机制砂混凝土在高温后的强度和耐久性研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 O期 (总 第 2 6 4期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 1 ( T o ml No 2 6 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATER I AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 1 6 机制砂混凝土在高温后的强度和耐久性研究 陈正发 ，刘桂凤 ，徐建民 ( 1 山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 2 5 5 0 4 9 ；2 山东凝易固砂浆科技有限公司，山东 淄博 2 5 5 0 5 1 ) 摘要： 在对原材料性能测试和混凝土配合 比试验的基础上， 对 C 3 0 机制砂混凝土开展了高温后的强度和耐久性试验研究。 对比研究 了高温后无腐蚀， 高温后酸腐蚀和高温后碱腐蚀3 种情况下机制砂混凝土的强度和相对动弹模量的变化规律。 试验结果表明机制砂混凝土 在高温后 ， 抗压强度和相对动弹模量都显著降低 ， 并随温度的增加降低的幅度有增大趋势； 机制砂混凝土在高温后， 耐酸、 碱性侵蚀等的耐 久性能明显减弱， 且经受的温度越高其耐酸、 碱性侵蚀的能力越低， 以耐酸侵蚀的能力最低。 关键词： 机制砂混凝土；高温；强度；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 4 6 0 3 St ud y on t he s t r e ngt h a nd dur abi l i t y o f con c r e t e wi t h ma nuf ac t ur e d- s an d un de r c ondi t i on of hi gh t e mper a t ur e CHEN Zh e n g - f a ， U U Gu i f e n g ， X U J i a n mi n ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c tu r eE n g i n e e r i n g， S h a n d o n gU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z i b o2 5 5 0 4 9 ， C h i n a 2 S h a n d o n g Ni n g y i g u Mo l a r T e c h n o l o g y C o ， L t d ， Z i b o 2 5 5 0 5 1 ， C h i n a ) Abs t r act： Ex pe r i me n t s t ud i e s o n C3 0 c o n c r e t e wi t h ma n uf a c t u r e d - s a n d we re c a r r i e d o u t u n d e r c o n d i t i o n o fh i g h t e mp e r a t ur e， wh i c h b a s e d o n t h et e s t i ng o fr a wma t e r i a l p e r f o r manc ea n d c o nc r e mi x r a t i o n Ac o mp a r a t i v e s tud yo nt h e c h a n g i n gl a wso ft h e s t r e n g t handt h e r e l a t i v ed y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e wa s ma d e i n thr e e c a s e s wh i c h we r e h i g h t e mp e r a t u r e ， a c i d c o r r o s i o n f o l l o wi n g a ft e r h i 曲 t e mp e r a t u r e a n d a l k a l i c o r - r os i o n f o l l o wi n g a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e