三维应力作用下混凝土热膨胀特性的试验研究

摘要

混凝土广泛应用于地下工程，承受着由上覆荷载传递的三维应力。当火灾发生时，混凝土结构在此应力状态下的热膨胀与无应力状态下的热膨胀是不同的。为此，采用自行研制的实时高温真三轴试验系统，研究了混凝土在三维应力状态下的热膨胀特性。混凝土在三维应力作用下的热膨胀应变经历了应变增大和应变稳定阶段。600℃时，混凝土在三维应力作用下的最大热膨胀应变为0.75%。计算了混凝土在三维应力条件下的平均热膨胀系数，其最小值为8.68 × 10⁻⁶/°C，最大为13.41 × 10⁻⁶在500°C /°C。对比欧洲规范给出的混凝土无应力状态下的热膨胀系数，发现三维应力对混凝土的热膨胀有明显的抑制作用。研究成果可为高温环境下地下工程混凝土结构的稳定性分析提供理论依据。

1.介绍

水下和地下隧道因其高效、准时、安全、节能等优点，在交通运输中得到广泛应用。这些隧道的混凝土结构需要承受由上覆水、土或岩石压力传递的三维应力，以及火灾事故造成的偶尔加热影响。在这种三维应力和高温条件下，混凝土结构可能会因热膨胀而产生额外的变形和应力，影响隧道的安全稳定，威胁设备的正常运行和人员的生命[1］．不同于无应力条件下混凝土的热膨胀特性，三维应力条件下混凝土的热膨胀特性至今仍未被完全理解，具有重要的研究意义。

大量的实验研究[2- - - - - -5]及数值模拟[6，7对混凝土材料的热膨胀系数(CTE)进行了计算。Loser等[8]提出了一种测量硬化水泥基材料CTE的方法，并研究了龄期对CTE的影响。Yeon等人[9]对混凝土进行了现场CTE试验，发现混凝土的CTE在一段时间内突然下降后略有增加，然后趋于稳定，初始阶段的CTE约为稳定阶段的两倍。Childs等人[10.]开发了一种利用光纤传感器测量超高强度水泥基材料CTE的方法。西迪基等人[11.]研究了不同类型集料和水泥浆体体积混凝土的CTE，提出了一种优化混凝土CTE的方法。Abdulkareem等人[12.研究了不同升温速率下地聚合物浆料在高温下的热膨胀行为。Turcry等[13.研究了温度对水泥浆自收缩的影响。Zhou et al. [14.]建立了基于热力学分析的混凝土CTE预测模型，发现骨料类型是影响混凝土CTE的主要因素。

上述研究主要考虑混凝土组成材料，年龄，含水量和加热速率对热膨胀行为的影响。混凝土的热变形性也由固化条件调节[15.]及其某些属性[16.］．然而，水下和地下隧道的混凝土结构往往处于三维应力状态，而非无应力状态。Joaquín等[17.]，认为施加的体积压应力能显著降低碱硅酸盐反应引起的混凝土体积膨胀率。此外，应力似乎对其他材料的热膨胀行为有很大的影响，例如石墨、陶瓷和玻璃[18.- - - - - -21.］．因此，在三维应力条件下研究混凝土的热膨胀行为非常重要。

本研究专门设计了一种实时高温真三轴试验系统，对立方体混凝土试件进行三轴应力条件下的热膨胀试验，测量了加热过程中的热膨胀应变，并对三维应力条件下的CTE与无应力条件下的CTE进行了对比分析。

2.测试准备工作

2．1．测试设备

实时高温真三轴试验系统(见图)1)是专门设计来研究岩土材料在三轴压缩应力下的热膨胀行为。系统主要由三个模块组成:真三轴加载模块、高温控制模块、伺服控制及数据采集模块[22.］．在实时最高温度600℃下，最大主应力可达1000 MPa，最小主应力可达200 MPa。同时，通过线性变量差动变压器(LVDT)连续监测加载和加热过程中三个方向的位移和应力变化。采用四组可拆卸的刚性加热元件，实现实时高温。每组加热元件由1个电热电偶和8根加热棒组成，加热棒插在热塑性模具钢的4个角上。采用模具钢作为传热介质对试样进行加热，如图所示2．因此，该系统能够真实模拟地下工程混凝土的高温三轴压应力环境。

