混凝土高温力学性能研究综述

混凝土高温力学性能研究综述

翟鸿漾，于正海，王子杰*

宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 70021

摘要：自混凝土被发现以来，其凭借着出色的强度和性能逐渐成为最重要的建筑结构材料之一。但随着时间的推移，混凝土的各种问题也逐渐凸显出来。例如随着火灾的日益频发，混凝土建筑结构材料的耐火性问题逐渐进入了人们的视野。其中，高温性能作为衡量混凝土建筑物结构承受火灾破坏能力的重要指标之一，学者们对其做了大量的研究。在此，本文综述了混凝土高温力学性能研究进展，分析了混凝土高温破坏机理以及高温力学性能影响因素，为我国混凝土结构材料防火研究、设计等方面提供一定的参考。

关键词：混凝土  高温  力学性能  破坏机理  影响因素  研究方向

0 引言

混凝土作为一种由骨料和水泥浆体组成的多相复合材料，是当今最重要的，也是发展最迅猛的建筑材料之一。但随着近些年来火灾的频繁发生，不仅对人们的生命财产造成了巨大的破坏，对经济也造成较大的损失。混凝土在普通火灾甚至是极端高温的作用下的各种性能也逐渐引起了研究人员的关注，尤其是对混凝土高温后力学性能方面的研究。

在对国内外高温试验研究成果以及火灾现场的了解下，获知当发生火灾时，在高温的作用下混凝土的材料性能会严重劣化，进而会引起结构承载力与力学性能的下降[1-6]。尤其是当今的高层房屋建筑结构的普及下，更显得对火灾高温破坏后混凝土的力学性能研究的重要性。本文分析了骨料类型、水灰比以及受火温度等因素对混凝土高温下力学性能的影响，为未来混凝土高温力学性能研究方向提出了一些看法与建议。

1 混凝土高温破坏机理

混凝土在高温的作用下，内部会随着加热温度的变化发生一系列的物理化学反应变化。学者们通过对混凝土在高温后的微观结构、物质成分变化来研究了混凝土高温作用下的破坏机理。

1.1 混凝土经受不同温度下的物理化学变化

混凝土在随着逐渐升高的温度的作用下，内部也会发生着相应的不同的变化。下面就通过对混凝土骨料、内部水分以及物质成分在不同温度下的具体变化来解释其承载力的变化特征。

在相对较低温度（即300℃以下）作用时，王孔藩等[9]人发现：混凝土在温度达100～300℃时，混凝土的抗压强度与常温强度相差不大甚至有所提高。当作用温度上升到300℃以后，水泥砂浆就无法阻止骨料的膨胀，于是微裂缝进一步的发展扩大；与此同时温度达到400℃以后，Ca(OH)2也会将持续失水分解。

当作用温度达到700℃及以上时，此时混凝土内部几乎完全失水；而且此时由于骨料裂缝的产生，混凝土强度严重下降。

1.2混凝土经受高温后的破坏原因

混凝土在高温下破坏的主要原因归总为四类：1.骨料的受热破坏；吕天启等人[7]就通过研究发现了粗骨料在高温下会发生石英石的转化和石灰岩脱碳等反应现象；2.水泥石与骨料间联系的破坏；董毓利[8]的著作内容表示在高温作用下，骨料发生膨胀变形，而水泥胶体则因为脱水等原因出现收缩现象, 水泥石与骨料间联系发生破坏；3.水化矿物的分解；姚韦靖[9]便发现了当混凝土作用温度超过900℃时，整体结构疏松。原因是石灰岩碎石经600℃高温后分解为CO2、水泥砂浆等材料。4.水泥水化各种产物的高温变形；在温度的上升过程中，混凝土中未水化的矿物（CaS,C3A等）均会发生表现为膨胀的变形，温度越高膨胀越大。当拉应力达到一定值时，结构就会发生破坏。

2[1]混凝土高温后力学性能的影响因素

   影响混凝土高温后力学性能的因素有很多，其中不仅包括外界环境的因素，也有着混凝土自身材料的限制。并且由于各个因素之间也可能存在着一些联系，综合分析较为复杂，所以下面叙述几点单独对混凝土高温后力学性能影响较大的因素。

