中国关于高温下混凝土的研究------概述
肖建庄，同济大学 建筑工程系，中国上海200092 -
Gert König,莱比锡大学 结构混凝土及建材研究所 德国莱比锡04109
2002年12月10日收稿；2003年4月28日收到修订稿；2003年7月23日发表。
摘要：根据对于中国在过去的20年里的实验研究的调查和审核，本文对于混凝土在高温下和高温后的力学性能进行了进一步的讨论和对比分析研究。主要讲述三方面的内容：首先是混凝土在高温下的基本力学性能，包括强度、弹性模量、峰值应变和泊松比。其次是高温对于钢筋屈服强度和弹性模量的影响；最后是高温对于混凝土和钢筋之间粘着力的影响。本概述总结了中国关于高温下混凝土力学性能研究的最先进的研究成果。
关键词：高温，火灾，混凝土，钢筋，力学性能，粘结力
1.前言
西方国家早在20世纪50年代就对混凝土由于暴露在高温下而造成的力学性能的减退进行了研究 [1,2]。而在中国直到20世纪60年代这种类型的研究才开始进行。通过对工业建筑和烟囱受高温影响的调查，编辑并出版了一项关于钢筋混凝结构在冶金工业建筑方面的耐热性的规范，这一规范阐述了在60℃到200℃范围内的许多设计方法和构造细则。在中国，公安部有四个消防研究机构。他们都致力于研究建筑的火灾反应和建筑材料的耐火性。然而他们却很少从事关于混凝土结构火灾的调查。仅在20世纪80年代后，包括同济大学、清华大学、西南交通大学和哈尔滨工业大学在内的几所中国大学，才开始研究钢筋混凝土结构在高温下和高温后的力学性能。通过大量的试验和分析，他们获得了显著的成就。虽然结果之间不可避免的会存在多差异，但是仍有很多共同点是值得去总结的。作者认为关于中国钢筋混凝土防火测试数据库现在已经相当充足，因此是时候与全世界的研究人员共同审查与分享它们了。
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编号：10.1016/S0379-7112（03）00093-6
术语
a,b 钢筋类型的相关参数
TcE TsE 分别代表混凝土在高温和室温下的弹性模量
TsEcE 分别代表钢筋在高温和室温下的弹性模量
Tff 分别代表混凝土在高温和室温下的强度
Tcufcuf 分别代表在高温和室温下混凝土立方体抗压强度
cfcf 分别代表在高温和室温下混凝土的抗压强度
Ttftf 分别代表在高温和室温下混凝土的抗拉强度
Tyfyf 分别代表在高温和室温下钢筋的屈服强度
Tf2.02.0f 分别代表在高温和室温下的名义屈服强度
T 温度在（℃）
T00 分别代表在高温和室温下混凝土的峰值应变
分别代表应力和应变
T 分别代表在高温和室温下的粘结强度
Tuu 分别代表在高温和室温下的最终粘结应力
2.混凝土的力学性能
2.1 试验程序
到现在为止，在中国仍然没有关于混凝土在火灾下的试验的规范，因此研究者对于不同的试样采用不同的试验方法来测试。一般来说，在中国有两大主要系列的试验正在开展。一种是在高温下的无应力测试，另一种是在高温后无应力作用下的残余性能测试。对于高温下的试验，试样在无预载的情况下加热，然后在预定的温度下加载，而高温后试验，是经过加热冷却后在室温的情况下加荷载。用天然气，电力等的规则模拟温度对应曝光时间的升降曲线往往大致符合规范ISO834。
表1 关于高温下混凝土力学性能的试验研究
混凝土的力学性能包括抗压强度、抗拉强度、泊松比及其本构关系等。其中最基本的一项是抗压强度。对中国近年进行的混凝土力学性能试验进行了总结并列于表1。从表1中可以看出，在中国对等级从C25–C85的混凝土，即由普通强度混凝土(NSC)到高强度混凝土(HSC)和高性能混凝土(HPC)，都进行了高温下的测试。
2.2 混凝土的强度
