骨料類型對混凝土棱柱體高溫后力學性能影響研究＊

周立欣,賈文亮,張必亮,李世鳴

(中國礦業大學力學與建筑工程學院,江蘇徐州221008)

目前,國內外對高溫后構件的靜力性能研究較為深入,動載性能方面的研究較少,缺少不同的荷載形式對混凝土構件高溫性能影響的研究[1-7],同時骨料類型對作用低周反復荷載構件的影響研究幾乎處于空白階段[8-13]?；诖?通過對高溫“自然冷卻”和“噴水冷卻”后混凝土棱柱體在重復荷載作用下的受力性能進行試驗研究,分析骨料類型、受熱溫度、冷卻方式對混凝土變形規律的影響,為高溫冷卻后混凝土結構的抗震性能研究奠定基礎。

1 試驗概況

1.1 試件制作

混凝土的強度等級按C25設計,粗骨料分別為鈣質(石灰巖碎石)和硅質(玄武巖碎石),粒徑為5～20 mm,水泥強度等級為32.5的復合硅酸鹽水泥。經28 d標準養護后,測得其軸心抗壓強度分別為：鈣質骨料棱柱體fcp=25.6 MPa,硅質骨料棱柱體fcp=26.4 MPa。

試驗共制作100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試塊18組,每組3個,其中16組用于高溫后反復荷載試驗,另外2組用作室溫對比試驗,具體分組見表1。

1.2 試驗設備及儀器

1.2.1 試驗設備

本次加熱試驗采用中國礦業大學建筑結構與材料試驗室研發的GWD-05型節能高溫加熱爐。加載試驗在中國礦業大學建工學院結構試驗室的PWS-500型電液伺服試驗機中進行,混凝土棱柱體受壓應力-應變全曲線采用YBD-1千分表測量,數據采用“YE2539高速靜態應變儀”自動采集。

表1 混凝土棱柱分組一覽表

1.2.2 試驗過程

本試驗溫度為200℃、400℃、600℃和800℃。達到預定溫度后將混凝土棱柱體從高溫爐中取出,進行自然冷卻和噴水冷卻。以抗壓強度最大值為標準,按照0→0.5Pmax→0→0.6Pmax→0→0.7Pmax→0→0.8Pmax→0→0.9Pmax→0→破壞的制度重復加載。加載速度為0.05 mm/min,在試件的兩個側面各裝一個千分表,用來測量試件的豎向位移,試驗標距為100 mm,見圖1。當試件接近破壞而開始迅速變形時,調整試驗機油門,直至試件破壞。

圖1 混凝土棱柱試驗裝置

2 試驗結果分析

2.1 高溫及冷卻試驗

混凝土棱柱體由室溫分別加熱到200℃、400℃、600℃、800℃,經過自然冷卻和噴水冷卻后,混凝土棱柱體表面發生一系列變化：

當加熱溫度小于200℃時,混凝土試件的表面無明顯變化,在400℃～600℃時,試件表面呈粉紅色且隨溫度升高而逐漸變淡,當達到800℃時,試件表面呈灰白色。

隨著混凝土棱柱體受熱溫度的升高,表面熱裂紋隨之增加,裂縫分布情況也逐漸復雜。當溫度達到600℃左右時,混凝土試件出現爆裂現象,當達到800℃時,混凝土試件的爆裂率達到1/3,且爆裂試件主要表現在鈣質骨料上。

2.2 混凝土棱柱體破壞形態

高溫后混凝土棱柱體試件在重復荷載作用下大部分發生斜截面剪切破壞,破壞面在粗骨料與水泥砂漿接觸面或水泥砂漿內部,而粗骨料本身極少破壞;但當溫度超過700℃時,粗骨料本身也發生破壞。

