高温后高强混凝土剪切强度与细观结构.pdf

第 1 8卷第 6期 2 0 1 5年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI I DI NG MATERI AI S Vo1 ．1 8。 N 0 I 6 De c ．， 20 15 文章编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 6 0 9 5 3 0 5 高温后高强混凝土剪切强度与细观结构 李 志卫 。 ， 肖建庄 ， 孙振 平 1 ． 同济大学 建筑工程系，上海 2 0 0 0 9 2 ；2 ． 上海 2 0 1 8 0 4 ；3 ． 上 海海 事 大学 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 ， 海 洋科 学与 工程 学 院 ， 上 海 2 0 1 3 0 6 摘 要 通 过 高温后 高强混 凝 土 HS C 试 件 的 p u s h - o f f 试 验 ， 研 究 了温度 和 混凝 土 抗压 强度 对 HS C 剪切强度的影响． 基于剪切 面细观结构的变化， 分析 了高温后 HS C剪切强度变化 的机理 ， 研 究了 高温后 HS C骨料断裂率与剪切强度的关 系． 结果表 明 常温下 HS C抗压 强度为 6 4 ． 7 ， 9 4 ． 0 MP a 时， 2 0 0℃后 HS C剪切强度较常温时分别略 有减 小和略有增大； 超过 2 0 0℃后 ， HS C剪切 强度随 温度 的升 高 而降低 ； 无 论 经历 多 高的温度 ， 混凝 土的 抗压 强度越 高 ， 则 HS C剪切 强度 越 大 ； HS C试 件 剪切面上的骨料 断裂率随温度的升高而减小， 随混凝土抗压 强度的增加 而增大． 最后 ， 建立了高 温后 HS C的 骨料咬 合 模型 ． 关键 词 高强 混凝 土 ；高 温 ；剪切 强度 ；细观 结构 ；骨料 断裂 率 ；骨料 咬合 中图分 类号 TU5 2 8 ． 3 1 ； TU3 7 5 文献 标 志码 A d o i l O 。 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 7 S h e a r S t r e n g t h a n d M e s o s t r u c t u r e o f Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e a f t e r El e v a t e d Te mp e r a t u r e s LI Zh i we i ， XI AO J i a n z h u a n g ，S UN Zh e n pi n g。 1 ． D e p a r t me n t o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 ． K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a； 3 ． Co l l e g e o f Oc e a n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，S h a n g h a i M a r i t i me Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6，Ch i n a Ab s t r a c t P u s h - o f f t e s t s f o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e HS Cs p e c i me n s a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s we r e c a r r i e d o u t t o s t u d y t h e e f f e c t o f e l e v a t e d t e mp e r a t u r e a n d c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o n s h e a r s t r e n g t h o f HS C．B a s e d o n t h e v a r i a t i o n o f t h e me s o s t r u c t u r e o f HS C s h e a r p l a n e ，t h e me c h a n i s m f o r s h e a r s t r e n g t h c h a n g e o f HS C a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s wa s i n v e s t i g a t e d ．Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e a nd s he a r s t r e ng t h of H S C a f t e r e l e v a t e d t e m pe r a t u r e s wa s d i s c us s e d． Re s ul t s s ho w t h a t whe n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s a r e 6 4 ． 