考虑温度条件下高性能混凝土的力学性能试验研究

黄兆麒　郑学重

摘要：文章通过单轴压缩试验和巴西劈裂试验，研究了高性能混凝土和普通混凝土的力学性质差异，并进一步探讨了温度对高性能混凝土抗压强度的影响。主要得到以下结论：（1）单轴压缩试验表明，室温下高性能混凝土的抗压强度和弹性模量与普通混凝土相比均有显著提升，其密实度和体积稳定性更强；（2）巴西劈裂试验表明，混凝土的抗拉强度远低于其抗压强度；（3）温度升高时，高性能混凝土的抗拉强度先降低再升高，最后再逐渐降低，当温度升到800 ℃时，C30、C40和C50的抗压强度大致相同；（4）高性能混凝土的抗压强度和升温速率呈正相关。

关键词：高性能混凝土；力学特性；高温影响；单轴压缩试验

0引言

随着我国工程建设的不断推进，绝大部分建筑结构都离不开混凝土。由于混凝土的价格低，成型之后的强度高，因而被广泛应用于各种结构物中，诸如高层建筑、桥梁和隧道的建设等。其中，高性能混凝土由于具备密实性高、强度大和耐久性高等特点，被广泛关注［1］。但是，在发生火灾等极端条件下，高性能混凝土由于耐火性差、脆性大，容易出现变形和开裂等问题，时会导致建筑物坍塌，严重危害人民生命安全［2］。

近年来，已有大量学者对高性能混凝土的力学特性进行了研究。肖力光等［3］研究了不同矿物掺合料对高性能混凝土的力学性能的影响，结果表明，不同矿物掺合料在最佳配合比下，能够使混凝土的强度提升22%。王成启等［4］研究了高性能混凝土中钢纤维尺寸对混凝土力学性能的影响，结果表明，钢纤维的长径比越大，高性能混凝土的抗压强度、抗沖击等力学性能越好，但增加的幅度逐渐减小。崔钊玮等［5］通过白云石取代水泥对混凝土进行了改良，结果表明，白云石粉掺量越大，混凝土的抗压强度越低。当白云石粉取代水泥用量少于10%时，混凝土的弹性模量有所提升。

由于高温下针对高性能混凝土的力学行为和破坏模式尚未完善，因此，本文基于前人对高性能混凝土的研究成果，通过单轴压缩试验和巴西劈裂试验研究高性能混凝土和普通混凝土的力学差异，并在此基础上研究温度对高性能混凝土抗压强度的影响。

1 混凝土试件的制备

为了满足试验要求，本文分别配置了3种强度的高强度混凝土和普通混凝土（C30/C40/C50）。为保证试验成功，严格参考《普通混凝土配合比设计规程（JGJ55-2011）和《高性能混凝土应用技术规程》（CES207：2006）等相关规范要求确定制备混凝土的配合比。普通混凝土的配合比以及高性能混凝土的配合比如表1和表2所示。在制作混凝土试件时，先利用模具制作出30 cm×30 cm×30 cm（长×宽×高）的立方体试件，再根据规范进行养护。养护好的混凝土试件使用自动取芯机钻取试验所需的圆柱形式样，打磨光滑后进行试验。其中，单轴压缩试验试件尺寸为75 mm、高150 mm。巴西劈裂试验试件尺寸为75 mm、高40 mm。

2 常温条件下混凝土单轴压缩试验

为测试高性能混凝土和普通混凝土常温下的抗压强度、抗拉强度以及变形模量等参数，共设计C30、C40、C503种强度，每组选择3个平行试样，共计18个试样。试验过程中使用万能试验机进行加载，试验机加载速率为0.5 MPa/s，直到试样发生破坏后停止加载。由于篇幅所限，混凝土的应力-应变曲线如图1所示（以C30普通混凝土1号试样为例）。其中，εv=ε1+2ε2，εv表示混凝土式样的体积应变，ε1为纵向应变，ε2为横向应变。由图1可知，在混凝土式样受压初期，应力-应变曲线近似为直线，但随着应力逐渐增加，应力-应变曲线逐渐趋于平缓，直至破坏。此时试样发生的是近似线弹性变形。荷载进一步增加之后，试样逐渐受压破坏，产生裂纹，导致体变εv一直增加。

不同强度的混凝土单轴压缩试验结果的平均值如表3所示。由表3可知，同等强度下高性能混凝土的抗压强度和弹性模量优于普通混凝土，C30强度的高性能混凝土比普通混凝土抗压强度提升18.4%、变形模量提升8.7%，而C50强度的高性能混凝土比普通混凝土的抗压强度提升了16.04%，变形模量提升了7.9%。