2.2。样品制备

根据混凝土的配合比(见表)1)时，将混凝土浇注到150 × 150 × 150 mm的立方体试样中。固化72小时后脱模，置于专用固化室60天。混凝土养护用的恒温恒湿特殊值为20±2℃，相对湿度大于95%。将混凝土试件放入水中长期浸泡。为防止混凝土酸化，可在水中加入少量石灰粉。还制备了50 × 50 × 100 mm的石英样品来校准测试结果。

为了减小试样非均匀性引起的测试结果的分散性，采用了密度测试、回弹强度测试、纵波速度测量等一系列无损检测方法对试样进行筛选[23.，24.］．检测方法后样品的密度、回弹强度、纵波速度取值范围为2.423 ~ 2.639 g/cm^3.分别为40.9 ~ 46.7 MPa和4328 ~ 4820 m/s。很明显，只有很小的变化范围，因此制备的样品被认为是相对均匀的。这样可以减少样品内部缺陷等因素造成的误差，提高后续测试结果数据的准确性。

2.3。测试条件设置

沉管隧道在交通工程中的应用越来越广泛，因此选择了沉管隧道作为研究案例。通过对隧道上覆荷载的分析[25.，26.]时，确定静水压力为0.5 MPa，施加于试样上，模拟三维应力条件。

沉管隧道发生火灾时，炎症点温度可升至1200℃。混凝土结构不能承受这样的高温，严重的部分容易倒塌。但考虑到温度达到600℃时，混凝土强度损失约为60-75% [27.，28.]，因此在沉管隧道中经常使用“防火板+硅酸铝纤维防火毯”的双重防火，从炎症点起具有防火隔热作用[29.］．在这种保护的帮助下，浸入管隧道中的混凝土结构的最高温度低于600°C。因此，考虑在600℃的范围内进行实验，并选择100,200,300,400,500和600℃的6个温度水平用于加热处理。

2.4。实验程序

三维应力加载采用位移控制，加载速率为0.001 mm/s。对试样施加0.5 MPa的静水应力来模拟三维加载，并在后续的热膨胀变形试验中保持恒定。

在负载达到预设应力之后，系统开始将样品从室温（RT）加热到预设温度T.该系统应保持2小时以确保样品内的均匀加热。加热器和样品表面之间的加热速率和温度关系如图所示3.．

在加热过程中，对试样施加恒定的静水应力0.5 MPa。每个方向布置三组LVDT，每组包含2个传感器。传感器的布置如图所示2．系统收集了混凝土从升温开始到恒温结束三个方向的位移变化。为了消除仪器本身在加热过程中的误差，首先使用石英样品对结果进行校准。因为石英样品的CTE约为5.5 × 10⁻⁷/°C,这远远低于混凝土CTE,热膨胀的石英样品可以忽略三个方向,三个方向的压力情况下的石英样品可以直接用作热膨胀的仪器本身。

通过消除仪器本身的变形，可以获得在三维应力条件下混凝土的热膨胀变形，然后计算在三维应力条件下的样品的三维热膨胀菌株。

考虑到所研究的混凝土是均匀的并且经受静压应力，三个方向上的热膨胀株的平均值用于在三维应力条件下计算样品的CTE。公式写为 在哪里和是混凝土的热应变和热变形n温度的方向T；混凝土的初始长度在n方向;是石英的热变形n温度的方向T；为三维应力作用下CTE的平均值;（°C）是样品的温度变化。