7 9 4 ． 0 M P a a t r o o m t e mp e r a t u r e ，t h e s h e a r s t r e n g t h s o f HS C a f t e r 2 0 0℃ h a v e a l i t t l e d e c r e a s e a n d a l i t t l e i n c r e a s e c o mp a r e d wi t h t h a t a t r o o m t e mp e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y 。W h e n t h e e l e r a t e d t e mp e r a t u r e e x c e e d s 2 0 0℃ ，t h e s h e a r s t r e n g t h o f HS C r e d u c e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ．Th e h i g h e r t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a t a n y t e mp e r a t u r e i s ，t h e g r e a t e r t h e s h e a r s t r e n g t h wi l l b e ．Th e a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e o f HS C s h e a r p l a n e d e c r e a s e s a s t h e e l e v a t e d t e mp e r a t u r e r i s e s a n d i t wi l l i n c r e a s e a s t h e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s ．At 1 a s t ，t h e a g g r e g a t e i n t e r l o c k mo d e l f o r HS C a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s i s p r o p o s e d ． Ke y wo r d s h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e HS C；e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ；s h e a r s t r e n g t h；me s o s t r u c t u r e ；a g g r e g a t e f r a c t u r e r a t e ；a g g r e g a t e i n t e r l o c k 收稿 F t 期 2 0 1 4 0 5 2 9 ；修订 日期 2 0 1 4 0 8 1 2 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 1 2 C B 7 1 9 7 0 3 第 一作者 李志2 1 1 1 9 8 5 -- ， 男 ， 山东淄博人 ， 同济大学博士． 主要研 究方向为高强 混凝土抗火． E - ma i l z w l i s h mt u ． e d u ． c E t 通信作者 肖建庄 1 9 6 8 一 ， 男 ， 山东沂南人 ， 同济大学教授 ， 博士生导师 ， 博士． 主要研究方 向为混凝土结构抗火． E - ma i l j z x t o n g j i ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 5 4 建筑材料学报 第 1 8卷 随着社 会发 展 ， 高 强混 凝 土 HS C 在土 木 工 程 中的应 用 越来 越 广 泛． 与普 通 混 凝 土 NS C 相 比 ， HS C虽然抗 压 强度 高、 耐 久性 好， 但抗 火性 能较 差口 ] ． 火灾 对 HS C剪切 强度 的影 响直接关 系到 结构 的安全 ． 国 内外专 家 已经 对 常 温下 HS C 和 NS C 的 剪切强 度进 行 了研 究 ， 并 取 得 了一 定 的成 果 [ 。 ] ． 混 凝土剪切强度受到混凝土抗压强度和骨料类型等因 素的影响【 4 ] ， 骨料咬合作用是混凝土开裂后剪切强 度的主要来源 之一[ 6 ] ． 随着温度的升高， HS C的水 泥浆 体和 骨料会 发生 一系列 变化 ， 进而 对 HS C的骨 料 咬合作 用产 生影 响． 混凝土作 为一 种典 型的多 尺度材 料 ， 可 以分 为宏观、 细观和微观 3个尺度等级． 某一尺度等级 的力学性能可以由下一尺度等级 的结构特点作 出 观 和细 观 尺 度等 级 ． 本 文通 过 p u s h o f f 试验 研 究 了 高 温后 2种 抗 压 强 度 等 级 HS C 的剪 切 强 度 ， 同时 采用数码 显微 镜观察 HS C剪切 面 的骨料 咬合作 用 ， 从 细观 尺 度 进 一 步 分 析 了 HS C剪 切 强 度 随温 度变 化 的机 理 ． 1 试验 1 ． 1 试 件制作 设 计 2种抗 压强 度等级 的 HS C， L系列 和 H 系 列 配合 比如表 1所 示 ， 其 立 方 体抗 压 强 度 分别 为 6 4 ． 