3 常温条件下混凝土巴西劈裂试验

与单轴压缩试验相同，巴西劈裂试验中试样共计18个，尺寸为75 mm、高40 mm。将试样放在自制巴西劈裂夹具上之后，通过万能试验机进行加载，加载速率调整为0.3 MPa/s。抗拉强度参考相关规范进行计算，不同混凝土式样的劈裂强度试验结果如表4所示。由表4可知，高性能混凝土的抗拉强度均比普通混凝土的好，C30强度下的高性能混凝土抗拉强度较普通混凝土提升6.7，而C50强度下的高性能混凝土的抗拉强度较普通混凝土提升12.7%。并且由表4还可分析出，混凝土强度越高，高性能混凝土抗拉强度提升的比例越显著。

4 高温条件下混凝土单轴压缩试验

为研究高性能混凝土在不同温度下的力学性能，本次试验中常温设置为室温25 ℃，高温则从100 ℃开始，每次增加100 ℃，直到增加至800 ℃，共计9个温度梯度。高性能混凝土试件强度同样选取C30、C40和C503种强度等级，加热速率选择5 ℃/min和10 ℃/min，保持恒温时间为1 h，每组3个试样，共计27个试样。加热时将式样放入电炉中进行加热，然后详细观察记录加热过程中的现象。

加热过程主要分为3个阶段：（1）在加热到230 ℃前后，可以观察到混凝土表面出现了少量水蒸汽；（2）随着温度的进一步升高，当温度达到310 ℃前后时，混凝土表面的水蒸汽量最大；（3）当温度≥500 ℃时，水蒸汽基本消失。在加热过程中，高性能混凝土出现失水减重的现象，不同温度下的混凝土失重规律如图2所示。由试验结果可知，加热的温度越高质量损失率越大，在100 ℃～600 ℃，质量损失率近似呈线性分布，当温度＞600 ℃之后，质量损失率陡增，当温度达到800 ℃时，质量损失率达到24%。

高性能混凝土在进行单轴压缩试验时，需要进行保温处理。加热完成后的试件立马使用3 cm厚的泡沫严实包裹起来，然后再将其置于万能试验机上。为了减少试验误差，将同一温度下的3个试样的抗压强度取平均值，作为最终实验结果。不同温度下高性能混凝土的抗压强度如表5所示。

为进一步分析不同温度下高性能混凝土的抗压强度，将表5中的数据通过图3和图4来表示，做深入分析。当升温速率为5 ℃/min时，不同强度等级的高性能混凝土抗压强度与温度的关系如图3所示。由试验结果可知，不同强度的高性能混凝土的抗压强度随温度变化规律大致相同，随温度的升高呈现出先减小再增加，最后再减小的趋势。在300 ℃时，高性能混凝土的抗压强度达到峰值，此时C30的高性能混凝土的抗压强度为46.81 MPa，而C50的抗压强度为64.31 MPa（与常温状态相比，抗拉强度提升5%左右）。

当升温速率为10 ℃/min时，不同强度等级的高性能混凝土抗压强度与温度的关系如图4所示。由图4可知，升温速率对混凝土的强度影响有限，不会改变抗压强度随温度的变化规律。通过对比图3和图4可知，升温速度越快，混凝土的抗压强度越大。此外，不同强度等级的高性能混凝土在温度达到800 ℃时，抗压强度几乎一致。

5 结语

本文基于单轴试验和巴西劈裂试验，详细地研究了普通混凝土和高性能混凝土在常温下的力学差异，并进一步研究了温度载荷对高性能混凝土抗压强度的影响，得出主要结论如下：

（1）单轴压缩试验结果表明常温下高性能混凝土的抗压强度和弹性模量均优于普通的混凝土，说明高性能混凝土的稳定性更强也更为密实。

（2）巴西劈裂试验结果表明混凝土的抗拉强度远小于抗压强度，并且混凝土的强度越高，高性能混凝土抗拉强度的提升比例越显著。

（3）温度对高性能混凝土的影响显著，随着温度的增加，高性能混凝土的抗压强度先降低再升高，最后再降低。不同強度等级的混凝土在温度达到800 ℃时的抗压强度基本相同。

（4）其他条件相同时，升温速率越快，混凝土的抗压强度越大。

参考文献：

［1］阚黎黎，王 飞，邬海江，等.不同养护条件下混杂钢纤维超高性能混凝土的早龄期力学性能及开裂特性［J］.硅酸盐学报，2022，50（2）：429-437.

［2］李卫文，高 波，樊亚男.高温后C60纤维混凝土力学性能及超声变化［J］.混凝土，2021（8）：38-41，46.

［3］肖力光，岳喜智.稻壳灰复合矿物掺合料与纤维协同作用对地铁混凝土性能的影响［J］.应用化工，2023（1）：102-105，111.

［4］王成启，郭玉林，梁远博.钢纤维对超高性能混凝土性能的影响［J］.水运工程，2022（9）：22-26，34.

［5］崔钊玮，杨靖韬，刘荣桂.白云石粉掺量对水泥混凝土力学性能影响研究［J］.非金属矿，2022，45（4）：39-41.

作者简介：黄兆麒（1994—），硕士，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。