高强高性能混凝土

高强高性能混凝土的耐火性能

（；大学）

摘要：本文对比了高强高性能混凝土和普通混凝土在火灾下的不同行为,介绍了高强高性能混凝土火灾下的特性,探讨了其在高温下的破坏机理。介绍了提高高强高性能混凝土火灾下性能的措施和火灾后的维修，以及影响高强高性能混凝土在高温下爆裂的因素和高强高性能混凝土的耐火极限和耐久性。

关键字：高强高性能混凝土；爆裂；火灾；耐热性能；耐火极限

Abstract：This paper compares the different behavior of high performance concrete and ordinary concrete under fire, the characteristics of high performance concrete fire, to investigate the failure mechanism at high temperatures. To improve the performance of high performance concrete under fire after the maintenance of the measures and fire, as well as the impact of high-strength high-performance concrete at high temperature burst factors and high performance concrete, fire resistance and durability.

Keywords: high strength and high performance concrete; burst; fire; thermal properties; fire resistance

1、前言

混凝土是世界上最常用的建筑材料,混凝土的组成成分一般包括水泥、水、粗细骨料和其它的必要的添加材料。作为一种建筑材料,其强度指标是混凝土使用性能中最为重要的指标。自1824年波特兰水泥的发明以来,混凝土的强度自20世纪初大约14MPa,直到今天, 140MPa强度的混凝土已在工程上得到应用5。同时,具有高强度、良好工作性能和耐久性能的高性能混凝土也日益广泛地应用于工程实践。另一方面,混凝土作为结构材料必须能够承担在结构使用期限中可能出现地各类荷载,包括静力、动力和火灾等外荷载。尤其是随着城市化进程的发展,现代化建筑的层数越来越高、跨度越来越大、功能越来越复杂,这就给建筑火灾

的扑救带来了极大的困难,因而提高建筑物的抗火能力是建筑结构设计中必须考虑的问题。高强高性能混凝土是美国工程技术界在90年代初首先提出的概念并发展起来的，其基础要求是混凝土具有良好的耐久性、工作性和强度，目前已越来越多地应用于实际工程。但是对于必须具有一定抗火要求的结构，高性能混凝土的应用却受到限制。主要原因在于高性能混凝土的低渗透性，在加热到300℃左右，往往会发生爆裂，导致混凝土保护层的爆裂性破坏，是钢筋暴露于火中，从而使混凝土结构耐火时间大大缩短。有关高性能混凝土的耐火极限，一直是工程界关注的热点5。

2、高强高性能混凝土在火灾下的力学性能

混凝土强度和性能的提高是通过调整混凝土配合比,以及调整混凝土从搅拌、浇捣倒养护等生产过程的方法而得以实现的4。其中,通过减少水灰比、采用高效减水剂、采用各种添加剂来提高水泥浆的密实度、减少其孔隙、使水泥浆和粗骨料有更好的粘结性能是主要的方法。所以高强高性能混凝土比普通混凝土有更好的密实性、更低的渗透性5。高强高性能混凝土在微观结构上的这些改进,不但影响了高强高性能混凝土在常温下的性能,而且还影响了高强高性能混凝土在高温下的性能2。

2.1火灾下混凝土的性能

混凝土在火灾作用下,其内部的温度逐步升高,混凝土在升温过程中内部结构出现了一系列的物理、化学反应,使混凝土在高温下逐步丧失强度或出现爆裂现象使承载能力下降,最终无法继续承受荷载而崩溃2。其过程大置可概括如下:

混凝土开始升温到100℃左右时,水泥砂浆和骨料中的自由水分逐步蒸发排出。在180℃左右时,水泥凝胶体开始出现脱水反应,原来以化学形式存在的水分开始得到释放和蒸发6。随着水分的逐渐蒸发,伴随着凝胶体结构的持续崩塌,毛细孔的平均体积、表面积和孔隙率开始增加。当温度达到500℃左右时,水泥砂浆块中的氢氧化钙开始出现分解。硅酸盐类粗骨料在570℃左右时出现晶体转化,并伴随着明显的热膨胀。在700℃左右时,水泥砂浆块中水化硅酸盐钙开始分解。在温度达到800℃左右时,混凝土中碳酸盐类粗骨料开始出现脱碳,并拌随着一定数量的二氧化碳气体排出。在温度达到1150 - 1200℃左右时水泥砂浆和骨料开始熔化3。

与此可见,混凝土在升温过程中,水泥砂浆的脱水反应使其孔隙率增加、微裂缝逐步发展、强度逐步削弱;水泥砂浆和粗骨料的热变形的存在着差异,使两者间的粘结也逐步受到损伤和破坏;粗骨料在高温下的转化和分解,使混凝土性能进一步的恶化;同时,混凝土内部的不均匀温度场,产生较高的温度应力,使混凝土在高温下的承载能力进一步的削弱5。

2.2 火灾下高强高性能混凝土的性能和特点

高强、高性能混凝土在火灾下的性能除了具有与上述普通混凝土的类似的共性以外,还有其不同于普通混凝土的特性,最主要的表现在两个方面3:

