混凝土的高温试验技术和高温力学性能研究

付本莉

摘要：混凝土作为一种优质的人工材料，在工程建设中应用较为广泛，但是，工程意外事故频发，混凝土结构遭受火灾和碰撞影响，因此，混凝土在极端条件下，力学性能受到人们的关注。因此，在结构设计中，引入火灾和碰撞的影响，掌握混凝土材料在高温和动荷载作用下的力学行为已经迫在眉睫。文章将对混凝土实验技术和高温力学性能进行研究，希望为相关人员提供参考。

关键词：混凝土；高温试验技术；高温力学性能

引言

混凝土作为对一种主要的工程材料，由于技术和经济上的优点，广泛应用于工程建设中。现阶段，民用建筑、商用建筑和军用建筑等大多是以钢筋混凝土为主要材料。随着经济的快速发展，高层建筑不断涌现，房屋密度增加，再加上建筑物中燃气、电器较多，增加了发生火灾的可能性，人们预测和控制火灾的压力越来越大。因此，加强对混凝土性能研究，对于保障建筑物安全具有重要意义。

1混凝土高温试验技术

1.1试验试件的制作

本试验试件采用的浇注混凝土设计强度为30Mpa，其中水泥等级为425Mpa，砂石直径一般为5～8mm。为了使本文试件中的骨料分布更均匀合理，文章中浇注大块体的混凝土，通过切割和钻芯获得试验试件。实验中混凝土尺寸为1200mm×1200mm×350mm的立方体，并按照GB50152-92进行标准养护。试件制取时，首先采用钻芯取样法进行取样，得到直径50mm，高度300mm的长试件，然后切割为实验中要求的尺寸，高35mm，直径50mm，制作的试件如图1。

在混凝土钻芯取样过程中，要注意钻头与混凝土面的垂直型，以保证钻取的试件轴心线和横截面具有较好的垂直度。因此，在钻取前，要尽量保证混凝土表面平整，同时钻孔取芯机放置后，应当和混凝土面具有很好的平行性。当一切都检查好后，钻取混凝土前，还应当将钻头调整至混凝土面，检查钻头四周是否同时与混凝土面都接触上，以确保截面和轴线具有良好的垂直性。

图1试验试件

1.2测温设备的选择

试件内温度的测量是本实验的难点，也是整个微波界的难点。微波炉加热属于封闭加热，要想能实时测量试件温度场的分布，尤其是内部的温度相当困难。根据测温原理，测温方法可以分为接触式和非接触式，用接触式方法测温时，感温元件需要与被测的介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。当用光学高温计、辐射高温汁、红外探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但感温元件往往会破坏被测对象的温度场；非接触式测温主要是通过热辐射来测量温度的，感温速度较快，多应用于高温测量，但是，由于受到物体发射率、热辐射传递空间的距离、烟尘和水蒸气的影响，测量误差较大。

1.3温度分布的均匀性

当试件达到理想温度时，试件截面各点的温度基本一致，这就是高温条件下的均匀性要求。在高温试验中，如果试件出现温度梯度，就会对试验结果造成影响，因此要求加热后试件截面温度分布具有良好均匀性。

1.4热封闭系统实现均匀加热

微波加热与热传递加热方式不同，热传递加热炉时，试件周围的温度高于试件本身的温度。微波加热只需要对加热体进行加热，周围空气在加热过程中处于较低温度，通常会小于试件温度，因此，当试件被加热温度小于350℃时，由于试件和空气之间的温度梯度很大，试件表面的部分热量流向空气，而试件内部温度在加热过程中则由于混凝土是热惰性材料而基本保持不变，这既降低了加热效率，又使试件表面和内部之间形成了温度梯度。为减少试件截面温度的不均匀性，在加热的过程将混凝土试件上覆盖绝热材料（石棉），尽量让试件处在一个热封闭的范围内，由于微波加热速率很快，时间短，这样就可以提高试件温度分布的均匀性和加热速率。

2高温下混凝土力学性能

2.1高温下混凝土静态力学性能

2.1.1高温下静态力学性能试验技术

在高温环境下，混凝土力学性能研究受到实验技术的制约，主要是由于高温技术的限制，因此，对混凝土高温加热设备和实验技术的研究是混凝土高温实验中的主要任务。当前，混凝土高温实验设备几乎都通过热传递的形式进行加热，这种方式的加热设备又主要以电热炉为主。由于电热炉是热传递方式来提升混凝土试件温度，而混凝土又是热的不良导体，短时间内试件内部很难达到预想温度，因此，采用这种设备加热混凝土的效率一般会比较低，需要恒温数小时才能使试件内外基本具有相同温度。为了提高实验效率，在高温混凝土实验中可以采用两个电热炉加热，一个预热炉，一个实验炉。预热炉有较大的容量可以同时加热多个试件，达到预定的温度后转入实验炉精确控温。精确温控装置采用型号为TGDFK-20的可控硅调功器，最大功率20KW。此调功器带有PID积分调节器，当炉内温度接近设定温度之前，就自动减缓升温速度，避免热惯性的冲击。

2.1.2高温下混凝土静态抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土力学性能中最重要的一项内容，我国研究学者进行了大量的试验研究，由于试验方法和试验条件的不同，且影响混凝土抗压强度因素较多，如骨料种类、混凝土配合比、试件养护条件以及升温速度等，因此，各研究者的试验结果不尽相同，比较一致的结论有以下几点：第一，当试验温度小于300℃时，普通混凝土的抗压强度与常温时抗压强度相比基本上没有降低，在300～400℃时，强度还略有上升，当温度大于400℃时，混凝土抗压强度开始显著下降，500℃时；第二，混凝土强度越高，其抗压强度损失越大；第三，混凝土骨料类型不同，其抗压强度降低的幅度不同，硅质骨料的混凝土强度降低幅度最大，如花岗岩，钙质骨料混凝土次之，如石灰石，轻骨料混凝土的强度损失最小，如陶粒；第四，混凝土水灰比越大，其高温强度越低；第五，混凝土龄期对混凝土高温抗压强度影响较小。总之，在高温时，混凝土强度会发生较大的损失。

2.2混凝土动态力学性能

近20余年时间，大量的研究学者从各方面对混凝土材料的动态力学性能进行了研究，使人们对混凝土的动态力学性能有了较多的认识。在动态荷载的作用下，导致混凝土材料力学性能区别于其静态情况下的主要因素是材料的应变率敏感效应。因此，混凝土材料率敏感效应的研究一直都得到了研究者们的重视和关注。随着应变率的提高，混凝土材料的抗拉强度和抗压强度都会有明显的增强，并且在同一应变率量级变化范围内抗拉强度的相对增强效果比抗压强度的相对增强效果更显著一些。

结束语

综上所述，加强对混凝土试验技术和高温力学性能的研究，对于防止火灾对建筑物整体稳定性影响具有重要意义。但是，高温试验周期较长，效率低，为了能够提高试验效率，缩短试验周期，可以采用微波加热混凝土，实现混凝土快速、均匀加热。

参考文献

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