7 ， 9 4 ． 0 MP a ． 试 验 原 材 料 为 4 2 ． 5 R L系 列 和 5 2 ． 5 R H 系列 普通硅酸盐水 泥； 9 0 0级硅粉 ； 9 5 级矿渣微 粉 ； 5 ～2 0 ram H 系列 和 5 ～ 2 5 mm L系 列 硅质 碎石 ； 细度 模数 为 2 ． 7的 中砂 ； 自来水 ； 聚羧 解释 ， HS C的剪切强度 和骨料 咬合分别 属于宏 酸减水剂． 裹 1 HS C配合比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f HS C k g ／ m。 L系列 和 H 系列 各 成 型 1 1个 Z型试 件 ， 试 件 尺寸 如 图 1 所示 ， 试 件配 置 4根 直 径 8 mm 的封 闭 箍筋 ， 箍筋配筋率 p 1 ． 1 2 ， 配 筋方案 参照文献 I s - 1 ． 在试件厚度 1 5 0 ram 方向距表面 5 ， 3 3 ram 纵 筋处 和 7 5 mm 中心处 各预埋 1 个热 电偶． 。 一 S e c t i o n 2 ． 2 图 1试 件 尺 寸 Fi g ． 1 Di me n s i o n s o f s p e c i me n s i z e mm 所 有 试 件在 标 准养 护 室 内养 护 2 8 d ， 再 在 自然 环境下 养 护 6 0 d ， 然 后进行 高温试 验 ． 设 计 加热 温度 分别为 2 0 0 ， 4 0 0 ， 8 0 0℃， 每个温度下同系列各 3个 试 件 ， 常 温下 2 0℃ 同系 列 各 2个 试 件 ． 为 表述 方 便 ， 对 每 个 试 件 进 行 编 号 ， 如 L - 2 0 0 - 1表 示 I 系 列 HS C在 经历 设计 温度 为 2 0 0℃后 的第 1个试 件． 1 ． 2高温试 验 将试 件放 入 电炉 内加 热 ， 升温速 率为 5℃／ rai n ， 达到设计温度后保持恒温 ， 直到试件中心与设计温 度 的温 差 小 于 1 0 时 停 止 加 热 ． 加 热 过 程 中， H一 8 0 0 - 1 ， H- 8 0 0 2和 H- 8 0 0 - 3试 件 发 生 了 表 面 爆 裂 ， 但剪切 面完 好 ， 经 表 面 修 补后 不会 对 下 一 步 的 p u s h o f f 试验 产 生影响 ． 11 ． 3 P u s h - o f f 试 验 将 试件 垂直 放到 试 验 机 上 ， 试 件 上端 和下 端 分 别设 置刀 口和滚 轴 支 撑． 试 件表 面 设 置 3 个 水 平 方 向位移计来测量试件的裂缝宽度 ， 另一面设置 2个 垂直方向位移计来测量试件的裂缝滑移． 预设 一个 很小 的试验 机力 如 1 k N ， 试 件缓 慢 升 高直 到 顶部 与刀口刚好接触 ， 然后切换为位移加载方式 ， 位移速 率为 0 ． 0 5 ram／ rai n ， 计算机采集系统 自动记录试验 机力、 裂缝宽度和裂缝滑移． 当试验机力基本不变时 停 止试验 ， 加 载过程 中试 件沿剪 切 面开裂 ． 1 ． 4细观结 构观 察 P u s h o f f 试验后 ， 人工 剪 断试 件裂 缝处 的箍 筋 ， 使 试件 沿剪切 面分 开 ． 采 用 VHX 一 5 0 0 0系列 数 码 显 微镜对试件剪切面细观结构进行观察． 2 P u s h - o f f 试验结果与分 析 假设试 件所 受 剪 切应 力 沿 剪 切 面 均匀 分 布 ， 则 剪切极限荷载所对应的峰值剪切应力即试件的剪切 强度． 试件 的剪切极限荷载 P 、 剪切强度 r 和骨料 臼 粤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李志卫 ， 等 高温后 高强 混凝 土剪切强度与细观结构 作用提供 ， 因此 Wa l r a v e n等[ 2 提出的骨料咬合模 型同样适用于高温后 HS C ． 但是由试件剪切面的细 观结构可知 ， 骨料断裂情况随温度和 HS C抗压强度 的不同而发生变化 ， 因此文献E 21 中的正应力 和切 应 力 r表 达式 变 为 ∞ A 一 3 r C G p A 4 式 中 C为高温后 HS C的骨料 断裂缩减 系数 ； 为 水泥浆体产生塑性变形时 的法向应力； ， 为单 位 剪切 面 积上 与裂 缝滑 移 和裂缝 宽度 方 向对 应 的接 触面积 ； 为高温后 HS C骨料和水泥浆体间的摩擦 系数 ． 式 3 ， 4 中 ， 可通 过 裂缝 滑 移 和 裂缝 宽 度计算得到 ； 与混凝土抗压强度无关I 3 ， 若无实测 数据 ， 可近似取恒定值 一0 ． 4 ； 和 r可通过 p u s h ～ o f f 试验测得 ， 但是试件需要配置外部约束钢筋 ， 以 便对剪切面的正应力进行测量_ 3 ； 对 于高温后 HS C 水泥浆体发生塑性变形时的正应力 ， 还没有相关 资料 可供 参考 ， 需 要 进一 步 的试 验 研究 ； C可在 其 他 参数已知的条件下 反算 得到． 因此 ， 可根据式 3 ， 4 计算高温后 HS C的正应力和剪应力． 5 结语 1 2 0 0℃后 H 系列 的剪 切 强 度 较 常 温下 有 所 提高 ， 其他工况 下试件 的剪切强度均随温度的升高 而降低． 8 0 0℃后 L和 H 系列的剪切强度分别 降为 常温下 的 4 7 ． O 3 和 4 3 ． 8 7 ％． 无论 经历 多高 的温 度 ， HS C抗压强度越高， 其剪切强度也越大． 