高温对混凝土抗压强度的影响

摘要:由于混凝土材料中粗细骨料和水泥等材料的热工性能不同，在高温作用下，这些材料间的物理化学作用使混凝土力学性能产生变异，进而导致混凝土力学性能劣化。实验采用液压伺服试验系统对经历相同时间恒温加热，不同温度作用后的C30普通硅酸盐混凝圆柱体试块进行抗压强度试验，详细描述高温后试块的外观特征及抗压破坏特征，探讨分析了不同加热温度对混凝土的抗压强度力学性能的影响。本试验结果表明：高温后，混凝土的力学性能随温度的升高而劣化，表现为随着受热温度的升高，混凝土的抗压强度降低。此外，还探讨了混凝土抗压强度随温度变化的规律，得到了混凝土抗压强度随温度变化的试验曲线。

关键词：混凝土；高温；抗压强度

Effect of temperature on the compressive strength of concrete

Abstract：The thermal properties of concrete material of coarse aggregate and cement and other materials, under the condition of high temperature, the physical and chemical effects of these materials to make the mechanical properties of concrete mutation, resulting in deterioration of mechanical properties of concrete. The experiment adopts hydraulic servo test system to experience the same constant temperature heating time, different temperature after interaction of C30 ordinary portland concrete cylinder specimens were subjected to compressive strength tests, described in detail after high temperature test appearance characteristics and compressive block failure characteristics, to explore the effect of compressive strength of different heating temperature on mechanical properties of concrete is analyzed. In addition, also discusses the rule of concrete compressive strength varies with temperature, a regression formula of compressive strength of concrete with temperature changes, comparing the regression curve with the test results, the regression curve can be simulated well test curve.

keywords：concrete; elevated temperature; compression strength

1 绪论

1.1建筑火灾的危害

火在人类生活和生产中起着巨大的作用，但是火失去控制成为火灾后给人类也造成了巨大的损失。在我国，建筑火灾形势也十分严峻，火灾发生起数和由此造成的损失显著上升。据统计报告，1993−1997年的五年间，平均年火灾发生38万起，直接经济损失约12亿，死亡2500人，其中建筑火灾居首位，占火灾总数的60％左右，其直接经济损失占总火灾损失的80％以上[1]。

近年来，随着国民经济和现代化建设的发展，高层建筑不断涌现，房屋密度加大。加之大量新型材料广泛应用于建筑业，以及燃气、电器的普遍使用，大大增加了建筑物发生火灾的可能性，人们预测和控制火灾的压力越来越大。随着我国现代化建设的发展，建筑物向高层、超高层不断发展，人口密度增加，建筑火灾带来的危害也越来越大，每年我国因为火灾造成的直接经济损失达到数十亿元，而火灾带来的间接经济损失则更多，统计分析表明，火灾的平均间接经济损失是直接经济损失的3倍左右[1]。

1.2混凝土的组成

混凝土是以水泥为胶结料，把水泥和砂、石等骨料以及添加剂、水按一定比例配合、搅拌而成的物质。刚搅拌成的混凝土，在一定时间内呈流塑状态。因此，可以制成任意大小和形状的结构和构件。在成型以后经过一段时间，水泥和水进行水化反应，便硬化成具有一般石料性质的人造石，在建筑中常与钢筋配合使用，组成钢筋混凝土结构。

混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛，因此它是现今世界上用途最广、用量最大的人造建筑材料，也是最要的建筑结构材料。

1.3混凝土的力学性能

混凝土的强度有抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度等，其中以抗压强度值最大。因此，抗压强度是衡量混凝土材料最重要的力学性能参数，工程应用中混凝土主要用来承受压力。国内外许多学者长期以来进行了大量试验研究，发现混凝土抗压强度是各项性能中最基本也是最重要的一项，能直接反映材料本身受高温影响后的力学性能，并直接或间接影响着混凝土的其他性能。由于混凝土材料中粗细骨料和水泥等材料的热工性能不同，在高温作用下这些材料间的物理化学作用使混凝土力学性能产生变异，进而导致混凝土力学性能劣化，使混凝土结构的安全性降低。可见高温后，抗压强度高低对于结构的承载力及安全使用同样起着很重要的作用。