(1)在中等温度范围内(100 -400℃) ,高强高性能混凝土的相对强度有较大损失的趋势;

(2)高强、高性能混凝土在中等温度下有明显出现爆裂的趋势。

普通强度的混凝土在升温到300℃时,其强度的损失比较典型是在10 - 20% ,而到达600℃时强度的损失将在60 -75%之间。而对于高强高性能混凝土,有观察到在温度低于450℃时,其强度损失可达到40%。其它的研究者也有发现类似的现象,高强混凝土在温度为150℃ - 250℃时其强度为原来强度的60 - 85% ,但也有试验数据表明普通强度混凝土在上述温度范围时其强度为原来强度的70 - 85%。比较普遍的认为,高强高性能混凝土在100 - 400℃高温范围内其强度损失比普通混凝土要高，主要是由于其配合比等不同于普通混凝土,提高了高强高性能混凝土的强度、密实性、抗渗透性能所造成的2。其实,强度的损失只是一个方面,在上述温度范围内,高强高性能混凝土与普通混凝土相比还有一个特点,那就是出现爆裂的明显趋势5。

2.3 高性能混凝土高温灼烧爆裂机理

爆裂是指高性能混凝土构件表面达到一定温度时，在没有任何先兆的情况下表面混凝土突然剥落的现象。由于它危及结构的整体，故是一种灾难性破坏形式。爆裂深浅不同，较深的爆裂深度可达75mm。一般认为只要混凝土的含湿量不是特别高，爆裂是不会出现的1。爆裂是由于构件中较高的含湿量受阻而引起的，其破坏机理是：当热量开始穿透混凝土构件时，在靠近受火面的一层较薄的混凝土开始出现解吸附现象，已经吸附的蒸汽开始向较冷的区域移动，并被相邻的另一层混凝土所吸收。干燥区域的厚度逐渐增大，同时在距受热面一定距离的一个

层面上形成含湿量饱和层，之后在干燥区域和饱和层之间出现一个高压力峰面，接着的潮气蒸发将在该峰面区产生。与此同时，受火面的温度一直保持升高，在干燥区域产生急剧下降的温度梯度，这样就使热量流动速率提高，峰面上的压力迅速增大，如材料的渗透性较高，则整个含湿量的阻隔区将减小，在该区高压力梯度作用下，潮气将向非受火面流动，并使构件内部的压力有所缓和；如材料渗透性较小，峰面上的压力将继续增加以致超过材料的抗拉强度，此时厚度相当于干燥层的外层材料伴随着一声爆炸声而使构件受火面剥落下来10。

2.4 混凝土高温灼烧爆裂的影响因素

爆裂程度主要由以下因素决定：升温速率、集料的矿物组成、热应力、钢筋布置，特别是混凝土的湿度和密实度2。混凝土的强度等级、集料类型、配合比和升温速率等对其高温时强度有一定影响。高性能混凝土在高温下的强度损失更大；轻集料混凝土的强度损失较小；碳酸盐集料混凝土强度损失低于硅质集料混凝土；增大水灰比，混凝土强度将降低，但温度较高时，降低的幅度小一些；加热速率较慢的混凝土高温强度比加热速率较快的稍低，延长高温下灼烧的时间，混凝土的抗压强度降低；升降温后的残余强度比高温时抗压强度稍低。高温下混凝土抗拉强度离散更大，还与混凝土的集料、温度以及试验方法等有关10。

3、改善高强高性能混凝土火灾下性能的措施

由于, 高温爆裂行为和高强高性能混凝土本身的材性是直接相关的, 所以, 最直接的方法是从改变高强高性能混凝土的材性入手来解决这个问题。同时, 混凝土作为结构材料, 也可从结构的观点出发改善其性能, 如改变钢筋混凝土中钢筋的配置情况, 使钢筋混凝土构件的火灾下的性能得以改善。研究结果表明,在高强高性能混凝土中掺入少量的聚丙烯纤维可以大大改善高强高性能混凝土在高温下的性能7。聚丙烯纤维的熔点在171℃,在341℃聚丙烯纤维开始蒸发,而这两个温度正好是在高强高性能混凝土最容易出现爆裂的温度区间内。当掺入聚丙烯纤维的混凝土升温时,聚丙烯纤维在达到一定温度时开始熔化,形成可以让水蒸汽转移的通道,使混凝土内部的蒸汽压力得到释放,减少了混凝土出现爆裂的可能性5。在高强高性能混凝土中掺入钢纤维也可以大大改善高强高性能混凝土在高温下的性能。对比掺入钢纤维的高强高性能混凝土和没掺入钢纤维的高强混凝土高温后的剩余强度,在800℃高温后,前者的剩余强度是原来的28 - 34% ,

