专利名称：一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法
技术领域：
本发明涉及混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，属于建筑材料领域。
背景技术：
混凝土材料由于其原材料的易于获得与廉价性，施工的便捷性，以及较好的物理力学性能和耐久性，因而在最近100多年的历史中，作为主要的建筑结构材料广泛地应用于建筑工程领域。
但是在建筑物火灾以及相关的混凝土高温试验中发现，高温作用后混凝土自身结构已发生了一系列的物理化学变化，这导致了混凝土承受载荷能力下降与变形。此外，近年来蓬勃兴起并替代传统混凝土用于建筑工程领域的高强高性能混凝土，由于具备密实的微观结构在经历高温作用时产生爆裂。例如，英法海底隧道发生的火灾造成隧道内表面高强混凝土爆裂，造成了隧道大面积的受损区域。
现有技术资料表明，目前混凝土高温后性能测试方法包括两种，其具体情况如下所述第一种测试方法将混凝土试件置于加热设备中，从室温以恒定速率升温至目标温度后，再保温若干时间，然后将试块置于加热设备中自然冷却，或将混凝土试件置于空气中自然冷却，或将混凝土试件置于空气中水冷却，然后进行物理力学性能等测试。该方法存在的缺点在于其受热温度与受热时间主要取决于前人经验与主观要求，没有具体针对现有测试对象进行测试，缺乏合理依据。其次，该方法单纯研究混凝土材料的破坏机理，没有重视混凝土工程实际应用中钢筋高温破坏的问题。最后，该测试方法在升温制度上存在缺陷，其示意图见图1。由图1可知，不同的目标温度在升温过程中所需要的时间不同。例如，目标温度为100℃，300℃和600℃时，其目标受火时间为2h，升温时间分别为20min，60min与120min。对目标温度为100℃而言，其实际受火时间为2h20min，并非目标受火时间2h；对不同温度下的试件而言，其经受高温作用的实际受火时间不同而不具有可比性。
第二种测试方法采用特别设计高温燃油炉，按照ISO标准曲线(见图2)进行高温实验，达到目标温度后保温若干时间。然后将试块置于加热设备中自然冷却，或将混凝土试件置于空气中自然冷却，或将混凝土试件置于空气中水冷却，然后进行物理力学性能等测试。该方法存在的缺点在于需要特别设计与制作符合ISO标准曲线的加热设备，增加了设备投资，不利于推广；其次，该方法也存在受热温度与受热时间缺乏合理依据和忽视混凝土工程实际应用中钢筋高温破坏的问题。
在性能测试指标方面，现有技术资料表明已有测试方法高温后混凝土性能测试指标较单一，多集中于高温后混凝土的物理力学性能方面，没有结合混凝土耐火极限、高温前后混凝土试件的物理现象、混凝土试件的无损检测技术与升温过程中混凝土试件内部温度速率变化对混凝土进行全面测试，因而不能较深入地反映混凝土高温后性能的损伤情况。
现有标准《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978-1999)全面详细地定义了建筑构件中墙、梁、柱、楼板、吊顶和屋顶等承重和非承重构件的耐火极限，对耐火试验装置、试验条件、试件要求与试验程序做出了明确规定。它适用于墙、梁、柱、楼板、吊顶和屋顶等承重和非承重构件，其他的构件、配件或结构可参照采用；而且在进行耐火试验时，试件应与该试件实际使用情况相同。该标准把建筑构件分为非承重构件与承重构件，从耐火稳定性、耐火完整性、耐火隔热性三个方面评价耐火极限，并分别对这两种构件采用不同的评价指标。GB9978-1999对试验装置与设备的要求高，一般实验室条件达不到耐火极限试验要求，因此不利于该标准在科研与工程应用中的推广。此外，GB/T 9978-1999试验费用贵，而且能按照该标准进行试验的单位有限，增加了测试难度系数。
现有测试方法存在混凝土高温受热升温制度缺乏合理依据，性能测试指标单一，没有与混凝土工程实际应用相联系，试验装置与设备的要求高，测试费用贵的缺陷。与混凝土高温作用后性能劣化测试方法相关的我国专利文献经检索未发现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便易行、测试全面的混凝土高温作用后性能劣化的测试方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，其特征在于它包括如下步骤1).混凝土试件的制备a.混凝土试件成型选取所需测试混凝土的原料，制成混凝土试件，混凝土成型时预先在混凝土中钢筋保护层厚度处埋设测温元件；b.混凝土试件养护将预埋设测温元件的混凝土试件养护90天；c.高温前预养护所有混凝土试件在达到养护龄期进行测试前，提前一周置于温度为18-22℃(最佳为20℃)，相对湿度为55-65％(最佳为60％)的恒温恒湿室中养护，避免混凝土试件由于外部环境湿度影响而在高温下爆裂，导致对混凝土材料自身性能测试的偏差，此外，统一的外部环境条件有利于不同配比混凝土高温后性能的比较；2).混凝土试件的性能测试a.