【摘要】：混凝土在建筑工程中得到了广泛的应用。混凝土结构在暴露于高温后会出现不同程度的损坏，危及结构的安全性和耐久性。本文分析了不同加热温度、加热时间和加载速率下混凝土材料力学性能的变化。明确了高温后混凝土力学性能与温度、加热时间、应变速率等因素的关系。这些研究对于混凝土建筑结构在高温下进行合理的防爆抗冲击设计和安全评估具有非常重要的作用。
关键词：混凝土；高温;应变率；机械性能
0简介
混凝土结构主要用于承受压力，其抗压强度是最基本、最重要的力学性能[1-2]。许多因素，包括水泥强度、混凝土配合比、养护方法和龄期，甚至加载方法和速率，都会影响混凝土的抗压强度[3]。于志武，紫薇等。文献[4]对混凝土立方体试件的压缩性能与加热温度和加热时间的关系进行了实验研究。他们指出，温度是高温后混凝土抗压强度变化的主要原因，加热时间也是不可忽视的因素。在动荷载作用下，混凝土的力学性能与静荷载作用下的力学性能不同。早期，美国采用应变率，欧洲采用加载率进行测量。目前国内外多采用应变率来反映混凝土动态力学行为的变化规律。胡世胜等.文献[5]采用改进的霍普金森压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验。应变速率约为10/s~85/s。他们发现混凝土材料不仅具有敏感的应变率效应，而且还具有明显的损伤软化作用。影响。因此，确定高温条件下混凝土材料各项力学性能的变化，对于高温条件下混凝土建筑结构的结构设计和安全评估具有非常重要的作用，开展这方面的工作具有重要意义。 [5]。
1 测试概述
1.1 测试计划
对于标准养护龄期为28天的普通混凝土，采用箱式电阻炉进行高温试验。试验采用的加热方法是将固化良好的试块在高温炉中以10℃/min的速率加热至100℃和300℃。 ℃、500℃、700℃，然后分别保温0h、1h、2h、3h。高温处理后，试块自然冷却至室温。静置1天后，采用微机控制电液伺服万能试验机对试块进行应变率的多级动态压缩试验。应变率为10-10。 3/秒、10-4/秒、10-5/秒。每个条件下加载三个样品并取平均值。并采集轴向位移值和载荷。
1.2 测试原料
材质为海螺牌P·OⅡ42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用天然河砂，粗骨料为最大粒径不大于20mm的砾石。
1.3 配合比设计
试验设计混凝土强度等级为C30，试件为100mm立方体。配合比按表观密度法设计。计算单位体积配合比为：水泥390kg、水195kg、砂635kg、石子1180kg。此配合比配置的混凝土和易性良好，强度满足设计要求。
2 测试结果
2.1 实验现象
不同高温后混凝土的表面特性：试验中观察到混凝土从室温加热到700℃时物理状态逐渐发生变化。混凝土试块经历不同的高温后，其颜色和表面会发生不同的变化，如图1所示。不同的加热温度和时间也会产生这些外观现象的差异[6]。
当加热温度为100℃时，试块的颜色和表面形状与常温下基本相同。加热时间的长短对试块的外观几乎没有影响。当温度为300℃时，试块外观保持完整，外观颜色微白，表面微裂纹极少。加热时间的延长对外观无明显影响。 500℃时，试块表面颜色变浅，并出现细小的裂纹。在此温度下，随着加热时间的增加，外观变化明显，裂纹逐渐加宽，并出现少量表皮剥落和个别缺角。当加热温度达到700℃时，试块表面颜色变为灰白色，并出现大量裂纹。随着继续加热，裂纹变宽、加深，试块上大量表皮剥落。加热3小时后，试块全部缺角，如图2所示。
2.1 应力-应变曲线
应力应变曲线综合反映了混凝土的力学性能：抗压强度是曲线峰值点处的应力值，峰值应变是相应的应变，曲线的斜率是其变形模量等[7] ]。本次测试共进行4组测试和1组对照测试。下面列出了混凝土在不同温度下加热3 h后的压缩应力-应变曲线，如图3所示。
2.2 测试抗压强度
根据试验计划，完成了试块的高温试验和加载试验，并对试块进行了抗压强度处理。现将试验所得数据列出如下，见表1。从表1试验数据可以看出，在相同条件下，高温后混凝土的抗压强度随温度的升高而降低，随温度的升高而降低。随加热时间的延长而增加，并随应变速率的增加而增加。
3 测试分析
3.1 混凝土抗压强度随温度的变化
以应变速率10-5/s时混凝土试件抗压强度随温度的变化为例，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，各种条件下混凝土的强度随着试验温度的升高而降低。混凝土的强度在300℃之前下降很少，甚至略有上升。 300℃以后，混凝土强度急剧下降，表现出一定程度的波动性。在100℃时，混凝土的抗压强度略有下降。在这个温度附近，主要原因是游离水的蒸发和损失。试件内部形成毛细裂纹，加载后应力集中，强度略有下降。在300°C时，水合硅酸钙脱水导致水泥浆开始收缩。同时，大量水汽和气体耗散的影响导致混凝土结构膨胀，孔隙开裂导致混凝土抗压强度降低[8]。在500℃时，混凝土的抗压强度显着下降至室温时的60%左右。此时，混凝土内部结构水和水化产物几乎完全消失，裂缝和孔隙进一步发展。氢氧化钙分解产生吸热反应，孔隙进一步扩大，混凝土开始发生宏观破坏。在700℃时，水泥中未水化的水泥颗粒和石英颗粒结晶，导致混凝土剧烈膨胀。化学反应产生的分解产物在高温下部分熔化，冷却后失去强度。普通混凝土在700℃左右的强度约为常温的30%。