Th e r e s u l t s o f t e s t s i n d i c a t e d tha t t h e s t r e n g t h a n d t he r e l a t i v e d yn a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e wi t h ma nu f a c tur e d- s a n d d e c r e a s e d ma r k e d l y wi t h t h e i nc r e a s i n g o f t e mp era t ure Th e d u r a b i l i t y of a c i d a n d a l k a l i r e s i s t an t o f c o n c r e t e wi t h man u f a c t u r e d s and wa s a l s o r e ma r k a b l y we a k e n e d d u e t o t h e a c t i o n o f hi g h t e mp e r a u e Th e c a p a b i l i t y o f a c i d a n d a l k a l i - r e s i s t a n t o f t h e c o nc r e t e wa s we a k e ra n dwe a ke r wi t ht h ei n c r e a s i n go ft e mp e r a t u r e， e s p e c i a l l ythe a n t i - a c i d c a p a b i l i t y Ke y wo r d s ： c o n c r e t e wit h manu f a c t u r e d s and ； h i g h t e mp e r a t u r e ； s t r e n g t h ； d ura b i l i ty 0引言 2 0 0 0年前 ， 古罗马人把火山灰、 石灰、 加入加工石料残渣、 砖块、 天然卵石等做成的施工材料算是最早的混凝土， 也因此 建造了许多宏伟建筑。 自1 8 2 4年英国人 As p d i n发明波特兰水 泥以来 ， 水泥基混凝土作为一种主要的结构工程材料， 被广范 地应用于工业与民用建筑工程 ， 道路与桥梁工程 ， 水利与水电 工程， 民用与国防构筑物工程等。 混凝土材料不仅要在正常的环 境下工作 ， 而且也会经历高温、 冻融循环 、 化学介质侵蚀等严酷 环境的考验。 在这些恶劣环境因素作用下， 混凝土能否经受住严 峻的考验， 其承载能力和耐久性能还能否满足使用要求， 已经引 起人们的高度关注。 实际工程中， 混凝土经受高温环境因素作用的情况也很常见， 比如冶金和化工企业的高温车间， 其结构经常处于高温辐射下， 温度可达2 0 0 3 0 0 ； 烟囱排放高温烟气， 内衬可达 5 0 0 6 0 0， 外壳常为 1 0 0 2 0 0t ； 建筑结构在事故火灾的情况下 ， 很短的 时间内， 最高温度可达 1 0 0 0以上【2 j 。 近年来， 世界各国火灾发 生的频率和损失呈上升趋势， 我国火灾发生的次数和损失也相 当惨重， 1 9 9 1 1 9 9 5 年的 5年时间里火灾所造成的经济损失已 达 4 6 7 5 亿元。 国外开展高温下混凝土性能的试验研究较早， 对钢 筋混凝土结构抗火性能的大量研究始于 2 0 世纪 4 0年代。 我国 对混凝土抗高温性能的研究起步较晚， 2 0世纪 6 0年代 ， 冶金部 建筑科学研究院等单位进行了高温下混凝土强度的试验研究嘲 。 目前， 关于高温后混凝土的力学性能的试验研究有很多 ， 但都是针对天然砂混凝土进行的研究， 对机制砂混凝土在高温 后的强度和耐久性能的研究还不多见。 随着天然砂资源的大量 减少和人们对环境保护的高度关注 ， 在政府的大力倡导和推广 下 ， 机制砂混凝土在工程中得以广泛应用 ， 因此有必要对机制 砂混凝土在高温环境下的强度和耐久性能进行研究。 本研究以 C 3 0 机制砂混凝土为研究对象， 对机制砂混凝土在高温后的强 度和耐久性能进行了试验研究， 得到了一些有益的结果。 1试 验 万 法 1 1 原材料测试及配合比试验 为了更能体现工程的实际情况， 本研究所用机制砂取自工程 现场正在使用的机制砂。 本试验根据国家标准G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 建筑用砂 对机制砂的颗粒级配、 表观密度、 堆积密度、 泥块含 量及含水率等进行了测试。 