近年来, 由于火灾的频繁产生, 给人民的生活带来了难以估量的损失。立方体抗压强度作为混凝土中最基本、最重要的一项力学性能, 能直接反映出混凝土构件遭受高温作用后的剩余力学性能。因此, 研究高温后混凝土抗压强度对火灾后混凝土结构的损伤评估及鉴定加固具有重大意义。

　　 近年来, 国内外许多学者对高温后及高温下混凝土力学性能进行了大量试验研究。Ma^[1], Ismail^[2]等学者对普通混凝土 (Normal Strength Concrete, NSC) 高温后力学性能进行了试验研究, 发现在300℃以内, NSC抗压强度缓慢下降甚至有稍微增加的趋势, 在300～800℃范围内NSC抗压强度急剧下降, 800℃温度作用后, 抗压强度基本丧失。赵东拂^[3]、吴波^[4]、李敏^[5]等对高强混凝土 (High Strength Concrete, HSC) 高温后的力学性能进行了相关试验研究, 研究表明, 达到200℃时HSC抗压强度开始下降, 400℃时HSC抗压强度仅为常温时的85%左右, 以600℃为界, 600℃前HSC抗压强度退化速率明显大于NSC, 600℃后退化趋势略小于NSC。为避免高温造成HSC爆裂^[6], 肖建庄^[7]、杜红秀^[8]等在HSC中掺入钢纤维 (Steel Fiber, SF) 或聚合物纤维, 有效地改善了HSC的高温爆裂性及其脆性, 还在一定程度上增加了HSC的韧性。李海艳^[9]研究了活性粉末混凝土 (Reactive Powder Concrete, RPC) 的高温爆裂情况以及高温后立方体抗压强度的退化规律, 结果表明, 单掺聚丙烯纤维 (Polypropylene Fiber, PF) 体积率为0.3%或SF体积率为2%时可以有效防止RPC发生爆裂;SF可以有效提高RPC高温后立方体抗压强度并改善其受压破坏特征, PF对RPC抗压强度则产生不利影响。

　　 目前, 对于高温后混凝土抗压强度的研究主要还是侧重于混凝土等级、冷却方式以及尺寸大小的比较上^[10,11], 而关于混凝土抗压强度与质量损失率的关系的研究还非常少^[12,13]。为此, 本文对高温后混凝土抗压强度及其质量损失的变化规律开展相关试验, 探究其在不同高温作用后的混凝土抗压强度、质量损失率以及两者之间的关系, 并通过试验结果回归分析获得相应的计算模型, 为今后探索混凝土高温后损伤程度的评估与鉴定加固提供一定的理论依据。

　　 本试验采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料:粒径为5～25mm连续级配的石灰石碎石;细骨料:优质中砂, 细度模数为2.84;拌合水:普通自来水。混凝土初始设计配合比为水泥∶砂∶石∶水=1∶0.92∶1.95∶0.4, 考虑到现场砂含水率为3.5%, 碎石含水率为0.7%, 经调整后得到最终配合比为水泥∶砂∶石∶水=1∶1.09∶2.24∶0.33。具体混凝土材料配合比及参数如表1所示。

　　 试验采用尺寸为150mm×150mm×150mm的标准立方体试件, 严格按照《普通混凝土力学性能试验方法》 (GB/T 50081—2002) 规定进行试件制作, 试件24h后脱模, 置于室内阴凉处, 标准养护28d后置于干燥处, 待试件表面水分完成蒸发后进行高温煅烧试验。

　　 试件加热及力学性能试验在湘潭大学结构实验室进行, 采用装配式复合加热炉对试件进行高温煅烧, 装配式复合加热炉由高温试验炉和智能温度控制柜构成, 如图1所示。高温试验炉额定功率30kW, 额定电压380V, 高温试验炉由六个炉体组成, 组成的加热炉炉膛尺寸为500mm×500mm ×810mm (长×宽×高) , 最高温度可达1 250℃, 温度控制精度± (1～2) ℃。炉膛内温度可通过与高温试验炉配套的智能温度控制柜控制, 热电偶则可对炉膛温度进行实时同步测量, 待炉膛温度达到预设温度后可自动保持恒温。

　　 高温试验过程如下:高温试验前用电子称称得立方体试件原质量为m₀, 然后将称重后的试件放入高温试验炉炉膛, 通过加热炉智能温度控制柜设定目标温度, 然后以全功率输出开始升温, 升温速率为10℃/min, 达到预定温度后恒温3h^[14], 然后关闭电源, 待试件自然冷却24h后, 于炉膛内取出试件, 此时测得试件质量m₁, 然后再进行加载试验。试件目标温度均设20, 105, 200, 400, 600, 800℃六个温度等级, 其中20℃为常温, 每个温度等级4个试件。

