能力 注： P u 为 5 5 0 后柱的极限承载力； P u 。 为室温下柱的 极限承载力。 从表 2中可以看出， 龄期为 1 4 、 2 8 d的钢筋混凝土柱高温后 极限承载能力均下降， 残余抗压强度分别减小到常温时的 5 9 和 4 0 ， 但 1 4 d 龄期的柱相对抗压强度和残余抗压强度大于龄 期为 2 8 d 柱的相应值， 可见龄期为 1 4 d的柱耐火性能较好。 受火时龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱在高温后的极限承载 能力大于 2 8 d的原因是 ： 第一 ， 虽然高温对混凝土的内部结构 有一定的破坏， 但由于龄期为 1 4 d的混凝土其内部的水泥尚未 完全水化 ， 高温作用促进水泥的进一步水化 ， 水化产物继续形 成，使混凝土的强度有所提高。 两者相抵 1 4 d的钢筋混凝土柱 高温后极限承载能力下降不大； 第二 ， 在混凝土龄期为 2 8 d时 受火， 由于混凝土内水泥水化产物已完全形成， 高温极大的破 坏了混凝土的内部结构。 因此， 龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱高温 后极限承载力的下降幅度小于龄期为 2 8 d的柱。 3 3 柱挠度 试验 结果 分析 3 - 3 1 柱的挠度值 不同龄期的钢筋混凝土柱极限荷载对应的挠度值见表 3 。 从表 3中可以看出， 5 5 0高温后 ， 龄期为 1 4 、 2 8 d的钢筋 混凝土柱挠度值均增大， 分别为常温时的 1 8 7 倍和2 1 1 倍 ， 1 4 d 表 3 钢 筋混凝 土柱挠度值 注： 为 5 5 0 后柱的挠度值 ； 为室温下柱的挠度值。 龄期的柱挠度增长幅度小于龄期为 2 8 d柱的挠度增长幅度。 原因分析 ： 由于 1 4 d龄期的柱高温后残余强度大于龄期为 2 8 d的柱， 混凝土内部结构较致密， 在偏心荷载作用下， 其挠度 随荷载增长缓慢， 而龄期为 2 8 d的混凝土， 在较小荷载作用下， 混凝土内部裂缝就迅速贯通， 挠度迅速增长。 所以， 高温龄期为 2 8 d的柱虽然极限荷载较小， 但柱破坏时的挠度却很大。 3 3 2 龄期对荷载一 挠度曲线的影响 不同龄期柱的荷载一 挠度曲线如图 5 所示。 4 0 0 3 5 0 z ； 5 0 2 0 0 Z 1 5 0 蒜1 0 0 挺5 O 0 5 l U l 5 2 0 2 5 3 0 0 l 0 2 0 3 0 4 U 挠度 ram 挠 度 m m ( a ) 常温( b ) 5 5 0 图5 不同龄期柱的荷载一 挠度曲线 常温下， 龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱中混凝土水化不完全， 所以极限荷载小于龄期为 2 8 d的钢筋混凝土柱 ， 挠度增长速率 大于 2 8 d龄期的柱。 根据前面分析， 1 4 d龄期的钢筋混凝土柱 高温后极限荷载大于龄期为 2 8 d的柱， 挠度增长速率小于龄期 为 2 8 d的柱 ， 所以高温后 ， 相对于 2 8 d 龄期的柱 ， 龄期为 1 4 d 的钢筋混凝土柱荷载一 挠度向上向左偏移。 同时从图 6中可以看出， 龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱在常 温和 5 5 0 高温后的荷载一 挠度曲线都有明显的下降段， 而 2 8 d 龄期柱在 5 5 0高温后， 曲线下降段不完整。 这说明， 高温后 ， 龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱延性大于龄期为 2 8 d的柱， 龄期为 1 4 d的柱耐火性能较好。 3 4 柱轴向变形试验结果分析 3 4 1 柱轴向变形值 不同龄期的钢筋混凝土柱轴向变形值见表 4 。 表 4 钢筋混凝土柱轴向变形值 注： 为5 5 0后柱的轴向变形值； 8 为室温下柱的轴向变形值。 从表 4中可以看出， 柱的轴向变形与其挠度变化规律相似 ， 龄期为 1 4 、 2 8 d的钢筋混凝土柱高温后轴向变形值均增大， 增 幅分别为 2 7 、 5 3 ， 1 4 d龄期的钢筋混凝土柱轴向变形增长 幅度明显小于龄期为2 8 d 柱。 3 4 2 龄期对荷载一 轴向变形曲线的影响 不同龄期柱的荷载一 轴向变形曲线如图 6 所示。 常温下 ， 龄期为 2 8 d的钢筋混凝土柱轴向变形明显小于 1 4 d龄期柱， 但高温后， 其增长速率大于 1 4 d龄期柱的增长速 率， 因此在图 6 ( b ) 中， 2 8 d 龄期的钢筋混凝土柱荷载一 轴向变形 曲线向下向右偏移， 并且曲线的下降段不完整。 至 、 镛 挺 轴 向变形 mm 轴 向变形 mm ( a ) 常温( b ) 5 5 0 图6 不同龄期下柱的荷载一 轴向变形曲线 4结 论 研究了早龄期钢筋混凝土柱经受高温作用后的力学性能， 得到了荷载一 挠度、 荷载一 轴向变形曲线的变化规律， 主要结论 如下 ： ( 1 ) 龄期为 l 4 、 2 8 d的钢筋混凝土柱高温后其极限承载能 力均下降， 但 1 4 d 龄期的钢筋混凝土柱继续按承载能力大于龄 期为 2 8 d柱的相应值， 说明 1 4 d龄期柱高温后的承载力较好。 ( 2 ) 高温后柱的挠度和轴向变形均增大， 但 1 4 d龄期柱的 变形增长幅度明显小于龄期为 2 8 d柱的增长幅度， 1 4 d龄期柱 高温后的抗变形能力较好。 ( 3 ) 养护龄期为 1 4 d的钢筋混凝土柱在常温下和 5 5 0高 温后测得的荷载一 挠度曲线及荷载一 轴向变形曲线都有明显的 下降段 ， 而 2 8 d龄期的柱在 5 5 0高温后 ， 曲线的下降段不完 整 ， 说明 1 4 d 龄期柱高温后的延性优于龄期为 2 8 d的钢筋混 凝土柱。 参考文献 ： 1 】S WA D D I WU DH O P O N G S ， L U H a i - r o n g ， WE E T H Di r e c t t e n s i o n t e s t a n d t e n s i l e s t r a i n c a p a c i t y o f c o n c r e t e a t e a r l y a g e J C e me n t a n d C o n - c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 2 0 7 7 2 0 8 4 2 2 张建仁， 王海臣， 杨伟军 混凝土早期抗压强度和弹性模量的试验研 究 J 中外公路， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 8 9 9 2 【 3 】 沈毅 早龄期混凝土若干性能的研究【 D 】 杭州： 浙江大学， 2 0 0 4 4 】I G A R AS H I S ， B E N T U R A， KO V L E R KA u t o g e n o u s s h ri n k a g e a n d i n d u c e d r e s t r a i n i n g s t r e s s e s i n h i g h - - s t r e n g t h c o n c r e t e 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 0 ( 3 0 ) ： 1 7 0 1 1 7 0 7 【 5 K O V L E R KT e s t i n g s y s t e m f o r d e t e r mi n i n g t h e m e c h ani c al b e h a v i o u r o f e a r l y a g e c o n c r e t e u n d e r r e s t r a i n e d a n d f r e e u n i a x i al s h ri n k a g e 们 M a t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 1 7 0 ) ： 3 2 4 3 3 0 【 6 张士海， 覃维祖， 张涛， 等 混凝土早期抗裂性能评价一 单轴约束试验 方法的进展 J 】 混凝土与水泥制品， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 3 1 6 【 7 】 侯东伟 ， 张君 早龄期混凝土全变形曲线的试验测量与分析 J 】 建筑 材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 5 ) ： 6 1 3 6 1 9 f 8 18 林辰早龄期混凝土 大学， 2 0 0 5 】 杭州 ： 浙江 9 】 李春玲， 陈兵， 陈龙珠早龄期混凝土高温性能试验研究【 J 四川建筑 科学研究， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 8 4 1 8 8 【 1 0 C HE N B i n g ， L I C h u n- l i n g ， C HE N L o n g z h u E x p e r i me n t a l s t u d y of me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f n o rma l - s t ren g t h c o n c r e t e e x p o s e d t o h i gh t e rn- p e r a t u r e s a t an e a r l y age J F i r e S a f e t y J o u rnal， 2 0 0 9 ( 4 4 ) ： 9 9 7 1 0 0 2 【 1 1 周立欣 ， 袁广林 ， 贾文亮， 等 骨料类型对钢筋混凝土柱高温后力学 性能影响研究 J 】 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 4 9 5 1 1 2 】 周立欣不同骨料类型的早龄期混凝土高温后性能研究【 D 徐州 ： 中 国矿业大学， 2 0 1 1 作者简介： 王磊( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事混凝土抗火方面 的研究。 联系地址： 江苏徐州中国矿业大学力学与建筑工程学院结构工程专 业( 2 2 1 0 0 8 ) 联系电话： 1 3 8 5 2 4 7 7 2 9 1 1 3