表1同时证明，在中国已经进行了大量的关于混凝土在高温下和高温后强度的实验研究。但是，由于混凝土等级、骨料类型、配合比、养护条件、加热参数以及冷却机制的不同，实验结果也就存在许多差异。本文中，作者试图用一个图来比较和分析表格中的主要的实验结果。
图1 高温下混凝抗压的强度 图1中描绘了关于混凝土轴向抗压强度和温度的典型关系。从图1可以看出随着温度从室温变化到400℃，混凝土的抗压强度先是略微的下降，然后再上升一点。通常情况下，可以认为它是一个常数。当温度达到400℃以上时，抗压强度开始显著下降。800℃时，下降到不足室温下抗压强度的20﹪。从图1中同样可以总结出，轻骨料混凝土的耐热性要比普通混凝土的耐热性能强，因为它的强度降低的很缓慢，尤其是在400℃以上时。 不同骨料的混凝土在高温下强度衰减程度是不同的。但是，在低于500℃时，硅质混凝土和钙质混凝土之间的差异是可以忽略的。李和郭[9]进一步指出，混凝土的抗压强度随着在高温下持续的时间而减退，且温度越高减退的越厉害。
图2 不同的冷却机制下高温后混凝土的抗压强度
图2表示了轴向抗压强度与火灾后不同冷却机制下温度的相对关系曲线。与图1不同的是，图2中混凝土的抗压强度随温度的下降直线下降，在低于400℃时所下降的幅度要比高于400℃时所下降的幅度低小。比较 图1与图2，我们可以总结出，高温后混凝土的抗压强度要比高温下混凝土的抗压强度低。从图2中我们也可以看出冷却机制的不同对于混凝土抗压强度的影响。当温度低于400℃时，在水中冷却的混凝土强度减退幅度要比在空气中冷却减退幅度大，然而当温度高于600℃时，冷却机制的影响不再那么明显。在用水冷却的条件下，当温度的降幅较大时，强度损失也较大（例如冷水）。由于一些水泥颗粒可能会与水化合，它的剩余强度就可能会升高。然而，在空气中冷却的混凝土的强度将持续下降一段时间，然后慢慢会出现一些恢复[4,16]。当在高炉中冷却时，混凝土强度的降低似乎是最小的。当温度高于500℃时，用水冷却碳化的混凝土时，强度降低更加明显[15]。这意味着对于旧的（即碳化了的）钢筋混凝土建筑物，用水来灭火并不是最好的方法。从图2中也可以看出，用煤炉矿渣做的高性能混凝土的残余强度将随着时间的的推移而持续降低。
图3 高温后不同种类的混凝土的抗压强度
图3描绘了混凝土的类型对于高温下混凝土轴心抗压强度的影响。从图3中可以清楚的看到钢筋混凝土的在高温下的力学性能要比素混凝土的力学性能强。对于高强度的混凝土，高温过后，有没有聚丙烯纤维（PP）对其抗压强度几乎没有影响。在高温下高性能混凝土的残余抗压强度接近于普通强度的混凝土的残余强度，但比硅质普通强度混凝土要高得多[27]。由于高强度混凝土的存在致密的微观结构，它在火灾中会产生开裂，因此高温过后混凝土强度减退相当明显[17]。
图4 高温后混凝土的不同力学性能
图4 对混凝土在高温下的各种力学性能变化进行了对比，从图四可以看出，不同的力学性能的变化趋势也各不相同。例如 ，在高温下钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度直线下降，并且它的减退程度比抗压强度的减退程度要大。劈裂抗拉强度相对于抗压强度的比率随温度的升高先是下降，后又随温度的升高而下降。高温后，对于钢纤维混凝土其抗弯强度的退化要比劈裂拉伸强度退化大得多。而抗剪强度的退化则接近于抗压强度的退化。从图4中也可以看出高温下钢纤维混凝土的抗裂强度远远高于普通强度混凝土的抗裂强度。 至于高温下加载方法和程序的影响，周和吴[26]表示，由于混凝土持续加热导致内部微小裂缝的开展，当温度从100℃上升到300℃时，混凝土的疲劳性能会显著降低。根据胡等人[5]的研究，当混凝土的主应力比例保持不变时，双轴受压混凝土的强度随温度的升高而降低。骤降发生在150℃时，这远早于混凝土在单向受压时的情况。在相同的高温下，混凝土的双轴抗压强度会随主应力比例的变化而改变。当主应力比为0.5时，混凝土高温下的双轴抗压强度达到它的峰值。即使在同一温度下，由于内部微观结构的破坏较少，试件内部的强度比表面的强度要高。彭等人[14]解释说，由于裂缝在高温下更容易开展，混凝土抗压强度的降低从而导致混凝土抵抗火灾的能力下降。