1.4国内外研究现状

1.4.1国外研究状况

国外对于混凝土抗火性能的研究开始得比较早，大量的研究开始于50年代，美国、日本、英国、瑞典等国家对不同类型的混凝土在高温下的热工特性和力学性能、钢筋混凝土构件、结构及预应力钢筋混凝土结构的抗火性能进行了大量的研究[2]。对高温下混凝土在单向、多向应力作用下的应力一应变关系以及强度、变形性能均进行了系统的研究。

1.4.2国内研究状况

国内对钢筋混凝土的抗火性能的系统研究开始得比较晚。主要是从80年代起，同济大学、清华大学、哈尔滨建筑大学等学校先后分别开始对高温下混凝土的力学性能、火灾下钢筋混凝土构件内部的温度分布、钢筋混凝土构件、钢筋混凝土框架及预应力混凝土结构等的抗火性能进行了较为系统的实验和理论研究，积累了不少研究资料[3-6]。同济大学还对高温下普通混凝土热工性能进行了测定[3]。国内学者对于高温下不同混凝土在单向应力作用下的应力应变关系已经进行了比较系统的研究[3]，对高温下混凝土在单向应力作用下的强度、变形性能均有了比较深刻的了解，对于高温下混凝土在双向应力作用下强度及变形性能也有了部分研究，取得了混凝土在双向应力作用下强度及变形随温度变化的规律[4,5]。

李卫等[7]对高温后混凝土的抗压、抗拉强度及变形性能进行的试验研究，分析了高温后混凝土力学性能的变化规律和机理，并给出了相应的计算公式；吴波等[8]对混凝土的应力—应变全过程及其变形指标进行的试验研究，分析了混凝土经历100～600℃高温作用过程中应力—应变曲线各阶段的特点，建立了相应的应力—应变全曲线方程；阎继红等[9]对混凝土材料进行了不同温度、不同静置时间、不同冷却方式及不同养护条件等情况下的相关试验，研究了这些因素对混凝土抗压强度的影响，并得出了计算公式；吕天启等[10,11]通过大量试验，研究了高温静置后混凝土抗压强度变化的原因，探讨了高温后静置混凝土的抗压强度、弹性模量和应力—应变关系等力学性能的变化规律，给出了各力学指标的拟合回归公式；李宁波等通过4种水灰比混凝土的高温后强度试验，分析了混凝土的残余强度衰减规律及其高温衰退机理。但是现有研究并未就某一温度下的相同加热时间对混凝土力学性能的影响进行全面的研究和分析，因此本文对经历不同温度、不同加热时间作用后的混凝土力学性能进行了试验研究，探讨混凝土抗压强度随温度变化的规律。

研究成果表明，400℃后混凝土强度开始剧烈下降，残余强度随着温度的升高逐渐降低，但是从常温到400℃这个温度区间混凝土的强度变化比较复杂，在200℃内强度损失不大，从300℃开始强度损失就比较严重了，特别是600℃后强度剧烈降低。由此可以预测800℃甚至更高的温度时混凝土试块的残余强度将会很小。

1.5研究内容及意义

1.5.1研究内容

本研究通过采用液压伺服试验系统对经历相同时间恒温加热，不同温度作用后的C30普通硅酸盐混凝圆柱体试块进行抗压强度试验，详细描述高温后试块的外观特征及抗压破坏特征，探讨分析了不同加热温度对混凝土的抗压强度力学性能的影响。