经测定 ， 该砂的细度模数为 3 2 ， 砂的 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J o 4 3 0 基金项目：山东省 自 然科学基金项目( Z R 2 0 0 9 F M0 2 0 ) ； 国家自 然科学基金项目( 5 0 7 0 9 0 3 1 ) 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 级配筛余量部分在 l 区， 部分在 2 区， 可以界定为中粗砂， 砂的 表观密度 、 堆积密度及含水率等指标都符合建筑用砂标准。 碎石 也是取 自工程现场， 按照 GB T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 ( 建筑用卵石、 碎石 的规定对碎石的级配、 表观密度 、 堆积密度 、 泥块含量和含水率 进行测试 ， 均符合要求。 水泥采用 P 0 3 2 5级水泥， 根据检测， 各出厂指标均达标。 对 C 3 0机制砂混凝土进行配合比试验， 坍落度要求为 8 0 9 0 r n r n 。 先参照 J G J 5 5 2 o 0 0 普通混凝土配合比设计规程 ， 按 天然砂的配合比设计方法计算出配合比并进行试配， 然后根据 天然砂与机制砂的性能差异及试配结果 ， 对计算出的配合比进 行了适当调整。 C 3 0机制砂混凝土的最终配合比为 ： 水泥： 砂： 石： 水 = 1 ： 1 0 6 ： 2 1 6 ： 0 4 7 。 1 2高温试验及性能指标测试 混凝土试件采用标准的立方体试块( 1 5 0 1 1 5 O n 1 n l 5 0 mm) ， 试块按常温、 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0共分 4组， 每组各 9个试块 ， 分别 编号。 试验采用的加热方式是 ， 每次升高 1 0 0， 然后保持恒温 5 min， 炉内温度达到预定温度后保持恒温至 3 h 。 试块经历高温 后 3 d 进行测试或进一步处理。 高温后酸腐蚀 ， 取常温和经受高温 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0处理的 4组机制砂混凝土试件各 3 个， 一共 1 2 做 人盛有浓度为 5 的冰醋酸溶液的容器中浸泡， 浸泡时液面高出试件顶面2 0 mm。 高温后碱腐蚀， 将常温下的 3个机制砂混凝土试块和经受 高温 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0处理的 3组机制砂混凝土试块各 3 块 ， 分 别放人放入盛有浓度为 1 0 的Na C O ， 溶液的容器 中浸泡 ， 浸 泡时液面高出试件顶面2 0 mm。 将浸泡达到设定时间后的各组试件取出， 用湿布擦除表面 水分， 按 GB T5 o o 8 1 -2 o o 2 ( -通混凝土力学性能试验方法标准 要求用液压压力试验机测定各组试件的抗压强度 ， 用弹模仪测 定各组试件的弹性模量。 2 试验结果及分析 各温度、 各环境下机制砂的力学性能指标的试验结果 ， 如 图 1 4 所示。 试验中的相对动弹性模量按如式( 1 ) 计算。 ( 1 ) 式中： 次冻融循环后试件的相对动弹性模量； 试件冻融循环前的自振频率， Hz ； 试件冻融 n次循环后的自振频率， H z 。 由试验结果可以看出 C 3 0机制砂混凝土在无腐蚀环境， 酸 腐蚀环境及碱腐蚀环境 中， 随着温度的升高抗压强度在降低 ( 如图 1 所示) ， 且温度越高降低的幅度越大( 如图 2所示 ) 。 无 腐蚀环境， 升温至 2 0 0， 抗压强度降低 4 8 ， 升至 3 0 0时， 抗压强度降低 1 8 3 ； 动弹性模量大小也随温度增高而降低 ， 2 0 0时动弹模量降低 1 2 ， 3 0 0时动弹模量降低 4 3 。 酸 环境， 常温下强度减小 1 9 5 ， 动弹模量降低 5 8 ， 温度升高到 3 0 0时强度降低 4 0 2 ， 动弹模量降低 1 1 6 。 碱环境 ， 常温 下强度减小 2 1 9 ， 动弹模量降低 4 7 ， 3 0 0高温时强度降低 3 3 9 ， 动弹模量降低 7 0 。 对比3种环境下机制砂混凝土的抗 压强度随温度的变化规律( 如图 1 所示) 可知 ， 相同温度下无腐 蚀环境中混凝土的抗压强度高于酸、 碱腐蚀环境中的抗压强度 ， 且以高温后酸环境中的机制砂混凝土的抗压强度为最低。 