泡沫混凝土和混凝土耐火極限的比較研究

楊小芳，于水軍，高 巖，張朋飛

（1.河南理工大學(xué)基建處，河南 焦作，454000；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作，454000；3.河南理工大學(xué)河南省煤礦瓦斯與火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作，454000）

泡沫混凝土和混凝土耐火極限的比較研究

楊小芳1，于水軍2，3，高 巖1，張朋飛2，3

（1.河南理工大學(xué)基建處，河南 焦作，454000；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作，454000；3.河南理工大學(xué)河南省煤礦瓦斯與火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作，454000）

泡沫混凝土用在建筑節(jié)能保溫工程中，其耐火性能對提高建筑物的抗火災(zāi)能力非常重要。在模擬火災(zāi)條件下，通過測定不同密度、不同煅燒時(shí)間、不同含水量的泡沫混凝土和混凝土的抗壓強(qiáng)度值，比較泡沫混凝土和混凝土的耐火極限的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在火災(zāi)條件下，泡沫混凝土和混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率均隨密度的增大而降低；密度為300kg／m3和800kg／m3的泡沫混凝土，在800℃下煅燒20min后，其抗壓強(qiáng)度損失率分別為66.3%和25.5%；在同樣的煅燒條件下，密度為2200kg／m3和2400kg／m3混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為18.6%和15.8%；泡沫混凝土和混凝土的含水量越高，耐火極限就越長。泡沫混凝土為具有不燃特性A級(jí)保溫材料，被用于建筑外墻保溫隔熱材料時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會(huì)因火場可燃材料的高溫煅燒而有所降低，但其耐火極限能完全滿足《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》。

泡沫混凝土；耐火極限；抗壓強(qiáng)度損失

0 引言

建筑火災(zāi)已成為破壞建筑結(jié)構(gòu)的主要災(zāi)害之一。建筑構(gòu)件在火災(zāi)的高溫作用下，其結(jié)構(gòu)受力性能將大為削弱。如抗壓、抗拉強(qiáng)度等［1－3］。泡沫混凝土除了具有普通混凝土所沒有的輕質(zhì)、保溫、隔音、高強(qiáng)度比、高流動(dòng)性等特點(diǎn)外［4－8］，還具有有機(jī)泡沫所沒有的不燃特性，使其在建筑節(jié)能保溫、隔音防火墻、道路加寬和煤礦防滅火等工程中均得到較廣應(yīng)用［9－11］。泡沫混凝土具有高孔隙率和高滲透性的特點(diǎn)，在火災(zāi)條件下，其結(jié)構(gòu)性能易發(fā)生變化［12，13］。泡沫混凝土在建筑保溫工程中的應(yīng)用越來越廣泛，但是對其耐火極限的研究較為滯后。所以，對在火災(zāi)條件下泡沫混凝土耐火極限的研究，并與混凝土比較，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在模擬火災(zāi)條件下，實(shí)驗(yàn)測定了在不同密度、不同煅燒時(shí)間、不同含水率情況下，泡沫混凝土和混凝土的抗壓強(qiáng)度及其損失率的變化規(guī)律；并通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，找出火災(zāi)條件下泡沫混凝土耐火極限的主要影響因素。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料與試驗(yàn)儀器

（1）水泥：PC 32.5普通硅酸鹽水泥（焦作中晶水泥有限公司），其主要物理指標(biāo)如表1［14］所示。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要物理指標(biāo)Table 1 Main physical index of the ordinary portland cenment

（2）粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰（焦作熱電廠）。

（3）發(fā)泡劑：復(fù)合型發(fā)泡劑（自制），其基本組成如表2［14］。

（4）纖維：聚丙烯短纖維（市售）。

（5）試模：規(guī)格100mm×100mm×100mm。

（6）烘箱：數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱，型號(hào)GZX－9023MBE。

（7）煅燒實(shí)驗(yàn)爐：GJL-1型材料耐火性能燃燒試驗(yàn)爐，裝置示意圖如圖1所示，燃?xì)鉃橐夯蜌狻?/p>

（8）液壓萬能試驗(yàn)機(jī)：SKZY-200型壓力測試機(jī)；CL-03測力顯示控制儀。

表2 發(fā)泡劑的基本組成Table 2 The elements of the composite foam

圖1 GJL-1型材料耐火性燃燒試驗(yàn)爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of GJL-1type of material burning fire resistance test furnace

1.2 泡沫混凝土試塊制備

將水泥、粉煤灰、纖維按照80∶40∶0.2的比例均勻混合，加水（水灰比為1∶2）攪拌均勻，制成水泥粉煤灰漿。將復(fù)合發(fā)泡劑用發(fā)泡機(jī)制成細(xì)密均勻的泡沫，把泡沫與水泥粉煤灰漿按照一定的比例混合，攪拌均勻，制成泡沫混凝土漿，把制得的漿體澆注到規(guī)格為100mm×100mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中，進(jìn)行初期48h靜養(yǎng)后，拆模，放入養(yǎng)護(hù)池中，養(yǎng)護(hù)28d，制得泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊。