1.5.2研究意义

一般的混凝土结构在建造过程和长期的使用期间，当处于正常的工作条件下，其温度绝对值不高，波动不大，按照现行规范[12]进行设计，可保证结构安全，并满足建筑物的使用功能要求。但是，如若结构的环境温度升高很多，或温度差发生周期性变化时，可能使结构因为使用性能恶化或承载力下降而失效，甚至酿成局部破坏，以至整体倒塌。

混凝土的抗压强度是评价其力学性能的最重要、最基本的指标。不同温度下混凝土的力学性能研究，为人们进一步分析火灾情况下混凝土构件内部各点的应力分布和评估结构在不同温度下的损伤情况和安全性提供依据。建筑物遭受火灾后，其结构内部升温，形成不均匀的温度场，材料性能严重恶化，导致结构不同程度的损伤和承载力的下降。作为建筑物的承重和支撑体系，其结构必须在一定时间期限内保持足够的承载能力，以便使受灾人员安全撤离现场，消防人员进行灭火，救护伤亡人员和抢救重要器物等活动。

2 试验设计介绍

2.1引言

随着我国经济的不断发展，人民的生活水平得到提高，同时也伴随着火灾的不断发生。上文中已介绍我国每年发生大量的火灾，而且随着建筑物高层化发展火灾带来的危害也越来越大。我们知道，高温后混凝土的力学性能发生了巨大的变化，由此可以猜想：火灾后没有坍塌的建筑物能否可以继续使用？

正是因为这个猜想的引出，所以本人拟定了这个实验方案[13]，来探究高温后混凝土的力学性能，从而来解答上述的猜想。

2.2原材料与混凝土配比

在本次试验中，所采用的水泥是云南东骏水泥有限公司于2013年2月21日生产的P•S42.5级的普通硅酸盐水泥，该水泥是按照国家新标准GB175-1999组织生产的，它具有早强，28天富裕强度高，凝结时间正常，和易性好的特点，在全省质量评比中名列前茅。所采用的细骨料为细河砂，粗骨料为碎石子，骨料的最大粒径可达10mm，水为自来水。本试验所采用的混凝土标号为C30，混凝土每立方米的配合比以及其性能指标见表1。

表1 每立方米混凝土的配合比

本试验混凝土试块为直接50mm，高10mm的圆柱体，试验采用直径50mm的阻燃性硬质PVC聚氯乙烯管作为制备混凝土试块的模具。先将PVC聚氯乙烯管切割为11cm长的短管，经过打磨使其长度达到10cm，再将其切割成两半，重新组装并且用塑料胶带纸绑好，使其恢复原状。

按照C30混凝土的标准配合比量取水、水泥、沙子、石子，将其倒入搅拌桶中，充分搅拌；将配置好的混凝土分层放入模具中，充分捣实，直至拌合物表面呈现水泥浆时为止；用镆刀沿试模边缘将多余的拌合物刮去，并用镆刀将表面抹平；于室内阴凉处常温静置，使其自然硬化。

2.4混凝土试块的养护

混凝土试块的养护采用室内（20℃）自然条件下养护，试件成型后应覆盖表面，以防止水分蒸发，并应在室内阴凉处；常温条件下静置1～2天，拆下模具；拆模后的试件应隔天浇水继续养护，避免用水直接冲淋试件；拆模后，试件仍需要保持同等条件下养护28天，使混凝土试块具有充分的强度。

2.5加热设备及热处理过程

本试验采用的高温试验炉为上海特成机械设备有限公司制造的SX2-10-12型箱形高温电阻炉，炉膛净空为(400×250×160) mm，额定功率10kW，最高温度1200℃，配套使用KSW-12-16型电炉温度控制器，最高控制温度可达1200℃，炉温由一个热电偶测定。

本试验共分为常温(20℃)、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃十个温度档（见表2），每组三个平行试验。将需加热的混凝土试件置于炉内加热，待温度达到预设温度时开始计时，并且使试件恒温加热120min。加热结束，切断电源，小心取出混凝土试块放在地面，令其在自然环境中冷却一天后进行抗压强度试验。冷却后给混凝土试块标号，并记录加热后混凝土试块的表面变化特征。

