高温下混凝土的规格研究：保障生命财产安全的关键

文|历史的眼睛

编辑 | 石新燕

前言

混凝土是一种广泛使用的建筑材料。其抗压强度高于抗拉强度。混凝土的抗拉强度较低，抗裂缝扩展能力较差。裂缝的扩展会损坏混凝土构件，高温会加剧构件的损坏。烟囱、熔炉、机场跑道、发生金属熔炼的工厂以及存在火灾风险的建筑物等地方，混凝土都可能暴露在高温下。

高温会导致混凝土微观结构发生严重的物理和化学变化，影响其机械性能和耐久性。混凝土在高温下的行为是评估残余强度和结构恢复或失效可靠性的关键。然而，对混凝土在高温下的行为的研究有限。规范对于组件的安全设计至关重要，并能深入了解它们在高温下的行为。

如果在设计过程中不采取必要措施，高温暴露可能会造成无法挽回的生命和财产损失。实验研究对于监测混凝土构件在这些条件下的确切行为至关重要，然而，这需要大量的时间和成本，并且可能在测试过程中造成损害。

试验结果表明，当温度低于200℃时，高温对混凝土的力学性能影响很小。当温度高于400℃时，高温对混凝土的力学性能影响较大。抗拉强度与抗压强度的比较表明，高温暴露导致的抗拉强度脆弱性大于抗压强度。

材料特性

本研究中胶凝材料为普通2型硅酸盐水泥，细骨料为河砂，最大粒径为4mm，比重为2.81；天然粗骨料为钙质，最大粒径为19mm；钢纤维为钩端式，长度为30mm，长宽比为37.5，抗拉强度为1100MPa。

纤维经受28、500、650和700℃的温度考验，可以看出，在500℃以下的温度下，钢纤维的外观基本没有变化，温度的升高导致纤维的氧化和表面积的损失，从而导致纤维界面黏附力的降低和损失。

实验步骤

本文研究了钢纤维对普通强度混凝土（N）抗拉性能的影响，建立了钢纤维混凝土高温抗拉强度的预测方程。混凝土拌合物中钢纤维体积分数为0.25%（St25）和0.5%（St50）。

在搅拌方案的第一阶段，先加入骨料和水泥，用三分之一的搅拌水搅拌2分钟，然后将纤维逐渐加入正在运转的搅拌机中并搅拌3分钟，最后将剩余的水倒入混合料中再搅拌2分钟，以达到均匀的混合物。

对于每种混合物，浇铸三个立方体试件和三个圆柱形试件，以获得抗压强度和抗拉强度，并给出平均值。所有试件均浇铸，24小时后脱模，并浸入24±2℃的水浴中。28天。在制定加热程序之前，所有试件均在25-30℃和50-60％相对湿度的实验室中保存14天，以避免因水分过多而发生爆炸性剥落。

加热方式

由于试件内自由水含量较高，在加热过程中会产生剥离现象，所以将试件从水槽中取出，在实验室环境中养护14天，此技术已被前人证实，浇注后42天对试件进行加热，并在热状态下进行试验。

升温速度为1-3℃/min。为确保样品始终处于稳定的热状态，当温度达到目标温度后，在炉中保温180分钟。所有测试都是在样品出炉后立即进行的。测试在3000K下进行。虽然离开炉后会出现温度下降，但这对于样品的核心来说是可以忽略不计的。

在整个试验期间，混凝土温度几乎保持恒定，结果表明，1 分钟后混凝土芯的温度下降了 0.5°C。为了避免过多的温度损失，从炉中取出样品后的试验时间应少于 10 分钟。该方法研究了混凝土在高温条件下的行为，在本研究中，温度在 1-3 分钟的范围内。

检测方法

为了防止温度下降，加热过程完成后立即用钢桨将样品从炉中取出，放在靠近千斤顶的移动台上。然后，用耐热手套和抹刀将它们放在千斤顶下。然后测量抗压强度和抗拉强度。

钢纤维对材料力学性能的影响

分别在养护28和42天后进行室温试验，实验结果为三次重复的平均值、变异系数（CoV）和标准差（St.Dev.）。结果表明，纤维掺入量为0.25%、MgO2和CuO2掺入量为0.5%时，28天拉伸强度分别提高了24.53%和22.37%。

42天试件的相应改善率分别为28.15%和26.32%。钢纤维限制了微裂纹的扩展，提高了抗拉强度。在试件的劈裂过程中，应力从水泥基体转移到纤维上，提高了混凝土的抗拉强度。另一方面，钢纤维的加入导致抗压强度的损失。

结果表明：St25养护28天和42天后抗压强度分别比普通混凝土降低5.75%和1.53%；添加0.5%钢纤维后，普通混凝土28天和42天后抗压强度分别降低6.79%和1.96%，钢纤维的加入导致混凝土和易性降低，从而导致密实不足。

此外，由于纤维分布不均匀而产生的球化效应，使混凝土结构脱落，这些问题似乎是造成抗压强度损失的原因，抗压强度由40提高到80，抗拉强度提高了86.51%。

普通混凝土高温抗拉强度

可以看出，在低于300°C的温度下，热态下的实验抗拉强度低于残余抗拉强度。这可以归因于自由水蒸发产生的内部压力的影响。此外，在300-400°下测试了混凝土的热态抗拉强度，并报告了350°C和400°C时λT的增加。