3.2 抗压强度随加热时间的变化
图5为应变速率为10-5/s条件下试块的抗压强度与加热时间1 h的抗压强度之比分布。
从图5可以看出，高温混凝土加热0~3h时，其强度随加热时间的延长呈线性下降。这也说明混凝土的衰退主要发生在温度升高的过程中，且加热时间的影响低于加热温度的影响。改进。 100℃时，随着加热时间的延长，试块的抗压强度呈现下降趋势。在300℃时，随着加热时间的增加，混凝土试块的抗压强度逐渐下降。这是因为混凝土是一种热惰性材料。由于加热时间短，试块内部温度升高很少，产生温度应力。试块抗压强度略有下降；随着加热时间的增加，试块内部温度升高，促进未完成的水化反应，导致试块强度增加。在500℃时，试块的抗压强度下降趋势与300℃时相同。加热2小时后强度明显下降，然后减慢；原因是加热温度较高，试块内部温度的升高促使未完成的水合反应完成。 ，从而增加试块的强度；另外，随着加热时间的增加，试块内部的水分不断逸出，减少了水化反应，导致试块的强度下降。在这两个因素的共同作用下，试块的强度下降。变化表现出波动性[9]。当加热温度为700℃、加热时间为1小时时，试块内外存在的温度梯度造成裂纹，降低了试块的强度。随着加热时间的增加，试件内外温差逐渐减小，温度应力也减小。但试块内部温度升高导致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，在700℃下，加热时间为2h～3h时的强度下降幅度大于加热时间为1h～2h时的强度下降幅度。
综上所述，在一定加热温度条件下，混凝土的抗压强度随着加热时间的延长而降低，且加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
以混凝土加热时间3 h的抗压强度变化为例，在相同的加热温度和加热时间下，试件的抗压强度随着应变速率的增加而变化，如图6所示，这表明：应变率分别为10-5。 /s、10-4/s、10-3/s下试件的抗压强度与准静态下试件的抗压强度之比（假设应变率为10-5/s准静态） s）。从试验结果分析可以看出，同等条件下，随着应变率的增大，混凝土的抗压强度增大。从图6可以看出，当加热温度为300℃及之前时，当应变速率从10-5/s增加一个数量级到10-3/s时，普通混凝土的抗压强度增加了3%至5%。 ;而在500℃时，当应变速率从10-5/s增加到10-3/s一个数量级时，混凝土的抗压强度增加5%～8%，而在700℃时则增加10%关于。
混凝土的破坏是由裂缝的出现和扩展引起的，这需要相对大量的能量。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的时间积累能量，因此不得不通过增加应力来抵消荷载施加的冲量。因此，随着加载速率的增加，混凝土的强度也会增加[5]。
4 试验结论及展望
本文对混凝土在5个温度、3个加热时间、3组应变速率下的力学性能进行了试验研究，主要得出以下结论：
(1)混凝土经受高温后的表观特征发生变化，主要表现为颜色变化和表面裂纹的发展。受高温后，试块颜色由原来的蓝灰色变为微红色、深红色、灰白色； 300℃时试块表面裂纹较少且细小； 500℃时，出现较多大裂纹钢结构材料力学性能，个别角部缺失； 700℃时，试块表面布满贯穿状裂纹，有大量表皮剥落，所有棱角均缺失。
(2)混凝土的温度损伤效应较为明显。在相同应变速率下，其抗压强度随着温度的升高而不断降低，300℃后迅速衰减。
(3)加热时间对高温后混凝土性能变化的影响不可忽视。在温度、应变速率等一定条件下，随着加热时间的增加，混凝土的抗压强度一般呈下降趋势。
(4)混凝土作为应变率敏感性较强的建筑工程材料，其抗压强度随着应变率的增大而增大。不同温度下应变率效应差异较小。
参考
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[2] 秦立坤，宋玉璞钢结构材料力学性能，王烈东，等。高温后混凝土双轴压缩性能[J].土木工程学报, 2005, 38(10): 97-101.
[3]刘景涛，郭文阳。浅谈建筑结构耐火研究现状[J].科技视野，2012，5(12)：200-201。
[4]于志武，紫伟，匡亚川，等。加热温度和时间对混凝土抗压强度的影响[J].消防科学技术，2012，31(2)：111-114。
[5]胡世胜，王道荣。混凝土材料动态力学性能试验研究[J]．工程力学, 2001, 18(5): 115-118.
[6] 王志坤，徐金宇，范建设，等。温度和应变速率对地聚物混凝土抗压强度的影响[J].振动与冲击，2014，33(17)：197-202。
[7] 黄正宇，谭斌．活性粉末钢纤维混凝土压缩应力-应变曲线研究[J].中国三峡大学学报：自然科学版，2007，29(5)：415-420。
[8] 李逵.高温混凝土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，杨定一，朱静，等。维维纤维混凝土高温后力学性能研究[J].具体，2015（7）：40-48。
