混凝土的耐爆、耐火性能淺述

鄭捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

混凝土的耐爆、耐火性能淺述

鄭捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

基于相關(guān)文獻的分析研究，本文就建筑火災對混凝土內(nèi)部化學、構(gòu)造、力學性能的影響以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情況作一淺述，并從城市安全運行角度直言混凝土耐爆、耐火性能研究的必要性。

建筑火災；混凝土結(jié)構(gòu)；爆裂；耐火性能

1 前言

2010年11月15日下午2時許，上海市區(qū)一幢28層的居民樓發(fā)生火災，百余輛消防車投入滅火，歷經(jīng)4個多小時，這是建國以來所發(fā)生的極為罕見的特大火災。所造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失、社會影響都是極其巨大的。無獨有偶，2005年2月12日深夜，在西班牙首都馬德里市中心一幢正進行外墻改建的高106m，地上32層的大樓也曾發(fā)生過一起特大火災，火災起始于21層，短時間內(nèi)迅速向上及向下蔓延，以致4層以上樓層全被大火吞噬，造成17層以上建筑物周邊框架崩塌。該大樓基本情況如表1所示。

表1 建筑物基本情況

所幸事發(fā)當日適逢休息日，無人員傷亡，事后經(jīng)勘察決定4層以上構(gòu)筑物全部解體，歷時一年。上述兩起高層建筑特大火災折射出高層建筑在消防設(shè)計、排煙系統(tǒng)、避難通道、火災安全性能評價、建筑結(jié)構(gòu)等方面存在諸多問題，同時也考驗了混凝土的耐火性能。為此本文將國外學者就建筑火災對混凝土內(nèi)部化學、構(gòu)造、力學性能的影響以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情況作一淺述，以起到借鑒作用。

2 高溫下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及力學性能

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

混凝土在高溫作用下其結(jié)構(gòu)變化主要是由水泥化合物變化而產(chǎn)生的。當溫度在100℃左右時，混凝土中只失去自由水，隨著溫度的升高，水泥化合物中的Ca(OH)2及鋁酸鹽水化物中的結(jié)晶水、C–S–H凝膠中的結(jié)合水以及凝膠孔、毛細管孔壁都會產(chǎn)生激烈的脫水現(xiàn)象。一般來說，C–S–H水化物在100～300℃時，鋁酸鹽水化物在300℃左右，消石灰在500～600℃時呈現(xiàn)脫水狀態(tài)。在混凝土內(nèi)部細孔構(gòu)造方面，分別為w/c=0.25及w/c=0.50的不同水灰比混凝土隨著溫度的升高孔徑隨之擴大，總細孔量隨溫度的升高而增加。從常溫加熱至200℃時，細孔半徑增大程度僅是由0.01μm增大到0.02μm，加熱至300℃時，細孔半徑則從0.02μm增大到0.04μm，同時0.01～0.02μm的細孔半徑相繼減少。伴隨著細孔構(gòu)造的脫水，混凝土裂縫大量產(chǎn)生，至1000℃前后由于CaCO3產(chǎn)生氣體分解，混凝土強度幾近完全喪失。

2.2 力學性能

由于水泥化合物、骨料、混凝土、鋼筋在高溫作用下膨脹量各不相同，以致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力降低，通常情況下骨料和鋼筋隨著溫度的增高膨脹量也隨之增大，因此高溫時混凝土將隨著溫度的上升膨脹量也相應(yīng)增大，導致體積變化加劇。滅火以后，混凝土熱脹冷縮所產(chǎn)生的不同體積變化將引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的松弛，促使混凝土強度的降低。高溫時混凝土強度的變化如圖1所示。

圖1顯示當溫度上升至100℃時混凝土強度呈下降趨勢，當溫度在200～300℃范圍時混凝土強度基本上可回復到常溫時，這主要是因為未水化的粒子由于溫度的升高促進了水化而導致的，然而溫度達400℃以上時，隨著溫度上升混凝土強度呈直線下降的趨勢。上述混凝土強度隨溫度變化的規(guī)律無論是普通混凝土還是高強混凝土都有著驚人的一致性。在抗拉強度方面，水膠比為0.25～0.50的混凝土受熱后抗拉強度的下降百分比較抗壓強度略為增大，同樣混凝土的彈性模量也是隨著溫度的升高而降低，600℃時僅為常溫的10%左右。