2.3 高溫后不同骨料混凝土棱柱體的應力、應變變化規律

在低周重復荷載作用下不同粗骨料、不同溫度、不同冷卻方式后混凝土棱柱體的峰值應力σ0和相應的峰值應變ε0見表2和表3。

表2 鈣質骨料混凝土棱柱在反復荷載作用下的峰值應力σ0和峰值應變ε0

表3 硅質骨料混凝土棱柱在反復荷載作用下的峰值應力σ0和峰值應變ε0

由試驗結果可知,混凝土棱柱的峰值應力隨著受熱溫度的升高呈下降趨勢,且受熱溫度越高下降幅度越大,如高溫自然冷卻后,400℃、600℃時鈣質骨料混凝土棱柱體的峰值應力與室溫時相比分別下降23.5%、49.7%;當溫度低于200℃時,自然冷卻和噴水冷卻后兩種骨料混凝土棱柱的峰值應力變化均不大,如200℃高溫自然冷去和噴水冷卻后,鈣質骨料混凝土棱柱體的峰值應力與室溫時相比僅下降2%和2.7%,而硅質骨料混凝土棱柱體下降21.4%和2.8%;在400℃～800℃時,噴水冷卻的混凝土峰值應力下降較快,且硅質骨料混凝土峰值應力下降速度大于鈣質骨料混凝土下降速度,如800℃時,噴水冷卻后硅質、鈣質骨料混凝土棱柱體的峰值應力分別為自然冷卻的1.04和1.2倍,噴水冷卻后硅質骨料混凝土棱柱體峰值應力下降速度是鈣質骨料混凝土的1.08倍。

兩種骨料混凝土棱柱峰值應變隨著受熱溫度的升高呈明顯上升趨勢,且受熱溫度越高升高的幅度越大。溫度低于200℃時,自然冷卻和噴水冷卻后混凝土的峰值應變變化不大;在400℃～800℃時,噴水冷卻混凝土應變大于自然冷卻的混凝土應變,且硅質骨料混凝土峰值應變增長速度大于鈣質骨料混凝土,如800℃時,噴水冷卻后硅質、鈣質骨料混凝土棱柱體的峰值應變分別為自然冷卻的1.13和1.09倍,噴水冷卻后硅質骨料混凝土棱柱體峰值應變增長速度是鈣質骨料混凝土的1.58倍。

2.4 高溫后不同骨料混凝土棱柱體的變形規律及破壞特性

由實驗可得,鈣質和硅質骨料混凝土棱柱體在低周重復荷載作用下均發生剪切破壞,且應力-應變曲線變化趨勢及發生的過程基本一致,如圖2所示：

⑴彈性階段

當荷載為最大荷載的20%～30%時,應力-應變曲線接近直線,加載路徑為直線,卸載后的殘余應變很小,處于彈性變形階段。

⑵裂縫穩定發展階段

當荷載大于最大荷載的30%～40%時,應力-應變曲線變為上凸曲線,卸載路徑接近直線。在一次卸載過程中,當卸載應力接近零時,卸載路徑變為曲線,且產生了殘余塑性變形。

⑶裂縫的失穩擴展階段

當荷載為最大荷載的80%～120%時,試件中部或底部先出現裂縫,裂縫細而短,且平行于受力方向,隨荷載加大,縱向裂縫逐漸形成臨界剪切面。高溫后隨著混凝土變酥松,臨界剪切點應力變小、應變值增大。

⑷破壞階段

過了峰值點后,臨界剪切面破損帶在正應力和剪應力的共同作用下逐漸變寬。試件剪切破壞后完整性較好,破壞面與荷載作用線夾角為20～35°。當受熱溫度超過700℃時,試件破壞面不止一個,并且個別試件發生了粗骨料的破壞。

由圖2可知,相同溫度下鈣質骨料混凝土棱柱體的應力-應變曲線較飽滿,這表明相同條件下,鈣質骨料混凝土棱柱體的耐火性優于硅質骨料混凝土。

圖2 不同溫度下混凝土在重復荷載下無量綱化應力-應變曲線

3 結論

通過對不同骨料混凝土棱柱在低周重復荷載作用下的變形規律進行的試驗研究,得出以下結論：

⑴混凝土棱柱體峰值應力隨受熱溫度的升高而明顯下降趨勢,且受熱溫度越高混凝土峰值應力下降速度越大。相同條件下,硅質骨料混凝土棱柱體峰值應力下降速度約為鈣質骨料混凝土的1.08倍。

⑵混凝土棱柱體峰值應變隨著受熱溫度的升高呈明顯上升趨勢,且受熱溫度越高應變增長幅度越大。相同條件下,硅質骨料混凝土棱柱體峰值應變增長速度是鈣質骨料混凝土的1.58倍。

⑶相同條件下,高溫噴水冷卻后混凝土棱柱體的峰值應力下降速度和峰值應變增長速度均大于高溫自然冷卻后混凝土的相應值。

⑷鈣質和硅質骨料混凝土棱柱體在低周重復荷載作用下均發生了剪切破壞,鈣質骨料混凝土的耐火性優于硅質骨料混凝土。

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