至于混凝土的力学性能与温度的关系方程式，研究人员给出了不同答案。例如，李和郭[9]把高温下立方体抗压强度与温度T的关系描述如下式：
（1）
其中和分别表示在高温和室温下的混凝土立方体抗压强度。此外，通常采用一种双向线性模型[18,28]来类似的描述轴向抗压强度与温度之间的关系。然而，混凝土的抗拉强度与温度的关系和很多因素有关。这些因素不仅包括骨料的类别、含水量，还包括试验方法的不同对拉伸强度减退的影响。根据对实验结果的分析，李和郭【9】提出了高温下混凝土的拉伸强度一个简化的公式：
（2）
这里和分别表示混凝土在高温时和室温时抗拉强度。然而在高温后，谢和钱[20]推导出了公式（3）或简化为公式(4)中的两部分，并应用它们来估计混凝土的拉伸强度：
2.3 弹性模量
图5 高温下不同混凝土的弹性模量
图5中对高温下混凝土弹性模量的试验结果进行了比较。可以看出，与抗压强度特性不同，除高性能混凝土外，弹性模量随温度的增长呈直线下降趋势。一般来说，弹性模量的下降随温度的升高接近与线性关系。高温后混凝土的弹性模量比高温下的弹性模量要低。卢[10]取应力曲线上时的割线模假设为弹性模量。并把与T的关系三个线性关系表示如下：
这里和分别表示在高温和室温下的弹性模量。此外，李和郭[9]提出了表示和关系的双向线性方程，表示如下：
（6）
肖等人[19]指出，在400℃以下时高性能混凝土的弹性模量的退减比正常强度混凝土要明显的多，而在400℃以上时，它的退减即和普通强度混凝土的退减几乎相同。另外根据其他的文献报道[4,9,16,17,27],骨料的级配也将对弹性模量产生显著的影响且将随着水灰比的增加而减小。在水中养护的混凝土在高温下弹性模量的下降幅度比在空气中养护混凝土的要大很多。弹性模量的退减似乎和加热冷却循环系统无关但是它与加热过程中达到的最高温度有关。
2.4峰值应变 图六表示的是与高温相对应的混凝土抗压峰值应变的规则。从图六种可以总结出其峰值应变随温度的升高呈线性增长。与在高温下的情况相比，高温后混凝土的峰值应变略微增大。此外，用冷水快速冷却的混凝土的峰值应变要比在空气中慢慢冷却的混凝土的峰值应变大。对于含高炉矿渣的高性能混凝土，肖等人[19]指出在低于400℃时，它的抗压峰值应变几乎和普通强度混凝土相等。但是当温度高于400℃时，它的抗压峰值应变要比普通强度混凝土明显增大。
图6 高温下混凝土的抗压峰值应变
2.5 泊松比
至于高温下混凝土的泊松比，吴等人[17]的研究指出，在20℃～400℃时，它的值在0.11～0.25之间，而大于400℃时，它的则随应力的增加而显著的增加。而对于高性能混凝土，肖等人[19]发现当应力值不超过峰值应力的50％时，泊松比会随温度的增加而减小。
2.6 应力应变关系
先前的许多试验结果证明，像骨料的类别、养护条件、试验条件这些一因素都会影响高温下和高温后混凝土的应力应变关系。就高温下混凝土的应力应变关系而言，姚[22]考虑了热膨胀和热蠕变的影响。通过研究在不同的高温下混凝土的应力应变关系曲线，李和郭[9]指出室温下混凝土的应力应变关系模式通过修改可以用来描述高温下混凝土的应力应变关系。对于曲线的上升阶段，通常采用二阶或三阶多项式的形式或者是修改指数表达式的方式。
对于曲线的下降阶段，通常采用线性方程、有理函数或者是修改指数表达式的方式。