第 1 章 绪 论
1.1 前言
混凝土作为主导建筑工程材料已近一个世纪，近年来高强混凝土发展尤为迅猛。所谓高强混凝土，美国土木工程协会 363R-92 (1)定义由普通材料、掺合料与特定技术组成的抗压强度至少为 50MPa 的混凝土。由于高强混凝土的抗压强度高、受力变形小、耐久性好、降低结构自身重量、提高结构刚度、减小结构截面尺寸等的优点，特别适应现代工程结构向大跨度、超高层数、耐腐蚀的发展需求，且已成为当代最具发展前途并可大面积推广应用的材料。在美国、日本和澳大利亚都有非常成功的应用实例；我国自 60 年代起步，近十多年来发展迅猛。世界著名高强混凝土建筑结构的代表有很多，例如位于马来西亚吉隆坡的 City Center双塔大厦采用 C80 级高强混凝土，美国芝加哥 311 South Wacker 大厦的混凝土强度等级为 C95，美国西雅图的 Two Union Square Build 采用 C135 级高强混凝土等。同样，我国的新央视配楼、上海环球金融中心等采用的都是 C60 高强混凝土，沈阳皇朝万鑫酒店、国家大剧院等的混凝土强度等级均为 C100。近年来我国经济飞速发展，城市化建设加快，高层建筑骤多，高强混凝土的应用逐渐增多。同时，由于大量电气、燃气和装饰材料的使用，建筑物起火的可能性也大大提高，建筑火灾而带来的损失及影响也越来越大[1-2]。一旦遭受火灾，建筑物的材料性能会严重恶化、结构性能大幅度削减，造成巨额经济损失甚至是人员伤亡。尽管高强混凝土与普通混凝土一样具有很好的耐火性能，但由于高强混凝土的低渗透性及高温爆裂特性，当结构构件承受较高荷载时，如果不采取一定措施，在高温中暴露较短的时间就会失去耐火能力，从而承载能力、耐久性、变形和抗震性能等也都会有不同程度的降低和减弱，从而降低了建筑物的使用寿命及安全性能。火灾后损伤较小的建筑物可以在加固、修复后继续使用，但损伤较大的建筑物则需要从经济、设计等方面对其进行对比分析，判断是否有修复加固的必要，这也是保障建筑物结构能否进行加固后继续使用的前提，其现实意义重大。
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1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 高温后高强混凝土力学性能研究现状
关于高强混凝土在火灾/高温后的力学性能的研究，国内外相关学者已进行了很多。同时在不同时期内，许多研究者在试验涉及的范围和试验手段上，都有很大的进步。试验采用的加温范围一般从 100℃至 900℃不等，升温曲线主要以 ISO834 标准升温曲线。恒温时间也不尽相同，从 1 小时至 6 小时不等。研究者在每个研究课题里采用的温度高低有变化，而加温时间不变，在同一个试验中关于不同加热温度和不同加温时间的综合工况与混凝土力学性能改变关系的研究，未见报导。不同的试验又因条件不同而缺乏可比性。短时间较高的温度给高强混凝土带来的结构性能变化与较长时间较低的温度造成的某些后果会非常相似，这一问题没有得到很好地解决。而在火灾后结构评估工作中，结构经历的温度高低和时间长短都是必不可少的分析条件。因此，对高强度混凝土材料经不同高温历程的力学性能研究，有着非常重要的作用和意义。Long T[8]对高强混凝土的防火性能进行了研究，对防火测试数据进行了编制，并指出在常温至 400℃范围内，高强混凝土与普通混凝土有较大的差异性。Fu-Ping Cheng[9]分别研究了 20℃、100℃、200℃、400℃、600℃和 800℃下的高强度混凝土应力-应变曲线，指出高强混凝土的抗压强度与加热温度呈反比，加热温度越高强度越低，800℃时抗压强度仅剩余 25%。Masoud[10]试验测量了高强混凝土分别加热到 100℃、200℃、300℃和 600℃之后的抗压强度、劈拉强度和相应的超声波脉冲速度，发现随着温度的升高高强混凝土的劈拉强度的损失率比抗压强度的损失率高，且以超声波脉冲速度测量的剩余强度略低于直接暴露在超过 200℃下的值。