2.3 高溫時的混凝土爆裂現(xiàn)象

近年來鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑在大中城市得到迅猛發(fā)展，據(jù)初步統(tǒng)計僅上海一地就達1萬多棟。作為主要材料的鋼筋混凝土，在遭受火災后隨著溫度的上升，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生各種應(yīng)力，通過研究發(fā)現(xiàn)，火災時結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力主要有混凝土中的孔隙水受熱轉(zhuǎn)化為水蒸汽產(chǎn)生的應(yīng)力；混凝土表面膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力；混凝土結(jié)構(gòu)受到荷重而產(chǎn)生的應(yīng)力。上述應(yīng)力在火災過程中得到積聚，在共同作用下其強度超過混凝土抗拉強度時，保護層部分混凝土就將發(fā)生爆裂，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋完全被裸露，因此高溫時混凝土的爆裂不僅危害到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，而且直接危害到避難中的人們。

3 提高混凝土耐爆、耐火性能的技術(shù)途徑

3.1 外摻合成纖維

由以上分析可知，火災時高溫引起的混凝土表面爆裂是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的急劇膨脹所造成的，因此如果能夠在膨脹應(yīng)力迅速增加的同時在混凝土內(nèi)部建立一種通道，使應(yīng)力及時得到疏導釋放就有可能防止！纖維受熱融化，在混凝土內(nèi)部生成一定數(shù)量的微細空洞，所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力通過這些空洞得到釋放，從而避免了混凝土的爆裂。一般這種纖維的直徑在0.012～0.2mm，長度為5～20 mm左右，摻量占混凝土單位體積的0.1%～0.35%。

混凝土在遭受火災時由于溫度急劇上升，混凝土表面容易產(chǎn)生爆裂，這種爆裂常常在受熱初期的5～40分鐘發(fā)生，不僅給結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴重破壞，而且也給避難中的人員帶來傷害。對于高強混凝土又因其內(nèi)部組織的致密性，受熱后混凝土內(nèi)部孔隙中迅速形成的水蒸氣壓力比普通混凝土大得多，由此產(chǎn)生爆裂的可能性大大提高，爆裂的程度也更加嚴重。因此在高強混凝土中摻加合成纖維，在遭遇火災時可及時形成壓力舒緩通道，能有效阻止混凝土表面的爆裂。為了考察各種纖維在防爆性能上的差異，技術(shù)人員將聚丙烯、丙烯、維尼綸等三種纖維在C60混凝土中各摻入0.1%，試驗結(jié)果表明分別以聚丙烯纖維最優(yōu)，維尼綸纖維其次，丙烯纖維位于第三。從防爆機理上可知，聚丙烯纖維能在火災初期較低溫度下融化，減少了纖維體積，迅速形成應(yīng)力疏散通道，對于及時緩和混凝土內(nèi)部壓力是有利的。進一步的耐火試驗證明當溫度達到350℃時，聚丙烯纖維的質(zhì)量減少率約90%，維尼綸為30%，丙烯纖維減少率最小，由此可見聚丙烯纖維在防爆效果上最好。表2是格雷斯公司提供的聚丙烯纖維主要性能指標。

表2 聚丙烯纖維主要指標

通過深入研究可知，當聚丙烯纖維主要用于混凝土裂縫抑制時，它的摻量為0.3kg/m3，為了防止混凝土小片剝落，聚丙烯纖維的摻量可以增加至0.4 kg/m3，為了防止高強混凝土在遭遇火災時發(fā)生爆裂，聚丙烯纖維的摻量應(yīng)達到0.46kg/m3以上，由此可見用于不同的工程目的聚丙烯纖維摻量也各不相同，實際使用時應(yīng)該根據(jù)纖維的性能指標通過工程實驗決定。

3.2 覆蓋耐火材料

最近幾年以陶瓷為主要原料的防火涂料在工程中得到廣泛的應(yīng)用，涂層厚度僅10mm的這種涂料耐火時間可達1小時，還可根據(jù)不同的耐火時間要求采用不同的涂層厚度，與傳統(tǒng)的石棉材料的防火性能相比更勝一籌。該涂料與混凝土結(jié)構(gòu)表面具有良好的粘結(jié)性，還能起到防銹作用。其表面又可上色，既能達到防火的目的又能使建筑物美觀，施工時可采用噴射或涂飾的方式進行，施工后結(jié)構(gòu)表面無粉塵。此外還有一種加熱發(fā)泡型的耐火卷材，遭受火災時卷材部分產(chǎn)生泡沫在阻止火勢蔓延的同時保護了混凝土結(jié)構(gòu)。這種卷材也可著色，在結(jié)構(gòu)表面黏貼即可，操作簡便，黏貼后的卷材表面可達到鏡面一樣的光潔。通常對柱頭黏貼厚度3mm，梁1.5mm就能達到1小時的耐火效果。