从图3 相对动弹模量的变化规律也可看出， 机制砂混凝土的相对动弹 模量随着温度升高而明显降低； 且以高温后酸环境下混凝土的 相对动弹模量最小， 降低的最为明显( 如图4所示) 。 3 5 3 3 1 9 1 7 1 5 4 5 4 0 圣 3 5 槲 3 O 2 5 2 O 1 5 瞬 1 0 5 d 山 0 慧 幅 莨 温度 图 1 抗压强度随温度的变化规律 O 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 O 0 温度 ， 图 2强度损 失率随温度的变化 8 8 8 6 8 4 82 8 O 7 8 7 6 7 4 温度 图 3 相对动弹模量随温度的变化规律 l 2 蓬 1 0 繁s 辎6 2 O 3结 论 5 O l O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 温度 图 4 相对动弹模损失随温度的变化 通过对 C 3 0 机制砂混凝土在高温后无腐蚀和高温后酸、 碱 腐蚀 3种试验结果的分析和对比， 可以得到以下有益结论 ： ( 1 ) C 3 0机制砂混凝土在高温作用下强度会降低， 且随着 温度的增加强度降低的幅度有增大趋势； 同样 ， 该混凝土在高 温后再经酸 、 碱侵蚀， 其强度也在降低 ， 且随着温度的增加强度 降低的幅度也有增大的趋势。 ( 2 ) 高温后再经酸、 碱侵蚀的 C 3 0机制砂混凝土的强度明 显低于高温后无腐蚀环境的机制砂混凝土的强度 ， 以高温后酸 侵蚀的混凝土强度最低。 ( 3 ) C 3 0 机制砂混凝土在高温作用下相对动弹模量会降低 ， 且随着温度的增加相对动弹模量降低的幅度有增大趋势 ； 高温 后经酸、 碱侵蚀的机制砂混凝土， 其相对动弹模量也在降低， 且 随着温度的增加降低的幅度也有加大趋势。 ( 4 ) 高温后再经酸、 碱侵蚀的 C 3 0机制砂混凝土， 其相对动 弹模量明显低于高温后无腐蚀环境的机制砂混凝土， 以高温后 酸侵蚀的混凝土的相对动弹模量最小。 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献： 【 1 】 武汉钢铁设计院 冶金工厂热结构调查及温度实测资料【 z 】 科学技 术成果报告， 1 9 7 4 ( 7 4 0 8 ) ： 1 1 2 】 日 寸 旭东高温下钢筋混凝土杆系结构试验研究和非约性有限元分析 D 北京： 清华大学， 1 9 9 2 3 1 张众 冻融及高温后混凝土多轴力学特性试验研究 D 】 大连： 大连理 工大学， 2 0 0 6 4 】 林志明， 张雄 火灾混凝土损伤诊断的进展 J 】 建筑材料学报 ， 2 0 0 0 ， 5 ( 4 ) ： 3 4 7 3 5 2 5 】L A WS ON R M F i r e t e s t s o n r i b b e d c o n c r e t e fl o o r s J E l s e v i e r A p p l i e d S c i e n c e P u b l i s h e r s L t d ， 1 9 8 6 【 6 陈荣毅， 沈祖炎 钢筋混凝土结构抗火设计评述叨 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 8 ) ： 1 2 1 6 7 】B R E S L E R B， I D I N G R H F i r e r e s p o n s e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e m e m- 上接 第 4 0页 位移值为 6 0 7 ra m ( 6 S ) 。 显然， 位移响应也滞后于加速度峰值。 工况 2位移极值对应时间点的云图见图 1 8 2 0 。 其余工况中， 三 孔过水工况动位移相对较大。 3 e 0 孙 Z 。 、 0 珏 。 。 4q 铀 0 0 图 1 8 工况 2横 向位移极值点( 5 4 6 s ) 位移云图 图 1 9 工况2顶底板竖向位移极值点( 4 9 2 s ) 位移云图 一 。 。l 1 吼 3 g 。 ， 4 2 2 E - g 3 f J O l 。 。 1 2 8 4 2 。 。 3 6 B g 4 4 5 5 G 。 6 1 。 图 2 O 工况 2竖板竖向位 移极值点 ( 6 s) 位移云图 5结论 采用 Ne w ma r k时程分析方法 ， 基于土体的弹塑性模型并考 虑动水压力， 研究了多工况下预应力倒虹吸全时域内的地震动 应力和动位移反应。 