　　 采用SYE-2000型压力试验机 (图2) 对高温后试件进行抗压性能测试, 加载速率控制在0.3～0.5MPa/s之间, 随温度的升高加载速率适当减小。

　　 经过高温作用后, 因试件随着所受温度的不同, 其外观发生了不同程度的变化, 不同温度作用后试件的外观特征见表2和图3。

　　 为保证加载时试件承压面平整, 采用试件浇筑侧面为承压面, 抗压性能测试中, 可观察到试件基本沿浇筑时抹平面破坏, 主要缘于混凝土浇筑振捣时其沉降作用使得粗骨料下沉, 致使水泥浆及气泡积累于立方体表面, 从而造成其表面强度相对较低;随着温度不断升高, 试件表现出特定的破坏形态;当温度不超过200℃时, 试件的破坏形态同常温无异, 保持较好的完整性, 破坏面以发生在骨料表面以及砂浆内部为主;当受火温度达到400～600℃时, 试件仍表现出纵向劈裂破坏形态, 随着荷载持续增大, 可观察到试件表面细微裂缝出现并不断发展, 当试件达到极限承载力后迅速形成贯通的斜裂缝, 此时加载速率骤然下降变为负值, 试件发生破坏。试件压坏后破坏面不仅存在于骨料表面及其砂浆内部, 而且骨料本身也发生大量破坏, 破坏面较松散。当受火温度达到800℃时, 加载初期就能听到轻微响声, 随荷载持续增大, 裂缝逐渐蔓延并加宽, 当达到极限承载力后,

　　 在短时间内迅速形成多条贯通的斜裂缝, 剪切破坏面以骨料与砂浆的结合面及砂浆的内部为主, 试件松散呈酥碎状, 同时骨料本身也存在少许破坏。具体破坏状态见图4。

　　 高温作用后混凝土抗压强度与质量损失的试验结果如表3所示, 表中数据为4个试验数据的平均值。其中定义质量损失率m_s为试件遭受高温作用后的质量损失值Δm与高温前试件质量m₀之比;将混凝土理论水分质量m_w定义为高温前试件质量m₀与浇筑前配合比中水分所占百分数之积。此外, 对于混凝土中自由水的测量采用烧失量法, 其方法是将试件置于105℃温度下干燥至恒重, 此时认为质量损失量Δm即为蒸发自由水分的质量^[15]。

　　 图5给出了本文试验结果与相关学者^{[13,16,17,18]}高温后混凝土质量损失率与温度的关系曲线。可知, 本文试验值与相关文献试验结果呈现出相似的规律。

　　 在受火温度达到200～400℃质量损失率的差异性较大, 主要缘于混凝土受火时间及混凝土种类存在差异。本试验采用烧失量法测得试件在105℃时的质量损失率为0.52%, 与常温下试件相比, 质量减小较少, 此时可认为质量减小是由于高温后混凝土内部自由水分的蒸发逸出而导致的。200℃高温作用后, 混凝土质量损失速度明显加快, 混凝土质量损失了0.125kg, 质量损失率为1.52%, 约为105℃时质量损失率的2.87倍。400℃高温作用后, 试件质量损失率大幅度增大, 增大幅度为200℃时质量损失率的2.7倍, 质量损失率高达5.63%, 此时试件的质量损失不仅包括C-S-H凝胶体中的结合水分蒸发逸出, 而且还伴随有Ca (OH) ₂受热分解其结合水分的蒸发^[19], 从而导致混凝土质量明显减小。600℃高温作用后, 试件质量损失增加速度较平缓, 质量损失约占混凝土内部理论水分质量的77.7%, 说明此时质量损失主要还是由于水泥水化产生的Ca (OH) ₂等脱水造成^[20]。800℃高温作用后, 质量损失已经超过混凝土内部理论水分质量, 损失率达到9.42%, 此时混凝土内部自由水分和结晶水分已损失, 可能是由于混凝土内部结构中CaCO₃受热分解, CO₂气体逸出引起了混凝土质量损失, 加剧了混凝土内部结构的破坏。

　　 结合相关学者研究, 基于本文试验结果可建立如下高温后混凝土质量损失率m_s与温度T的关系式:

　　 $m{}_{\text{s}}=\{\begin{array}{l}-0.17+8.5\times \frac{{\rm T}}{1000}(20℃<{\rm T}\le 200℃)\\ -1.01+12.7\times \frac{{\rm T}}{1000}(200℃<{\rm T}\le 800℃)\end{array}(1)$

　　 图6为本文及部分相关文献^{[16,20,21,22,23]}高温后混凝土相对抗压强度 (即f^T_cu/f${}_{\text{c}\text{u}}^{20}$, 其中f^T_cu, f${}_{\text{c}\text{u}}^{20}$分别为温度T和常温下混凝土立方体抗压强度) 与温度的关系曲线。可知, 本文试验值与相关学者的试验结果虽稍有差异, 但总体上混凝土相对抗压强度呈现出随温度的不断升高而逐渐下降的趋势。根据图6中本文试验拟合曲线可知, 在温度低于200℃时, 高温后混凝土相对抗压强度下降较为缓慢, 200℃时混凝土抗压强度约为常温时的87.2%, 混凝土相对抗压强度的下降主要缘于高温作用后混凝土内部自由水分蒸发逸出, 产生毛细裂缝, 加载后缝隙尖端应力集中, 从而促使裂缝进一步开展^[21]。受火温度在400～600℃之间时混凝土抗压强度损失在36.1%～63.4%范围内, 其原因主要是由于C-S-H脱水以及Ca (OH) ₂受热分解为CaO所导致;受火温度在600～800℃范围时, 混凝土相对抗压强度下降速率较为显著, 主要缘于水泥水化产生的Ca (OH) ₂等脱水导致骨料与硬化水泥浆界面粘结性能劣化, 从而促进裂缝扩展, 加剧了混凝土内部结构的破坏;当受火温度达到800℃时, 混凝土抗压强度仅为常温时的14.6%, 损失率高达85.4%。