1.3 泡沫混凝土干體積密度和吸水率的測定

取試件一組3塊，逐塊量取長、寬、高三個(gè)方向的軸線尺寸，精確至1mm，計(jì)算試件的體積V。

將試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在（60±5）℃下保溫24h，然后在（80±5）℃下保溫24h，再在（105±5）℃下烘至恒重，試件冷卻至常溫后，稱量其質(zhì)量M0，精確至1g。泡沫混凝土的干體積密度為：

ρ—試件的干體積密度，kg／m3；M0—試件烘干后質(zhì)量，g；V—試件體積，mm3。

把試塊放入水溫為（20±5）℃的恒溫水槽內(nèi)，然后加水至試件高度的1／3，保持24h，再加水至試件高度的2／3，經(jīng)24h后，加水高出試件30mm以上，保持24h。將試件從水中取出，用濕布抹去表面水分，立即稱量每塊質(zhì)量Mg，精確至1g。泡沫混凝土的吸水率為：

L—試件的吸水率，%；M0—試件烘干后的質(zhì)量，g；Mg—試件吸水達(dá)飽和后的質(zhì)量，g。

1.4 泡沫混凝土試塊的煅燒試驗(yàn)

取 密 度 為 300kg／m3、400kg／m3、500kg／m3、600kg／m3、700kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊各1組3塊。煅燒時(shí)，將試塊放入GJL-1型材料耐火性燃燒試驗(yàn)爐中，熱電偶A放于試塊下底面，熱電偶B垂直插入試塊正上部的小孔中，熱電偶B的插入深度為試塊高度的1／2，用速凝水泥砂漿把熱電偶B封固于試塊小孔中。液化石油氣作為燃?xì)?，點(diǎn)燃燃?xì)?，調(diào)節(jié)火焰高度，使火焰的外焰部分剛好與試塊下底面接觸，火焰外焰處于試塊正下方位置，外焰溫度控制為800℃，試塊煅燒時(shí)間依次控制為10min、15min、20min、25min、30min，用熱電偶A和B分別測定火焰溫度和試塊中心的溫度變化。把煅燒后的試塊測定抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算抗壓強(qiáng)度損失率。

1.5 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測定和強(qiáng)度損失率的計(jì)算

將試塊放于液壓萬能試驗(yàn)機(jī)載物臺(tái)上，試塊的中心與液壓萬能試驗(yàn)機(jī)下壓板中心對準(zhǔn)，試塊的承壓面與成型時(shí)的頂面垂直。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試塊接近時(shí)，調(diào)整球座使之接觸均勻。以2KN／s的速度連續(xù)而均勻的加荷，直至試塊破壞，記錄破壞載荷?？捎茫?）式計(jì)算試塊的抗壓強(qiáng)度值：

P—試塊的抗壓強(qiáng)度值，MPa；F—破壞載荷，N；S—試塊受壓面積，mm2。

同密度泡沫混凝土在煅燒前后的抗壓強(qiáng)度之差與煅燒前的抗壓強(qiáng)度之比稱為強(qiáng)度損失率，可表示為：

α—抗壓強(qiáng)度損失率，%；P1—煅燒前測得試塊的抗壓強(qiáng)度，MPa；P2—煅燒后測得試塊的抗壓強(qiáng)度，MPa。

混凝土的試驗(yàn)方法基本同上。選取的是C30的混凝土，配合比如表3所示。

表3 C30混凝土配合比Table 3 C30concrete mix ratio

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泡沫混凝土與混凝土的耐火極限比較

泡沫混凝土與混凝土的材料組成不同，性質(zhì)不同，因此二者耐火極限概念的內(nèi)涵也不同。對于泡沫混凝土而言，是指從受火的作用開始，到其抗壓強(qiáng)度值低于規(guī)定的最小值為止的這段時(shí)間；對于混凝土而言，是指從受到火的作用時(shí)起，到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用時(shí)為止的這段時(shí)間，均用小時(shí)表示。

利用時(shí)間－溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行耐火試驗(yàn)，可以確定其耐火極限。利用煅燒試驗(yàn)，計(jì)算試件的強(qiáng)度損失率，可以判斷火災(zāi)作用后構(gòu)件是否超過了耐火極限。

取干體積密度分別為300kg／m3、400kg／m3、500kg／m3、600kg／m3、700kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土試塊各1組3塊，按照1.3的試驗(yàn)方法進(jìn)行煅燒試驗(yàn)，試塊的煅燒時(shí)間為20min，冷卻至常溫后測定試塊抗壓強(qiáng)度（取3次測量結(jié)果的平均值），計(jì)算強(qiáng)度損失率。