混凝土试件耐火极限与温度场测定设定目标温度场为795-805℃(最佳为800℃)，达到目标温度场后，把预先准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，从混凝土试件开始接触到目标温度场开始计时，以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限，进行耐火极限与内部温度变化速率的测试(这种测量可以采用自动法或手动法)；b.物理力学性能设定目标温度场为795-805℃(最佳为800℃)，达到795-805℃(最佳为800℃)目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，在混凝土试件达到耐火极限后，将混凝土试件取出后迅速转移至温度为18-22℃(最佳为20℃)、相对湿度为55-65％(最佳为60％)的恒温恒湿室中，置于恒温恒湿室24h后测定混凝土试件的抗压强度、抗折强度、弹性模量；
c.混凝土试件的超声波和爆裂程度测试(见表4和表5)在温度为18-22℃(最佳为20℃)、相对湿度为55-65％(最佳为60％)的恒温恒湿室中，采用超声波探测仪测定步骤1)提前一周预置于该环境中混凝土试件的波速、频率和振幅；设定目标温度场为795-805℃，达到目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，当混凝土试件达到耐火极限后，取出置于温度为18-22℃、相对湿度为55-65％的恒温恒湿室中冷却24h，采用超声波探测仪测定混凝土试件的波速、频率和振幅；测量混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场前后混凝土试件质量，计算质量损失；统计混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场后混凝土试件破损数量，测量混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场后混凝土试件的爆裂面积与爆裂深度。
步骤2)所述的进行耐火极限与内部温度变化速率的测试采用手动法，从计时零点开始，采用电位差计或温控仪表人工读取数据，每隔1min记录温度变化一次，直至试件内部温度接近800℃，温度变化较小时止(每5min升温速率小于1℃)。
步骤2)所述的进行耐火极限与内部温度变化速率的测试采用自动法，采用混凝土高温作用耐火极限测试专家系统，该系统由计算机、数据采集设备和编写程序等组成，自动法进行检测的工艺为首先校正测量系统，确保系统正常工作；其次将预先埋设测温元件的混凝土试件与数据采集设备相连接，采集混凝土试件的初始温度，测试计时开始后，在设定程序的控制下，系统将自动按照设定步长采集数据，当达到耐火极限时，系统指示灯亮；当达到耐火极限时，程序将提醒用户是否重新设定步长进行下面温度场测定以及温度场终点产生的条件以记录温度场变化。
本发明在稳定热源条件下，以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限，该耐火极限保证混凝土中钢筋保护层厚度处钢筋不发生显著性破坏。然后以该耐火极限为基准，根据一系列测试指标，测试不同配比混凝土达到耐火极限时，其性能的劣化情况。
1.耐火极限模拟研究混凝土材料经受火灾高温作用时，抵抗高温损伤作用，保证混凝土中钢筋保护层厚度处钢筋不发生显著破坏的时间，即在目标温度为795-805℃(最佳为800℃)的条件下，混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间。
(1)目标温度为795-805℃(最佳为800℃)的确定依据a).795-805℃(最佳为800℃)涵盖了混凝土在高温作用下几乎所有的物理化学变化，包括100℃左右自由水的蒸发和钙矾石的脱水分解；100℃～400℃，部分吸附水、结晶水的脱逸以及混凝土试件的爆裂；400℃～800℃，Ca(OH)2与C-S-H凝胶的分解、大量吸附水和结晶水的逸出、573℃时骨料中Si02发生的α型转变为β型产生的体积膨胀、碳酸盐的大量分解等变化。
b).超过795-805℃时，混凝土材料损伤严重，性能不容易判断与确定。
c).795-805℃稳态温度场可以减小对设备的要求。
(2)以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限的依据
a).250℃时，钢材的抗拉强度和弹性模量为室温下的80％左右，当受热温度降至室温时，钢材的强度与弹性模量可以恢复。
b).荷兰《TNO 98-CVB-R1161隧道防火》以及TNO测试标准《隧道防火测试方法》规定在混凝土覆盖层厚度最少为25mm的条件下，增强钢筋的表面温度不应超过250℃；德国《RABT隧道设施及运行准则》规定上述温度为300℃。
2.其他性能测试指标(1)混凝土试件的物理力学性能高温后抗压强度；高温后抗折强度；高温后弹性模量。
(2)混凝土试件的爆裂程度高温前后试件质量损失；高温前后试件破损数量，爆裂面积与爆裂深度。
(3)混凝土试件的超声波检测声速的变化；波幅的变化；频率的变化。
(4)混凝土中钢筋保护层厚度处温度变化速率。
与现有测试标准和方法相比，本发明的特点在于第一，本发明目标温度场的选择涵盖了混凝土在高温作用下几乎所有的物理化学变化。此外，避免了超过该温度后，混凝土材料损伤严重，性能不容易判断的缺点。