48 b e r s J F i r e S a f e t y o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ， 1 9 8 3 ( 8 0 )： 6 9 - 1 1 3 8 WE I G L E R H R F I n f l u e n c e o f h i g h t e mp e r a t u r e s o n s t r e n g t h a n d d e fo r ma t i o n s o f c o n c r e t e J C o n c r e t e f o r N u c l e a r R e a c t o r s ， 1 9 7 2 ( 3 4 ) ： 4 8 1 - - 4 9 3 【 9 】HAR A D E T， e t a1 S t r e n gth ， e l a s t i c i t y a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e J A C I ， 1 9 7 2 ， 1 ( 3 4 ) ： 3 7 7 - 4 0 6 1 O 】 李卫 ， 过镇海 高温下混凝土的强度和变形性能的试验研究 J 】 _ 建筑 结构学报， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 8 - 1 6 作者简介 联系地址 联 系电话 陈正发( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 副教授， 硕士生导师， 主要从事土木工 程方面的教学与科研工作。 山东省淄博市张店区张周路 1 2 号 山东理工大学建筑 工程学院( 2 5 5 0 9 1 ) 1 5 8 5 3 3 4 01 6 9 ( 1 ) 过水工况影响结构动应力的分布， 3孔过水应力最大 ， 两边孔过水及无水工况次之 ， 中孔过水稍逊， 进行抗震分析时 必须考虑流固耦合作用。 ( 2 ) 随在横向地震波激励下 ， 结构全时域动应力极值数量 级较小， 基本控制在 0 5 MP a以内。 竖板应力高于顶底板应力。 各工况下均呈现出板件中部正应力值较小， 横竖板交接处应力 值较大的规律。 ( 3 ) 结构水平 向位移约 比竖向位移高一个数量级 ， 与地震 动施加方向相吻合。 ( 4 ) 结构受埋置深度影响显著， 埋深越浅 ， 动应力越小 ， 但 动位移越大。 ( 5 ) 由于地基土弹模远小于倒虹吸结构弹模 ， 土壤具有较 好的吸收能量能力， 结构均显现出明显的动力响应滞后现象。 参考文献： 。 1 赵顺波， 刘祖军， 刘树玉上承式板拱渡槽结构动力性能分析研究 J 水利水电技术， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 1 0 ) ： 3 3 3 5 2 邵岩， 马秀梅， 赵兰浩考虑水体1 乍 用的渡槽动力响应计算方法比较叨 南水北调与水利科技， 2 0 0 7 ， 5 ( 2 ) ： 7 8 8 0 【 3 3 吴轶， 莫海鸿 ， 杨春 大型渡槽动力设计方法研究J 】 计算力学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 6 ) ： 7 7 8 7 8 2 4 】 金先龙， 李渊印结构动力学并行计算方法及应用【 M _ E 京： 国防工 业出版社， 2 0 0 8 【 5 胡聿贤 地震工程学【 M 】 E 京： 地震出版社， 2 0 0 6 6 6 s 卜 2 0 3 9 7 ， 水工建筑物抗震设计规范【 s 7 】 赵顺波， 李晓克， 胡志远， 等 大型倒虹吸预应力混凝土结构模型试 验研究【 J J 水利发电学报， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 ) ： 4 0 4 4 【 8 李晓克， 赵顺波， 刘树玉， 等大型倒虹吸结构预应力钢筋张拉施工 页 序研究f J 1 水利水电技术， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 6 ) ： 6 8 7 1 作者简介 联系地 址 ： 联系电话 ： 王慧( 1 9 7 9 ) ， 女， 硕士， 讲师， 主要从事建筑结构教学与研 究工作。 河南郑州北环路 3 6 号 华北水利水电学院( 4 5 0 0 1 1 ) 1 3 6 7 6 9 2 3 4 3 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m