后者的剩余强度是原来的21 - 26%。在高强混凝土中掺入钢纤维的目的是使混凝土在迅速升温过程中增加对其体积改变的约束,以便减少混凝土中微缺陷的开裂和扩展。钢纤维高强混凝土的构件耐火试验也表明,钢纤维的掺入使高强混凝土构件的耐火性能得以很大改善。有的学者对同时掺入聚丙烯纤维或钢纤维所谓的“鸡尾酒”掺入法进行了研究,研究结果表明这种方法确实能使高强高性能混凝土的耐火性能得到改善,聚丙烯纤维的掺入降低了混凝土爆裂的可能,由于有未爆裂混凝土的有效阻隔,使构件内部温度上升较慢,而钢纤维有微幅提升力学性能的作用,可有效弥补表层混凝土丧失的力学性能,从而提高高强高性能混凝土的耐火性能。文献[ 1 ]对高强高性能钢筋混凝土柱在火灾下的性能进行了研究,考察了掺入聚丙烯纤维、钢纤维和改变箍筋的配置方式对其耐火性能的影响,发现箍筋配置方法的改变也能使高强高性能钢筋混凝土柱的耐火性能得到改善,通过采用带135°弯钩的箍筋并将箍筋间距加密到正常配筋间距的一倍,提高了横向钢筋对混凝土的约束作用,减少了混凝土出现爆裂或开裂的可能,使其耐火性能得到提高。该文作者最后认为,目前各国的规范中仍缺少提高高强、高性能混凝土火灾下性能的规定和措施,而通过改善高强、高性能混凝土的材性、采取必要的结构措施是能使高强、高性能混凝土达到与普通混凝土一样的耐火性能1。

4、高性能混凝土耐火极限和灾后修复构件的耐火极限和耐久性

4.1 混凝土构件的耐火极限与修复后的耐火极限

耐火极限是指在荷载和约束条件下，温度升高到某个水平由于过高的热量传递而使结构破坏所需要的时间。混凝土集料的种类对柱的抗火极限有明显影响，硅质集料的抗火性能最差8，在相同的预加荷载下，钙质集料柱和硅质集料相比，偏心受压时耐火极限高10%，而在轴心受压时则为130%。

预加荷载与极限荷载的比值增加，将使轴心受压混凝土柱耐火极限急剧减小，不同集料的混凝土构件之间耐火极限的差异减小10。提高混凝土的强度和增大纵向钢筋的含量对于提高柱的耐火极限效果不明显。

四面受火的柱子，截面尺寸越大，内部温度比受火表面的温度低得多，相对火损面积小，其耐火极限高10。一般粗柱为受压破坏，细柱则是侧向变形过大而破坏，轴心受压柱的两端铰支和固定的情况下，其抗火极限无大差异。但偏心受压柱皆因侧向挠度过大而导致破坏，端部的约束能减小侧向位移，柱的耐火极

限提高。

混凝土保护层厚度增大，构件内钢筋的温度降低、强度降低幅度减小，大偏心受压构件的耐火极限提高。但若保护层过大，在高温下过早爆裂、使钢筋外露，更加不利10。

含水率高的柱，水分蒸发吸收热量多，截面温度低，材料强度下降较少，耐火极限有所增加。但若受火时间长、温度高，这种差别不明显9。

对高温受到损伤的混凝土进行修复，通常采用喷射混凝土、树脂维修、碳纤维布修补和粘钢板等方法。但必须考虑到这些材料的耐火极限问题，如一般修复补强的混凝土采用高强高性能混凝土，前面已指出高性能混凝土在短时间内就发生爆裂，明显低于规范规定的耐火极限，我国一级耐火建筑中的楼板的耐火极限为1.5小时。而树脂在达到80℃以上时这种材料便开始软化，因此这种维修不能为钢筋提供抗火保护，也不适合于火灾时受压区应用10。碳纤维在空气中温度高于400℃，则出现明显的氧化，生成CO和CO2，因此碳纤维的耐火极限也不能

满足要求，而钢材在600℃以上强度显著下降。因此，在进行火灾后修复时，应考虑到所使用材料所维修构件的再次耐火极限问题。

4.2 高性能混凝土高温后的耐久性

以往对高性能混凝土在高温下的性能仅考虑集料的类型、纤维、升温速率，最高温度等因素对混凝土性能的影响，几乎没有涉及到高温后高性能混凝土耐久性损失，高性能混凝土的耐久性损失将影响到混凝土结构的使用服务年限。所以在今后的火灾损伤评估中还需考虑耐久性问题10。

4 总结

混凝土在火灾高温作用下,由于其内部结构出现一系列的物理和化学变化,使得混凝土的力学性能逐步恶化,强度和刚度逐步退化,最后导致失效。高强高性能混凝土在火灾下的行为除了具有普通混凝土的性质外,还有两个比较突出的特点:在中等高温下有较高强度丧失的趋势和出现爆裂的趋势。高强高性能混凝土的火灾下这些特性是与其材料特性密切相关的。高性能混凝土柱子的爆裂总是发生在升温早期，并且爆裂总是伴随柱子的膨胀，高性能混凝土不同形式的构件爆裂程度不同，在构件中加入一定量的聚丙烯纤维能一定程度减小爆裂，高温后新老混凝土粘接强度减小。高性能混凝土构件的耐火极限与集料种类、荷载水平、

截面尺寸、保护层厚度和含水率等因素有关10。高性能混凝土在火灾后的耐久性较强度降低幅度显著。已有的研究成果可应用于指导工程实践,但更为关键的是将这些成果系统地反映在设计规范中。

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