表2 实验温度档取定表

2.6压力试验设备及加压处理过程

2.6.1压力试验设备及加压处理过程

压力试验设备采用西南林业大学土木工程学院力学实验室SANS型微机控制液压伺服压力试验万能机，是由上海华龙仪器有限公司生产。设备型号WHY-10KN，试验机的最大荷载为1000kN，量程可分多档，试验力测量范围0.4%--100%，试验力示值误差为±0.5%。试验采用计算机应力控制方式，将经历高温热处理后的混凝土试样放置在压力试验机上，以0.5MPa/s的速率沿轴向均匀施加荷载，直至试样破坏，试验数据由试验系统自动采集。

待试块冷却后，将试块取出后擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观；将试块放在下承压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直，试件的中心应与试验机下压板中心对准；开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡；加压时，应连续而均匀地加荷，加荷速度控制在0.5MPa/s；当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机加压控制器，直至试件破坏，记录破坏载荷。

重复上述过程，将7组试件分别测试，记录数据。

2.6.2实验注意事项

(1)压力机 

在进行混凝土抗压强度试验的过程中，必须选择精度和量程都满足条件的压力试验机，只有这样才能降低测试误差，提高混凝土强度测定值的准确性。另外，在测试的过程中，混凝土试件的中心要对准上下压板的中心，也就是要试件、上压板、下压板中心为一直线，这就要求试验机的上下压板必须中心相对，若上下压板中心偏离，混凝土试件受力不均匀，使得测出结果会比实际值偏低。另外，压力机上下压板的平整度对混凝土抗压强度试验结果亦有影响，压板不平、球座不灵活都会使试件产生局部受压，降低强度检验结果。

(2)加荷速度

试验过程中，加荷速度对于混凝土立方体的强度具有一定的影响，加荷速度的快与慢，会造成测试结果和真值相比偏高与偏低。当加荷速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加，故破坏时强度偏高；而加荷速度较慢时，由于试件破坏荷载大，到接近破坏阶段，尽管油门已开至最大，但加荷速度还是达不到规定的要求，结果破坏荷载就会明显减小而不能正确反映混凝土的真实强度。因此，在GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准中规定了不同等级混凝土立方体试件的加载速度为：混凝土强度等级小于C30时，加荷速度取每秒0.3MPa～0.5MPa，所以我们在试验过程中应严格按标准的规定速度加荷。

2.7数据处理

水泥块圆柱体试件抗压强度按下式计算：

                                                (1) 

式中：——水泥圆柱体试件抗压强度，MPa；

       F ——破坏载荷，N；

       A ——试块承压面积，mm2 。

以三个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度，精确至0.01MPa。

3 试验部分

3.1温度的选定

为了便于科学研究和制定防火规范，世界各国都依据实验结果制定能代表本国一般建筑火灾发展规律的标准温度-时间曲线。实际上，各国绘制的标准温度-时间曲线形状十分近似，我国采用国际标准（ISO834）规定的标准火灾温度-时间曲线（见图1）。

图1 标准火灾温度曲线

图示为标准火灾温度曲线图，根据火灾发展及温度变化规律，为了使实验能够更真实的模拟火灾环境，使混凝土能达到火灾环境中最高温度和有充足的时间发生物理化学反应，同时结合实验实际条件，最终本试验将混凝土试块在恒温下加热120min。

3.2混凝土试块表观特征

常温至200℃时，试块颜色和表面特征与常温状态相同；400℃开始，表面有少量细微裂缝，颜色暗灰；600℃时，试件表面出现较多细微裂纹，且有少量掉皮、缺角现象，颜色由暗灰到灰白；700℃混凝土表面的颜色开始变浅，呈现淡灰色，表面开始出现可见的细微裂缝，无缺角现象；700℃以上时，试件表面有较多明显的宽裂纹，有明显的疏松爆裂状况，且有大量掉皮、缺角现象，颜色呈灰白色，冷却后触碰掉渣，完全松散(见表3）。