第二，本发明以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限，考虑到了混凝土结构工程方面的需要。
第三，本发明以混凝土试件的耐火极限为基准，根据一系列测试指标测试不同配比混凝土达到耐火极限时，其性能的劣化情况，避免了现有测试方法受热温度与受热时间主要取决于前人经验与主观要求，没有具体针对现有测试对象进行测试，缺乏合理依据以及在升温制度上的缺陷，第四，本发明通过混凝土试件耐火极限与温度场测试，物理力学性能，混凝土试件爆裂程度和超声波检测对高温后混凝土性能的变化进行了全面的测试，有利于从多方面反映混凝土试件的损伤情况。
第五，本发明对设备的要求小，简便易行。此外，采用混凝土高温作用耐火极限测试专家系统可实现对多个测试对象同时在线检测，测试结果可靠，精度高。
图1为现有第一种测试方法的温度制度示意2为现有第二种测试方法的ISO标准时间—温度曲线3是本发明进行混凝土高温作用后性能劣化测试的流程图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合图3、实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。三种配比混凝土(见表1)，其中试样编号1为基准混凝土，试样编号2掺了25％矿粉，试样编号3掺了20％粉煤灰。
一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，它包括如下步骤
1).混凝土试件的制备a.混凝土试件成型选取所需测的三种配比试混凝土的原料(见表1)，制成三种混凝土试件，三种混凝土成型时分别预先在混凝土中钢筋保护层厚度处埋设测温元件；b.混凝土试件养护将预埋设测温元件的三种混凝土试件养护90天；c.高温前预养护所有混凝土试件在达到养护龄期进行测试前，提前一周置于温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)％的恒温恒湿室中养护，避免混凝土试件由于外部环境湿度影响而在高温下爆裂，导致对混凝土材料自身性能测试的偏差，此外，统一的外部环境条件有利于不同配比混凝土高温后性能的比较；2).混凝土试件的性能测试a.混凝土试件耐火极限与温度场测定(见表2)设定目标温度场为(800±5)℃，达到(800±5)℃目标温度场后，把预先准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，从混凝土试件开始接触到目标温度场开始计时，以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限，进行耐火极限与内部温度场的测试(这种测量可以采用自动法或手动法)；采用手动法，从计时零点开始，采用电位差计或温控仪表人工读取数据，每隔1min记录温度变化一次，直至试件内部温度接近800℃，温度变化较小时止(每5min升温速率小于1℃)；b.根据步骤a中混凝土中内部温度场的测试结果计算钢筋保护层厚度处温度变化速率(见表2)。
c.物理力学性能(见表3)设定目标温度场为(800±5)℃，达到目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，在达到耐火极限后，将混凝土试件取出后迅速转移至温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)％的恒温恒湿室中，置于恒温恒湿室24h后测定混凝土试件的抗压强度、抗折强度、弹性模量；d.混凝土试件的超声波和爆裂程度测试(见表4和表5)混凝土试件的超声波和爆裂程度测试(见表4和表5)在温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)％的恒温恒湿室中，采用超声波探测仪测定步骤1)提前一周预置于该环境中混凝土试件的波速、频率和振幅；设定目标温度场为(800±5)℃，达到目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，当混凝土试件达到耐火极限后，取出置于温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)％的恒温恒湿室中冷却24h，采用超声波探测仪测定混凝土试件的波速、频率和振幅；测量混凝土试件进入(800±5)℃高温目标温度场前后混凝土试件质量(在恒温恒湿室中)，计算质量损失；统计混凝土试件进入(800±5)℃高温目标温度场后混凝土试件破损数量，测量混凝土试件进入(800±5)℃高温目标温度场后混凝土试件的爆裂面积与爆裂深度。
上述测试结果与性能评价见表2-表5。
步骤2)所述的进行耐火极限与内部温度变化速率的测试还可采用自动法，采用混凝土高温作用耐火极限测试专家系统，该系统由计算机、数据采集设备和编写程序等组成，自动法进行检测的工艺为首先校正测量系统，确保系统正常工作；其次将预先埋设测温元件的混凝土试件与数据采集设备相连接，采集混凝土试件的初始温度，测试计时开始后，在设定程序的控制下，系统将自动按照设定步长采集数据，当达到耐火极限时，系统指示灯亮；当达到耐火极限时，程序将提醒用户是否重新设定步长进行下面温度场测定以及温度场终点产生的条件以记录温度场变化。