2 HS C经历 的温度越 高， 试件剪切 面上 的骨 料断裂现象越少． HS C抗压强度越 大， 骨料断裂越 严重． 高温后 HS C的水泥浆体变得 松散 ， 甚至出现 明显 的裂 缝． 3 常温 下 和 2 0 0℃后 HS C的 细观 结构 基本 没 有发生变化 ， 4 0 0℃后 HS C的界面区和水泥浆体 中 都产 生 了裂缝 ， 8 0 0℃后 HS C的 骨料 与 水 泥浆 体 几 乎分离． 在各温度下 ， HS C抗压强度越高， 细观结构 越密 实． 4 常温 下和 2 0 0℃后 HS C剪 切 面上 的骨料 断 裂率基本不变， 4 0 0℃后 和 8 0 0℃后 骨料断裂率减 小 ， HS C的剪切强度随之降低． 5 根据 HS C剪切面的细观结构变化 ， 初步建 立了高温后 HS C的骨料咬合模型． 参考 文献 [ 1 ]X I AO J Z， F AL KNE R H． On r e s i d u a l s t r e n g t h o f h i g h p e r f or m a nc e c o n c r e t e wi t h a n d wi t h o u t p o l y p r o p y l e n e f i b r e s a t e l - e v a t e d t e mp e r a t u r e s [ J ] ．F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 6 ， 4 1 1 1 5 1 2 2 ． [ 2 ] WAL RAVE N J C， S TRO B AND J ．S h e a r f r i c t i o n i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e [ J ] ． AC I S p e c i a l P u b l i c a t i o n ， 1 9 9 4 ， 1 4 9 1 7 3 1 1 - 3 3 0 ． E 3 ] WAL RAVE N J C ． F u n d a me n t a l a n a l y s i s o f a g g r e g a t e i n t e r l o c k [ J ] ． AS C E J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l Di v i s i o n ， 1 9 8 1 ， 1 0 7 1 1 2 2 4 5 2 2 7 0 ． I- 4 ] R E I NHARD TH W， WAL RAVE N J C． C r a c k s i n c o n c r e t e s u b j e c t t O s h e a r [ J ] ． AS C E J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l Di v i s i o n ， 1 9 8 2， 1 0 8 S T1 2 0 7 2 2 4 ． [ 5 ] XI AO J z， XI E H， YANG Z J ． S h e a r t r a n s f e r a c r o s s a c r a c k i n r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e[ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 1 2， 4 2 5 7 0 0 7 0 9 ． [ 6 ] WAL R AVE N J C， R EI NHAR DT H W． T h e o r y a n d e x p e r i me n t s o n me c h a n i c a l b e h a v ior o f c r a c k s i n p l a i n a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s h e a r l o a d i n g [ J ] ． He r o n ， 1 9 8 1 ， 2 6 1 4 O 一 4 7 ． [ 7 ] Z HU W C， TA NG C A． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n s h e a r [ r a c t u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e u s i n g me s o s c o p i c me c h a n i c a l mo d e l [ J ] ． Co n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 02 ， 1 6 8 4 5 3 4 6 3 ． [ 8 ] KHOURY G A， MAJ ORANA C E， P E S AVE NTO F， e t a 1 ． Mo d e l l i n g o f h e a t e d c o n c r e t e [ J ] ． Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2。 5 4 2 7 7 一 i 0 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m