3.热膨胀变形的测试结果

3.1。加热过程中热膨胀应变的演变

数字4(一)- - - - - -4（f）给出了三维应力条件下的三维热膨胀应变随时间的变化曲线。在本研究中，混凝土热膨胀产生的拉应变为正。加热至60min左右，热膨胀应变进入稳定阶段。此时，三维应力条件下的三维热膨胀应变基本达到最大值。在600℃时，混凝土在三维应力作用下的最大热膨胀应变达到0.75%。表中总结了混凝土在不同温度下三维应力作用下的三维热膨胀应变2．

3.2。三维应力条件下混凝土的平均CTE

根据表计算三维应力条件下混凝土的平均CTE2与方程(1) - (2)，结果如图所示5．三维应力条件下混凝土的平均CTE随温度变化呈s形趋势。三维应力条件下混凝土CTE在100 ~ 200℃范围内呈下降趋势，在500℃范围内呈上升趋势，在500 ~ 600℃范围内呈下降趋势。三维应力条件下混凝土CTE最小值为8.68 × 10⁻⁶/°C，最大为13.41 × 10⁻⁶在500°C /°C。

4.讨论

如前所述，混凝土的热膨胀特性对于火灾事故下的地下和水下隧道的结构稳定性分析非常重要。前人研究表明，水泥基材料的热变形与温度和应力状态密切相关[30.］．然而，现有水泥结构标准中的CTE通常是在无应力条件下测量的，基于无应力条件下CTE的混凝土结构热变形计算结果可能不适用于地下或水下隧道。混凝土结构都受到三维应力的作用。结构的热变形不仅与温度载荷有关，而且与应力有关。利用混凝土在自由应力状态下的CTE计算结构的热膨胀会过分夸张或过小，结构热应力计算不准确。为了了解混凝土在三维应力条件下的热变形与无应力条件下的热变形的差异，欧洲标准[31.，用来与本工作中测量的CTE进行比较。

要处理混凝土结构的意外火灾情况，欧洲标准提出了一种公式，以计算普通混凝土的热膨胀应变，如下所示：

图中显示了欧洲标准对混凝土的CTE与目前工作的比较6．在100℃时，混凝土在三维应力下的CTE略大于欧洲标准给出的CTE。200℃后，无应力条件下混凝土CTE约为三维应力条件下CTE的1.07-1.47倍。也就是说，三维应力条件对混凝土的热膨胀有明显的抑制作用。三维应力对混凝土CTE的影响可以归结为两个机制，即高温下弹性模量退化引起的压缩变形[31.- - - - - -35]及热致微裂纹的抑制[36.- - - - - -38.］．因此，三维应力条件下混凝土的CTE小于无应力条件下的CTE。在岩石材料上也观察到类似的现象[39.，40.］．

5。结论

筛选出六组混凝土试件，在三维应力条件下进行不同温度下的热膨胀试验。研究了混凝土在三维应力条件下的热变形行为;将CTE与无应力状态下的CTE进行比较。混凝土在三维应力作用下的热膨胀应变经历了应变增大和应变稳定阶段。600℃时，混凝土在三维应力作用下的最大热膨胀应变为0.75%。计算了混凝土在三维应力条件下的平均热膨胀系数，其最小值为8.68 × 10⁻⁶/°C，最大为13.41 × 10⁻⁶在500°C /°C。三维应力条件下混凝土的平均CTE随温度变化呈s形趋势。三维应力条件下混凝土CTE最小值为8.68 × 10⁻⁶/°C，最大为13.41 × 10⁻⁶在500°C /°C。通过比较欧洲规范建议的无应力条件下混凝土的CTE，发现三维应力对混凝土的热膨胀有显著的限制作用。上述研究成果可为地下混凝土结构在突发性火灾和高温环境下的稳定性分析提供理论依据。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家重点研发计划项目(no. 2018YFC0809600, no. 2018YFC0809601);国家自然科学基金项目(no. 51779252, no. 51479193);基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. DD20190128);2017 aaa128)。

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