3.3 嚴選粗骨料

鋼筋混凝土在高溫狀態(tài)下的膨脹量是受到各種組成材料不同的膨脹量所支配的。如果以單位溫度變化時其長度的變化和它在0℃時長度的比值為線膨脹系數(shù)進行表征的話，粗骨料的線膨脹系數(shù)隨母巖的種類不同而異，如花崗巖為1.8～11.9×10-6/℃，安山巖為4.1～10.3×10-6/℃，玄武巖為3.6～9.7×10-6/℃，值得注意的是由于石英質(zhì)料在570℃以上時將發(fā)生晶態(tài)構(gòu)造的轉(zhuǎn)化，體積突然膨脹，因此不能使用石英質(zhì)作為混凝土骨料。一般認為骨料的線膨脹系數(shù)越大混凝土的膨脹系數(shù)也越大，在配制混凝土時應(yīng)優(yōu)先選用火山巖、高爐礦渣、煉瓦等，其次石灰?guī)r等骨料也可以。人工輕骨料雖有較好的耐熱性，但在溫度急劇上升時會產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象?？傊瑸榱颂岣呋炷两Y(jié)構(gòu)的耐火性要選擇耐熱性好的骨料，避免使用花崗巖及二氧化硅質(zhì)的骨料。

3.4 其他措施

在普通混凝土結(jié)構(gòu)中為了提高耐火性可以適當增加保護層的厚度，還可將鋼絲網(wǎng)或者網(wǎng)眼鋼板預埋在保護層混凝土中，此外也可摻入鋼纖維防止火災時混凝土爆裂，提高結(jié)構(gòu)物的耐火性能。

4 結(jié)語

國外在火災安全技術(shù)方面進行了廣泛的研究應(yīng)用，在耐火結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)FT柱、鋼板約束RC柱、超高強度RC柱以及在這些構(gòu)造中采取了耐火涂層或者耐火覆蓋等技術(shù)措施，在混凝土材料方面分別對普通混凝土和高強混凝土高溫受熱后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及力學性能變化進行了試驗比較，其變化規(guī)律得到了確認。在混凝土高溫下的爆裂機理研究及防爆技術(shù)方面同樣進行了深入的試驗，采用了外摻合成纖維等技術(shù)措施達到了較好的效果。以上應(yīng)對火災的安全技術(shù)在高層建筑、隧道、地下空間等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，取得了一定的成效，值得我們重視。

改革開放給我們國家?guī)砹巳招略庐惖淖兓?，大?guī)?；A(chǔ)設(shè)施的投入給城鄉(xiāng)經(jīng)濟建設(shè)注入了新的活力。近年來在城市建設(shè)中涌現(xiàn)出大量鱗次櫛比的高層住宅，在改善人們居住條件的同時也蘊藏著風險，而地下大深度、大空間設(shè)施的開發(fā)利用雖然擴展了人類活動的范圍，但有限的出入口和半封閉的結(jié)構(gòu)形態(tài)又制約了人們避難和消防活動的開展。為了確保城市安全運行，根據(jù)建筑物火災的特征以及作為一種安全對策，加強對混凝土耐爆、耐火性能的研究是很有必要的，這或許是上海11·15特大火災給予我們深層的啟迪。

[1]丹羽博則. スペイン超高層ビル火災の被害調(diào)查報告[J].大林組技術(shù)研究所報.No.70 2006

[2]瀨賢. 高溫加熱を受けた高強度コンクリ－トの力學特性の回復にかんする研究[J]. 大林組技術(shù)研究所報.No.70 2006

[3]森田武.耐火性[J]. セメント·コンクリ－ト.No.743.Jan. 2009

鄭 捷 （1948-），男，高級工程師。

[單位地址]上海市志丹路170弄29號1208室上海建工材料工程有限公司（200065）