圖2 泡沫混凝土強(qiáng)度損失率隨密度的變化Fig.2 Strength loss of foam concrete versus density

不同干體積密度的泡沫混凝土煅燒后抗壓強(qiáng)度損失率如圖2所示。從圖2可得：在火災(zāi)條件下，隨著泡沫混凝土干體積密度增加，其抗壓強(qiáng)度損失率減小。在密度為600kg／m3～800kg／m3范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度損失率微弱減小，這一特性對建筑防火材料的選用具有一定的借鑒意義。

混凝土的強(qiáng)度損失率變化如圖3所示，與泡沫混凝土相比，其強(qiáng)度損失變化斜率較小，說明密度不是主要的影響因素。

泡沫混凝土強(qiáng)度損失率隨煅燒時(shí)間的變化如圖4所示。從圖4可以得到：在同一干體積密度下，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨煅燒時(shí)間的增長而降低，降低率逐漸減小并呈現(xiàn)一定的對數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)樵诨馂?zāi)條件下，泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致氣孔壁應(yīng)力發(fā)生變化，從而發(fā)生斷裂。由于泡沫混凝土的低熱傳導(dǎo)性，因此在煅燒初期局部溫度變化大，產(chǎn)生的局部應(yīng)力也大，結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重。在30min煅燒時(shí)間內(nèi)，抗壓強(qiáng)度值趨近某一最小值。因此，提高泡沫混凝土在火災(zāi)情況下的抗壓強(qiáng)度值，對建筑火災(zāi)的防治具有重大意義。

圖3 混凝土強(qiáng)度損失率隨密度變化Fig.3 Strength loss of concrete versus density

圖4 泡沫混凝土強(qiáng)度損失率隨煅燒時(shí)間的變化Fig.4 Strength loss of foam concrete versus calcination time

2.2 含水量對泡沫混凝土和混凝土耐火極限的影響

取干體積密度分別為400kg／m3、600kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土試塊各5塊，稱取試塊質(zhì)量。將試塊放入水溫為25℃的恒溫水槽中浸泡，每隔1h取各密度試塊1塊，試塊從水中取出后，用吸水布抹去表面水珠，即刻稱取試塊質(zhì)量，計(jì)算試塊的吸水率。不同密度試塊浸泡不同時(shí)間質(zhì)量增加百分比見圖5。每個(gè)試塊煅燒20min，冷卻至常溫后，測試試塊抗壓強(qiáng)度。測試結(jié)果如圖6所示。不同含水率的試塊，其抗壓強(qiáng)度損失率測試結(jié)果如圖7所示。

從圖5、圖6中可以看出：不同密度的泡沫混凝土試塊在浸泡相同時(shí)間時(shí)，密度大的試塊煅燒后抗壓強(qiáng)度也大，但是抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律差別較大。密度為400kg／m3的試塊隨著浸泡時(shí)間的增長，吸水率先快速增加，然后趨于平衡，抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。密度為600kg／m3的試塊隨著浸泡時(shí)間增長，濕度較快增加，然后緩慢增加，但抗壓強(qiáng)度逐漸減小。密度為800kg／m3的試塊，隨著浸泡時(shí)間的增加，濕度緩慢增加，抗壓強(qiáng)度先快速增加，然后增速減小。上述現(xiàn)象與泡沫混凝土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，泡沫混凝土吸水后氣孔內(nèi)空氣濕度增加，在煅燒時(shí)，內(nèi)部濕空氣溫度上升，產(chǎn)生復(fù)雜的濕度應(yīng)力場和空氣膨脹力；孔壁含水量增加，在高溫條件下同樣會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力，所用材料本身的性質(zhì)在高溫下也會(huì)發(fā)生劇烈變化。三處產(chǎn)生的應(yīng)力集中在一起構(gòu)成了復(fù)雜的受力場，在這種力場作用下，泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，抗壓強(qiáng)度值也變化較大。

從圖7（a）可以看出，隨著含水率的增大，不同密度的泡沫混凝土試塊的強(qiáng)度均減小。密度為400kg／m3的試塊隨著含水率的增大，其強(qiáng)度的損失率有一個(gè)明顯的下降，然后趨于平緩；密度為600kg／m3和800kg／m3的試塊隨著含水率的增大，其強(qiáng)度損失率明顯下降，說明含水量對泡沫混凝土強(qiáng)度損失有較大的影響。

從圖7（b）可以看出，隨著含水率的增大，不同密度的C30混凝土試塊的強(qiáng)度損失率均減小。與泡沫混凝土相比，其含水率較小，這是因?yàn)?，混凝土?nèi)部致密，吸水性弱。從本圖也可以看出，水對混凝土的耐火極限也有影響。需要說明的是，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土有一個(gè)最佳含水量要求，若含水量太大，內(nèi)部有氣孔，直接影響混凝土的強(qiáng)度。