Xiao[11]对 20℃、200℃、400℃、600℃和 800℃高温后高强混凝土的应变速率进行了试验研究，指出高强混凝土的静态抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低，与应变速率的变化成正比；峰值应变随温度的升高提高，几乎不受应变速率的影响，并提出了高强混凝土高温后的应力-应变关系。李丽娟等[12]对 100MPa 高强混凝土进行了明火/高温试验，研究了其经 500℃和800℃高温后的外观、质量、静态抗压强度、抗折强度及劈裂拉伸强度的变化规律。高温下高强混凝土的色泽变浅，随加热温度的升高，其静态抗压强度、抗折强度和劈裂拉伸强度逐渐衰减，部分试块会发生爆裂现象。
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第 2 章 高温历程与受压力学性能关系研究
2.1 引言
高强混凝土的优点在于能够大幅度提高工程结构的承载力、减小结构构件的尺寸、减轻结构自重，能够使现代建筑向大跨度、重荷载、高层次发展，因此也成为近年来世界各地土木建筑与材料工程界追逐的热点，广泛的出现在科学研究与工程实际应用中。高强混凝土和普通混凝土相比较，耐火性能基本很接近，但是高强混凝土的渗透性很差，这会使得高强混凝土的高温性能劣化严重，容易发生爆裂性破坏，这样一来，建筑结构的耐火能力会下降很多。当前国内外对于经历不同高温历程后的高强混凝土的力学性能的研究并不多，所以本文认为，很有必要研究不同温度历程下高强混凝土力学性能的变化规律，为科学诊断高强混凝土结构的受损程度、确定加固修复的方案奠定基础。
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2.2 试验概况
2.2.1 试件设计
本次试验的材料是 C60 高强混凝土，配合比参照央视文化中心主体结构混凝土材料，制作标准立方体试件，参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002，养护至规定龄期。高温历程包括不同的加热温度与不同的恒温时间，加热温度范围为100℃～900℃，每间隔 100℃为一组；恒温时间为 0.5h、1h、2h、3h，分别加温至指定温度后恒温。试件分组情况及样本量见表 2-1。升温时，将试块放至电阻炉内，初始温度为室温。为了确保能够在安全范围内正常使用，使混凝土试块能够均匀的受热，将试件按照 ISO834 标准升温曲线加热，在试块外表面包裹耐高温铁丝网[35]，于试块底部垫碎瓷片，如图 2-3。对经历不同加温历程后的试块进行静载试验，首先使试块轴心物理对中，进行不大于上限荷载 20%的预加、卸载 3 次，然后以 0.3MPa/s-0.8MPa/s 的速度施加压力直至试块破坏，确定试块的极限承载能力。
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第 3 章高温历程与受压疲劳性能关系研究 ...... 25
3.1 引言 ........... 25
3.2 试验方法 ........... 25
3.3 试验结果及分析 ....... 26
3.4 本章小结 ........... 38
第 4 章 高强混凝土疲劳寿命回归分析.... 41
4.1 常用的概率分布 ....... 41
4.2 疲劳寿命验证 ........... 43
4.3 高强混凝土受压疲劳寿命分布规律 ........ 45
4.4 本章小结 ........... 46
第 5 章 经不同高温历程后高强混凝土受压疲劳损伤研究..... 47
5.1 引言 ........... 47
5.2 弹性模量研究 ........... 47