表1混凝土试样配合比
表2混凝土试件耐火极限测定结果
表3混凝土试件达到耐火极限24h后的物理力学性能
表4混凝土试件达到耐火极限24h后的超声波测定
表5混凝土试件达到耐火极限后的物理现象
根据上述测试结果，从混凝土试件高温后的整体性能上考虑(包括耐火极限、内部温度场的变化、高温后的物理力学性能、混凝土试件的超声波检测、混凝土试件的爆裂程度)，掺加了25％矿粉的2号混凝土试件优于1号和3号。
权利要求
1.一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，其特征在于它包括如下步骤1).混凝土试件的制备a.混凝土试件成型选取所需测试混凝土的原料，制成混凝土试件，混凝土成型时预先在混凝土中钢筋保护层厚度处埋设测温元件；b.混凝土试件养护将预埋设测温元件的混凝土试件养护90天；c.高温前预养护进行测试前，提前一周置于温度为18-22℃，相对湿度为55-65％的恒温恒湿室中养护；2).混凝土试件的性能测试a.混凝土试件耐火极限与温度场测定设定目标温度场为795-805℃，达到目标温度场后，把预先准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，从混凝土试件开始接触到目标温度场开始计时，以混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃时的时间确定为耐火极限，进行耐火极限与内部温度变化速率的测试；b.物理力学性能设定目标温度场为795-805℃，达到目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，在混凝土试件达到耐火极限后，将混凝土试件取出后迅速转移至温度为18-22℃、相对湿度为55-65％的恒温恒湿室中，置于恒温恒湿室24h后测定混凝土试件的抗压强度、抗折强度、弹性模量；c.混凝土试件的超声波和爆裂程度测试在温度为18-22℃、相对湿度为55-65％的恒温恒湿室中，采用超声波探测仪测定步骤1)提前一周预置于该环境中混凝土试件的波速、频率和振幅；设定目标温度场为795-805℃，达到目标温度场后，把准备好的混凝土试件从步骤1)的恒温恒湿室中取出置于目标温度场中，当混凝土试件达到耐火极限后，取出置于温度为18-22℃、相对湿度为55-65％的恒温恒湿室中冷却24h，采用超声波探测仪测定混凝土试件的波速、频率和振幅；测量混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场前后混凝土试件质量，计算质量损失；统计混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场后混凝土试件破损数量，测量混凝土试件进入795-805℃高温目标温度场后混凝土试件的爆裂面积与爆裂深度。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，其特征在于步骤2)所述的进行耐火极限与内部温度变化速率的测试采用手动法，从计时零点开始，采用电位差计或温控仪表人工读取数据，每隔1min记录温度变化一次，直至试件内部温度接近800℃，温度变化较小时止。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，其特征在于步骤2)所述的进行耐火极限与内部温度变化速率的测试采用自动法，采用混凝土高温作用耐火极限测试专家系统，该系统由计算机、数据采集设备和编写程序组成，自动法进行检测的工艺为首先校正测量系统，确保系统正常工作；其次将预先埋设测温元件的混凝土试件与数据采集设备相连接，采集混凝土试件的初始温度，测试计时开始后，在设定程序的控制下，系统将自动按照设定步长采集数据，当达到耐火极限时，系统指示灯亮；当达到耐火极限时，程序将提醒用户是否重新设定步长进行下面温度场测定以及温度场终点产生的条件以记录温度场变化。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土在高温作用后性能劣化的测试方法。一种混凝土高温作用后性能劣化的测试方法，其特征在于它包括如下步骤1)在混凝土试件成型时，将测温元件埋设于所设计的混凝土中钢筋保护层厚度处，然后对混凝土试件进行养护；提前一周置于恒温恒湿室中预养护；2)在稳定热源795－805℃条件下，以所设计混凝土中钢筋保护层厚度处温度达到250℃的时间确定为耐火极限，然后以该耐火极限为基准，根据一系列测试指标，包括内部温度场的变化、高温后的物理力学性能、混凝土试件的超声波检测、混凝土试件的爆裂程度，测试不同配比混凝土达到耐火极限时，其性能的劣化情况。本发明具有简便易行、测试全面、准确性高的特点。
文档编号G01N3/08GK1945322SQ20061012484
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者马保国, 穆松, 张风臣, 温小栋, 王信刚, 高英力, 王凯 申请人:武汉理工大学