表3 火灾温度作用后混凝结构构件外观特征表

混凝土试件在200℃温度下，高温对混凝土力学特性影响不大，单轴受压条件下，试件表现为柱状破坏。

受火温度为300℃到500℃的试块在抗压过程中，破坏特征基本类似，单轴受压条件下，试件主体表现为柱状破坏，但由于表面的裂纹的存在和水分的丧失，试件表面带有较多的片状破坏：最初试块没有明显裂缝出现，随着荷载的增加，当快要达到破坏荷载时，试块的边角开始出现细微斜裂缝并逐渐发展；当达到破坏荷载时，在很短的时间内发生斜截面剪切破坏，边角掉落，承载力骤然降低，并且伴随着较清脆的声响。破坏面不仅在骨料的表面以及砂浆的内部，而且骨料本身发生大量破坏。  

受火温度为700℃的试块，因本身存在较多的温度裂缝，试块在压坏时，破坏面松散，有少量核心。破坏面依然主要在骨料与砂浆的结合面及砂浆的内部，骨料本身也存在少量破坏。

700℃以上的混凝土试块冷却后自然松散，除800℃的混凝土试块有少量的核心外，其余均没有，且混凝土试块中的骨料完全分解，一触即碎，化为粉末。

3.4试验数据

连续均匀地加载荷载，直至试件破坏。荷载及变形等数据由试验机配套的数据采集软件自动采集，得到试件荷载－位移曲线。然后再根据不同温度处理后混凝土试块所得的极限载荷与试块受力面积的关系，绘制出试验数据表（见表4、表5）。

表4 各组试块抗压强度极限值

图2 高温后混凝土抗压强度曲线

T=100℃，混凝土内部自由水蒸发，试件内部形成孔隙和裂缝，混凝土抗压强度略微降低，但强度降低不明显，基本与常温情况下相同；

    T=200−300℃，混凝土的微观形貌变化不大,有利于水泥的水化,加快水化物的生长，混凝土的抗压强度值逐渐回升，甚至超过常温强度然后随着温度的增加强度开始降低；

    T=400−500℃，混凝土强度急剧下降，这是因为水泥胶体与粗骨料的变形差逐步增大，界面裂缝不断开展延伸；

    T>500℃后，Ca(OH)2开始脱水，体积膨胀，促使裂缝进一步开展；

T>600℃后，水泥中未水化的颗粒和骨料中的石英成分晶体化，伴随着巨大的膨胀，甚至在骨料内部形成裂缝，随温度的升高而继续下降。

3.6抗压强度损失率随温度的变化曲线

图3 高温后混凝土抗压强度损失百分率曲线

从图3可以看到抗压强度损失率随着温度的升高逐渐增大，在200℃内强度损失不大，但在300℃左右强度损失出现负增长，300℃开始强度损失就比较严重了，特别是400℃后强度损失加剧，800℃甚至更高的温度时混凝土试块的强度将会完全丧失。

3.7原因分析

高温下混凝土强度的变化是由其微观变化而造成的，其微观变化又可由材料随温度变化作用的变形情况来加以说明[9，12]。我们知道，混凝士是由水泥、骨料及孔隙组成的性能复杂的混合体。当混凝土加热时，在200℃以内的受火温度下,较常温相比,混凝土的微观形貌变化不大,有利于水泥的水化,加快水化物的生长；当温度在300℃左右时，由于C—S—H凝胶脱去部分化合水或结晶水，而使结构变得更加致密和强度的增加；在300℃受火温度之后,混凝土中结晶水开始散失,水化物开始分解,在受火温度达500℃时,结晶水大部丧失,水泥水化物也大部分解,骨料相亦开始脱水,混凝土表面出现明显裂纹。在700℃的受火温度之后,结晶水完全丧失,水泥水化物已不存在,混凝土表面裂纹明显而且相互连通。在800℃的受火温度之后,混凝土已不成形。