研究中没有发现这种增加，是因为缺乏这些温度范围内的实验数据。例如，混凝土的抗拉强度是在高达 250°C 的高温下测试的，而研究中没有在 200 至 400°C 的温度下进行测试。然而，对于冷却后测试的样品，报告称残余抗拉强度呈下降趋势。

在 100°C 时，所提出的模型与实验结果略有偏差。在 200°C 下的比较也显示出与实验结果的轻微偏差。报告的实验抗拉强度与 250°C 下的相似。抗拉强度评估的偏差可以忽略不计，自由水在 350°C 的温度下蒸发。

因此，基于热试验提出的模型与之前提出的模型基本一致。同时，将提出的模型与热条件下的实验结果进行了比较。结果表明，在600℃温度下，抗拉强度的计算值与实验值一致。这些比较表明，对混凝土标准化抗拉强度的总体趋势进行了较高的估计，并且精度较高。

由公式求得的抗拉强度与试验结果的偏差表明，评价数据与试验数据的平均偏差为11.55%，表明该公式具有较高的精度。从混凝土的破坏模式可以看出，骨料对500℃以下混凝土的抗拉强度行为起着显著的作用。

在500℃以上的温度下，微观结构中的裂纹扩展和热膨胀系数的不相容导致骨料偏析。由于这些原因，可用于限制荷载的骨料量减少。此外，在800℃时断裂的试件表面呈红色，表明试验是在高温条件下进行的。

钢纤维混凝土高温抗拉强度

不同温度下普通混凝土与纤维增强混凝土劈裂抗拉强度的变化基本相似，可以观察到所有试件在200℃之前均经历了下降，在此温度下St25和St50的抗拉强度几乎相同，很简单，加入钢纤维提高了普通混凝土的抗拉强度。

钢纤维的界面黏附和机械锚固作用似乎是钢纤维抗拉强度增加的另一个原因。钢纤维的加入有利于混凝土内的热传递，从而减少热应力和裂缝扩展。随着混凝土的收缩，抗拉强度增加的速度会降低。

这可以归因于高温对粘结性能损失的影响，因为过去的研究表明，纤维的性能在 500°C 以下不会发生变化，而在更高温度下会降低。钢纤维在 800°C 下的屈服应力和极限应力分别为环境温度的 15% 和 25%。

钢纤维性能的这些变化，导致钢纤维在500℃以上拉伸强度呈现下降趋势，另外，钢纤维的膨胀会在钢纤维周围产生径向裂纹，这也是拉伸强度损失的另一个原因。

St25和St50抗拉强度预测值与试验结果的平均偏差分别为7.68%和5.58%；当温度低于200℃时，钢纤维混凝土抗拉强度呈下降趋势，在350℃时抗拉强度有所上升并达到峰值。

由于内部凝固条件，即 400°C 时强度增加的原因，波特兰石被消耗以产生更高含量的 CSH 凝胶。XRD 结果表明，随着温度从 28°C 升高到 400°C，CaCO3 的强度增加。强度从 12.2% 增加到 19.8%，证明了波特兰石脱碳的合理性。

当温度高于350℃时，抗拉强度普遍呈现下降趋势，钢纤维的氧化、腐蚀导致钢纤维横截面积的损失，也是造成钢纤维抗拉强度损失的另一个原因，添加100%钢纤维可使抗拉强度平均提高58.48%，添加100%钢纤维可使抗拉强度平均提高80.29%。

同时，钢纤维含量越大，抗拉强度增加的速度也越大，这是由于抗拉表面存在较大剂量的纤维，而纤维的加入由于骨料与水泥基体的分离，提高了平板混凝土的抗拉强度。

添加钢纤维能提高抗拉强度的另一个原因是钢纤维的导热性。在含有钢纤维的试件中，热量很容易传递，导致应力减小。这个问题减少了裂纹的发展，从而提高了抗拉强度。

综上所述

高温下，普通混凝土与钢纤维混凝土抗拉强度总体变化趋势基本相同，在200℃以下时，由于千斤顶同时作用和自由水蒸发，二者发生突发性损失。回顾试验结果，高温后试验试件未出现此类损失。

200°C 之后，由于高压釜条件下未水合水泥的水合作用，它们恢复了强度。另一方面，普通混凝土和钢纤维增强混凝土的抗拉强度均随温度升高而降低。

钢纤维的加入提高了普通混凝土在高温下的抗拉强度，加入0.25和0.5%钢纤维后，试样的高温抗拉强度平均提高了58.48%和23.81%，这些数值适用于含钩端钢纤维的混凝土。

混凝土的抗压强度对抗拉强度影响很大，常温下抗压强度由20.1提高到84.45，抗拉强度提高了169.4%，利用本研究的试验数据，通过回归分析，提出了普通混凝土常温抗拉强度的高精度预测方程。

将本文提出的公式与以前的公式进行比较，发现在抗压强度40~60MPa范围内最符合预测规律。进一步对公式进行验证，结果表明预测的抗拉强度与实验值的平均偏差为7.53%，证明了公式的准确性。

参考

1.《高强度混凝土研究进展报告》，1984年

2. 不同强度钢纤维混凝土力学性能评价，2018

3. 高温下钢纤维在混凝土中的粘结滑移行为，2017

4.《钢纤维和温度对活性粉末混凝土力学性能的影响》，2021年

5. 实验室混凝土试件制备和养护标准规范，2012 年