5.3 残余应变研究 ........... 52
5.4 高强混凝土受压疲劳损伤研究 ........ 55
5.5 本章小结 ........... 59
第 5 章 经不同高温历程后高强混凝土受压疲劳损伤研究
5.1 引言
损伤，是指材料或结构在外载和环境等的作用下，其细微观结构缺陷发展的劣化过程。而建筑结构的疲劳损伤，指的是建筑结构或者建筑材料在多次的循环荷载作用下，其承受荷载或者外部作用的性能不断地衰减的过程，最直观的表现为裂纹的萌生、再发展、最后到破坏的全周期过程。混凝土由于其固有的不均匀性，在工程使用前已有很多微裂缝和微空隙，这些缺陷即为混凝土的初始损伤。混凝土结构受到风、浪、车载等重复荷载作用后，仅产生一些微裂纹或变形，整个结构还处于弹性阶段；继续加载，当循环荷载超过一定范围时，混凝土结构内部裂纹持续发展、连接贯通，混凝土失稳破坏，整个过程也是损伤累积的过程。世界上最为人知的疲劳损伤理论是在 1924 年问世的Palmgren-Miner 线性累积损伤准则，简称 P-M 准则，即∑ni/Ni=1，由于其提出于金属材料中，而对于混凝土等非金属材料的适用性就受到了限制[25～29]。对混凝土疲劳损伤的相关研究始于 20 世纪 80 年代，1985 年 Dougill[61]将损伤力学的方法用于混凝土材料研究中，Lemaitre[62]建立了混凝土低周疲劳损伤模型，即经典D=1-ê/E。1991 年 Zhu 等[63]研究了混凝土累积疲劳损伤的随机概率密度，并对混凝土疲劳强度的离散性及其衰减规律进行了分析。1995 年鞠杨[64]使用疲劳损伤起始塑性应变、循环至某个次数时的塑性应变和损伤破坏时的塑性应变，基于累积静态塑性应变理论，对混凝土疲劳损伤进行了定义。杨健辉等[28、65]则以混凝土疲劳变形模量为损伤变量，建立了损伤模型，模型估计和对剩余疲劳寿命的预测结果比较满意。曹伟等[25～27]在确定疲劳损伤变量时，着重考虑了混凝土疲劳残余应变，认为残余应变可以很好的反映混凝土微塑性变形和微裂纹不可恢复的程度，它较疲劳加载方向的最大应变更能反映材料的本身特性。
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结论
本文利用箱式电阻炉、电液伺服万能试验机、电液伺服疲劳试验机等综合手段，对高强混凝土经历不同高温历程后的物理化学变化以及由此造成的性能变化（主要是疲劳性能）进行分析。通过对经历高温的高强度混凝土的抗压强度试验及疲劳试验，建立高温历程与高强混凝土疲劳损伤的关系模型，形成研究混凝土材料高温历程、力学性能及疲劳损伤之间关系的科学方法。得出以下结论：
1、经不同高温历程后高强混凝土的色泽逐渐变浅。升温至 300℃恒温 1h 时，高强混凝土试块表面呈铁锈红色，直到 400℃恒温 2h 时铁锈红色消失，700~900℃试块表面呈灰白色；500℃左右时部分高强混凝土试块会发生爆裂，较普通混凝土的爆裂温度低很多，但其爆裂机理较普通混凝土更加符合蒸汽压原理和热压力原理共同作用的解释。
2、高强混凝土经历不同高温历程后的力学性能随加热温度的升高以及恒温时间的增长而降低。随着加热温度的升高及恒温时间的增长，高强混凝土的质量、强度、弹性模量等下降，峰值应变等增大。而且加热温度低于 400℃时，加热温度以及恒温时间的变化对高强混凝土力学性能的影响不大；加热温度超过 400℃后，其各项性能随加热温度的升高以及恒温时间的增长下降明显。相对恒温时间的不同，加热温度的变化对高强混凝土受压力学性能的影响更大。
3、经不同高温历程后高强混凝土单轴受压疲劳的破坏形态为柱状压溃。由于受高温作用，高强混凝土在破坏前已有可视细微裂缝，当达到峰值荷载后发生脆性破坏，并伴随剧烈的劈裂声，试块出现严重的爆裂破碎现象。具体的形态与施加的应力水平有关。
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参考文献（略）