2.1骨料类型

国内外均有学者们发现由不同类型骨料制成的混凝土在同等高温作用下所表现出的力学性能差异较大。正如国外早期时间就有学者通过不同骨料混凝土高温性能试验，指出了集料稳定性对混凝土高温性能有着重要影响作用的结论[10]。有文献指出在比较河砂与机制砂混凝土高温后性能后发现，河砂混凝土和机制砂混凝土的力学性能在300℃、500℃和700℃高温后的的变化趋势虽然基本一致，但在相同条件下机制砂混凝土的力学性能却不如河砂混凝土的力学性能[11]。

2.2 水灰比

学者[12]发现当温度在200℃以下时,强度损伤系数随水灰比的增大而减小；200～300℃时，规律明显；400℃以上时，强度损伤系数的离散性明显降低。这表明混凝土高温后力学性能与水灰比大小是有关的。

2.3  混凝土受火温度

最直接的影响混凝土在高温时力学性能的因素是受火温度，混凝土在不同温度作用下后的力学性能变化往往是不同的。资伟[13]当在混凝土受到较低受火温度时，适当的高温促进了其内部未水化的水泥熟料进一步水化完全，此时高温对强度的有利作用大于其分解、变形不协调等不利作用的规律。但随着温度进一步上升，由于骨料体积发生膨胀甚至其内部石英晶体发生晶型转变以及Ca(OH)

2等物质的脱水甚至分解等等的原因，混凝土的强度将会逐渐降低。

2.4 混凝土高温后静置时间

静置时间也是影响混凝土高温后力学性能的重要因素之一。当静置时间足够长时，混凝土的抗压强度不再下降的结论。在高温作用时，骨料和水泥浆体的温度变形以及水泥水化作用未充分进行，在静置一段时间后，这些物理和化学变化逐渐停止下来，抗压强度也有显著地下降。

3 总结

（1）随着研究的不断进行、发展与深入，研究人员应不断对混凝土高温破坏机理、力学数学模型等实验理论进行更新以应对更为复杂的实验反应与现象。

（2）广大学者进行的总是某些影响因素对混凝土高温下的单一或几种力学性能的影响实验研究，而不是对综合力学性能产生的影响研究。这使得研究结论缺乏说服力。

（3）研究人员们在探索各种因素对混凝土高温力学性能产生的影响时，却没有考虑到各个因素的耦合作用可能带来的影响。

参考文献：

[1]Leaf C The effect of temperature on some of the properties of mate-rials[J].Engineering,1920,110.

[2]Castillo C.and Durrani A.J.Effect of transient high temperature on high-strength concrete.ACI Mater.Jour.,1997,87(1).

[3]Neves I.C.,Branco F.A.,and Valente J.C.Effects of formwork fires in bridge construction.Concrete International,1997,9(1).

[4]Al-Mutairi N.M.and Al-Shaleh M.S.Assessment of fire-damaged Kuwaiti structures.J.Mat.In Civ.Engrg.,ASCE,1997,9(1).

[5]李凌志.火灾后混凝土材料力学性能与温度、时间的关系[D].上海：同济大学，2006.

[6]朱艳歌.受火后密肋复合墙体正截面承载力研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[7]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

[8]董毓利.混凝土结构的火安全设计[M] .北京:科学出版社, 2001.

[9]姚韦靖，庞建勇.玻化微珠保温混凝土高温后性能劣化及微观结构[J].复合材料学报，2019，36（12）：2932-2941

[10]Campbell-allen.D , Desal.P.M. The influence of aggregate on the behaviour of concrete at elevated temperatures[J].Nuclear Engineering & Design,1967,6:65-77

[11]金 鑫，杜红秀.细骨料种类对高温后高性能混凝土力学性能的影响[J].三峡大学学报（自然科学版），2015，37（2）：47-50

[12]霍静思,王鹏,禹琦.水灰比对高温下混凝土力学性能影响试验研究[J].安全与环境学报，2013，13（4）：199-206

[13]资伟，余志武，匡亚川，等.受火温度和时间对喷水冷却后混凝土剩余抗压强度的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2013,44（3）：1545-1550.

基金项目：2021年大学生创新创业训练计划（S202110749067）

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