從事建筑火災(zāi)防治研究時(shí)，通常用耐火極限表示建筑構(gòu)件的耐火性能。從泡沫混凝土耐火極限的概念可以看出，其判定條件較單一，即受火作用后，只要其抗壓強(qiáng)度低于規(guī)定的最低值，就認(rèn)為其達(dá)到了耐火極限。因?yàn)槌Ｗ鳛榉浅兄貥?gòu)件，所以其破壞是局部的，而不是整體的。密度不同，泡沫混凝土構(gòu)件的耐火極限有所不同，300kg／m3、400kg／m3的耐火極限可以用大于等于1.5h和大于等于2.0h表示。500kg／m3～900kg／m3的耐火極限可達(dá)2.7小時(shí)。

圖5 不同密度試塊浸水后的吸水率變化Fig.5 Water contents for samples with different densities after soaking

圖6 不同浸泡時(shí)間下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度損失率Fig.6 Loss rate of the compressive strength of foamed concrete for different immersion time

從混凝土耐火極限的定義可以總結(jié)出三個(gè)判定條件：穩(wěn)定性、完整性、隔熱性。構(gòu)件所處的部位不同，使用的判定條件不同，需要具體問題具體分析。比如混凝土承重梁，就可以利用穩(wěn)定性來判定其耐火極限，《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》就規(guī)定梁的耐火極限是1.5小時(shí)。在本文所述試驗(yàn)條件下，混凝土構(gòu)件含水率為4%、6%和8%時(shí)，耐火極限分別大于1.6h、1.8h、2.1h?；炷翗?gòu)件常作為承重構(gòu)件，所以其破壞是整體的，后果是嚴(yán)重的。

圖7 泡沫混凝土與混凝土強(qiáng)度損失率隨含水率的變化Fig.7 Strength loss of foam concrete and concrete versus water content

3 結(jié)論

（1）火災(zāi)條件下，泡沫混凝土和混凝土的耐火極限均隨干密度的增大而升高。

（2）泡沫混凝土在火災(zāi)條件下，同一密度的泡沫混凝土的強(qiáng)度隨煅燒時(shí)間的增長而降低，呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，并且在一定時(shí)間范圍內(nèi)趨向某一最小值。混凝土的抗壓強(qiáng)度隨煅燒時(shí)間的延長而呈現(xiàn)直線變化。

（3）含水量對同密度泡沫混凝土的耐火極限影響較大，且對不同密度泡沫混凝土影響不同。300kg／m3、400kg／m3的耐火極限分別大于1.5h和2.0h，500kg／m3～900kg／m3泡沫混凝土的耐火極限可達(dá)2.7h?；炷翗?gòu)件含水率為4%、6%和8%時(shí)，耐火極限分別大于1.6h、1.8h、2.1h。相同干體積密度的泡沫混凝土和混凝土的含水量越大，強(qiáng)度損失率越小，其耐火極限就越高，但它們的變化趨勢不同。

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Comparison of the fire resistance limits of foamed concrete and concrete

YANG Xiao-fang1，YU Shui-jun2.3，GAO Yan1，ZHANG Peng-fei2.3

（1.Capital Construction Department，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China；
2.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China；
3.Henan Provincial Key Laboratory of Gas and Fire Prediction and Prevention in Mines，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China）

Foamed concrete is used in architectural energy conservation and thermal insulation engineering，and its fire performance is very important for the fire resistant ability of building.In simulated fire conditions，the compressive strength values of foamed concrete and concrete were measured and compared in different densities，calcining time，and water contents，in order to investigate the fire resistance limit of foamed concrete.The results show that the compressive strength and the loss rate both decrease with foam density.When the foamed concrete was calcined at 800℃for 20min，the compression strength loss rates were respectively 66.3%and 25.5%for foam densities of 300kg／m3and 800kg／m3，and the values were 18.6%and 15.8%for densities of 2200kg／m3and 2400kg／m3，respectively.Higher water content leads to longer fire resistance limit for both foamed concrete and concrete.When the foamed concrete is used for building external wall material and is subject to fires，its compressive strength will decrease due to high-temperature calcination.However，the fire resistance limit of this material can meet the standard"Code of Design on Building Fire protection and prevention".

Foamed concrete；Fire resistance limit；Strength loss

TU55＋1.33；X932

A

1004-5309（2012）-0078-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.02.05

2011-10-18；修改日期：2011-11-24

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)（082102230032）；河南省教育廳自然科學(xué)基金（2008B560005）

楊小芳（1967-），男，河南焦作人，工程師，主要從事火災(zāi)防治理論與技術(shù)方面的研究。