　　 结合相关学者试验数据^{[16,20,21,22,23]}, 基于本文试验结果建立的高温后混凝土立方体抗压强度与温度之间的关系式如下:

　　 $f{}_{\text{c}\text{u}}^{\text{Τ}}=\{\begin{array}{l}f{}_{\text{c}\text{u}}^{20}\times \left(1.014-0.7\times \frac{{\rm T}}{1000}\right)(20℃<{\rm T}\le 200℃)\\ f{}_{\text{c}\text{u}}^{20}\times \left(1.114-1.2\times \frac{{\rm T}}{1000}\right)(200℃<{\rm T}\le 800℃)\end{array}(2)$

　　 从图6可以看出, 拟合公式 (2) 与相关学者试验结果较吻合, 表明式 (2) 具有较好的适用性。

　　 表4统计了不同种类混凝土的相对抗压强度随温度变化的相关数据, 图7为不同种类混凝土的相对抗压强度随温度的变化情况。

　　 从表4及图7可以看出, 掺不同纤维的RPC相对抗压强度随温度的升高均呈现出先增大后减小的变化规律:在受火温度400℃达到前相对抗压强度有增长的趋势, 在受火温度达到400℃后开始明显下降, 在受火温度达到800℃后相对抗压强度在36.8%～56.8%范围内。对于HSC而言, 800℃高温作用后掺纤维的HSC相对抗压强度仅为常温时8%;值得指出的是, 在600℃前掺再生橡胶可有效提高HSC的抗压强度;相比于NSC, 纤维以及硅灰的掺入均可在一定程度上改善混凝土的抗压性能。

　　 图8为混凝土相对抗压强度及质量损失率随温度的变化曲线, 由图可看出:随着温度的不断升高, 混凝土相对抗压强度减小幅度与质量损失率增大幅度基本一致;在受火温度达到200℃之前, 混凝土相对抗压强度随温度升高降低速率与质量损失率随温度升高增长速率较为相似, 说明混凝土内部自由水蒸发对于混凝土抗压强度影响较大;当受火温度超过200℃后, 随温度的不断升高, 混凝土相对抗压强度下降速率与混凝土质量损失率增大速率均有所增加。

　　 基于试验结果拟合回归分析近似建立的高温后混凝土抗压强度与质量损失率关系式如下:

　　 $f{}_{\text{c}\text{u}}^{\text{Τ}}=\{\begin{array}{l}\frac{f{}_{\text{c}\text{u}}^{20}}{m{}_{\text{s}}}\times \left[0.1\times \left(\frac{{\rm T}}{1000}\right){}^2+0.05\times \frac{{\rm T}}{1000}-0.001\right]\\ (20℃<{\rm T}\le 400℃)\\ \frac{f{}_{\text{c}\text{u}}^{20}}{m{}_{\text{s}}}\times \left[-0.03\times \left(\frac{{\rm T}}{1000}\right){}^2-0.02\times \frac{{\rm T}}{1000}+0.048\right]\\ (400℃<{\rm T}\le 800℃)\end{array}(3)$

　　 图9为相关学者关于高温后混凝土质量损失率的试验结果与本文式 (1) , (3) 获得的计算值对比, 从图中可以看出, 两者基本吻合较好, 存在一定的误差, 这可能是由于混凝土种类不同所导致的。

　　 综上所述, 式 (1) ～ (3) 有一定的适用性, 可预估不同温度下的混凝土立方体抗压强度及质量损失率, 以及通过受火温度或者质量损失率来初步评估对应的抗压强度, 为以后相关研究者提供一定的参考。

　　 (1) 高温后混凝土质量损失率随温度的升高呈不同程度的上升趋势, 受火温度达到200℃前混凝土质量损失率随温度的升高而增加的趋势较缓慢;受火温度达到200℃后混凝土质量损失率增长速度明显加快;受火温度达到800℃后, 混凝土质量损失率超过混凝土内部理论水分质量, 高达9.42%。

　　 (2) 高温后混凝土抗压强度随着温度的升高整体呈不同程度的下降趋势, 受火温度达到400℃前抗压强度下降趋势较缓慢;受火温度达到400℃后抗压强度下降速度有所增加, 受火温度达到800℃后, 混凝土抗压强度基本丧失, 相比于常温, 其损失程度高达85.4%。

　　 (3) 建立了混凝土抗压强度与温度、质量损失率与温度及混凝土抗压强度与质量损失率之间的计算公式, 可在一定程度上为预估不同温度作用后的混凝土立方体抗压强度及质量损失率提供参考。