4 试验结论

经过高温作用以后，混凝土的力学性能会发生复杂的变化。总体上来说，混凝土的极限抗压强度会随着温度的增加而降低，但在一定温度范围内其强度会略有提高：温度在200℃以下时，其强度变化并不是很明显；300℃左右时其强度有所提高；400℃高温后，混凝土单轴抗压强度降低较明显；800℃混凝土强度完全损失。

5 参考文献

[1]袁杰，吴波等．火灾后高强混凝土结构的剩余抗力研究[J]．哈尔滨工业大学，2001，7

[2]T.Z.Harmathy：Thermal Properties of Concrete at Elevated Temperatures[J]，Journal of Materials，V01．5，No1，Mar,1970

[3]陆洲导．钢筋混凝土梁对火灾反应的研究[D]．同济大学博士学位论文．上海，19年10月

[4]过镇海，李卫．混凝土在不同应力-温度下的变形试验和本构关系[J]．土木工程学报，Vol．37，No．6，1977

[5]南建林，过镇海，时旭东．混凝士的温度-应力耦合本构关系[J]．清华大学学报，Vol．37，No．6，1997

[6]胡克旭．高温下钢筋混凝士粘接性能及钢筋混凝土门式刚架抗火性能研究[D]．同济大学硕士论文．上海，2000年2月

[7]李卫，过镇海．高温下砼的强度和变形性能试验研究[J]．建筑结构学报，1993，14(1):8-16

[8]吴波，马忠诚，欧进萍．高温后混凝土变形特性及本构关系的试验研究[J]．建筑结构学报，1999，20(5)：42—49

[9]阎继红，林志伸，胡云昌．高温作用后混凝土抗压强度的试验研究[J]．土木工程学报，2002，35(5)：17—19

[10]吕天启，赵国藩，林志伸等．高温后静置混凝土的微观分析[J]．建筑材料学报，2003，6(2)：135—141

[11]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，2004，25(1)：63—70

[12]中华人民共和国建设部．混凝土结构设计规范GB50010－2002[S]．中国建筑工业出版社．北京，2002年

[13]中华人民共和国建设部．普通混凝土力学性能试验方法国家标准GB/T5008—2002[S]

6 指导教师简介

崔飞，男，汉族，讲师，2004年毕业于沈阳航空航天大学消防工程专业，获学士学位；2013年毕业于昆明理工大学安全工程专业，获安全工程硕士学位；国家注册安全工程师。现任教于云南昆明西南林业大学土木工程学院消防工程教研室教师，主要从事“消防管理”“建筑防火”“防排烟工程”等课程的教学工作。第一作者发表学术论文5篇，参编教材2部，主持项目3项。

7 致谢

    在此，我要深深地感谢我的指导老师，感谢XX老师在这两个多月实验过程以及毕业论文撰写的过程中给予的辅导、帮助和意见，从他那里我不仅学到了理论知识和实际经验，更重要的是他的谆谆教诲和鼓励使我有更大的信心面对未来，这是我今后学习工作中可以利用的最宝贵的财富。

    同时借此感谢这四年来，教育我帮助我的各位老师和同学。正是因为你们的帮助和指引，才使得我少走了许多弯路，不断向我的目标迈进；也正是因为你们的默默奉献，才使得一届届消防人迈出校园，顺利的走进各自的工作岗位。和你们的朝夕相处结下了深厚的友谊，我会珍惜这难得的缘分和情谊。

    最后，最深深的感激要送给生我养我为我操了一辈子心的父母亲。他们的教诲将伴随我的一生，他们的亲情是使我在今后学习和工作中不断取得进步的永恒动力。