不同程度火災(zāi)破壞對(duì)鋼筋混凝土材料的影響

童蕓蕓，馬 超 ，呂偉加

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司， 杭州 310014)

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不同程度火災(zāi)破壞對(duì)鋼筋混凝土材料的影響

童蕓蕓1，馬 超1，呂偉加2

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司， 杭州 310014)

在模擬了輕度火災(zāi)破壞(300 ℃，1 h)、中度火災(zāi)破壞(500 ℃，1 h)和重度火災(zāi)破壞(800 ℃，1 h)3種情況后，比較了3種不同程度火災(zāi)破壞后鋼筋混凝土試件表觀形貌、抗壓強(qiáng)度和混凝土pH值的變化。結(jié)果表明，隨著火災(zāi)溫度的升高，鋼筋混凝土試塊表面顏色由青變白，先出現(xiàn)橫向裂縫，后出現(xiàn)縱向裂縫，并逐漸增多；試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，且下降明顯；混凝土的pH值在輕度火災(zāi)破壞后仍具有高堿性，但是在中度和重度火災(zāi)破壞后不再具有高堿性。

火災(zāi)破壞；鋼筋混凝土；抗壓強(qiáng)度；pH值；鈍化膜

火災(zāi)不僅是古代木結(jié)構(gòu)建筑破壞的主要原因之一，也是現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑破壞的重要隱患，這是因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)生過程中，隨著溫度的升高，鋼筋混凝土構(gòu)件會(huì)發(fā)生以下常見的破壞[1-4]：

火災(zāi)過程中，混凝土本身會(huì)由于溫度的上升而發(fā)生一定的物理化學(xué)變化。一般認(rèn)為，溫度上升到100 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)的自由水會(huì)蒸發(fā)；溫度上升到200～300 ℃時(shí)，水化硅酸鈣的層間水和硫鋁酸鈣的結(jié)合水散失；溫度上升到500 ℃左右時(shí)，混凝土中的Ca(OH)2受熱分解；而800～900 ℃的高溫會(huì)造成水化硅酸鈣的分解。同時(shí)，混凝土中的骨料也會(huì)因?yàn)槭軣岫w積膨脹甚至爆裂，原來意義上的混凝土已不復(fù)存在。

火災(zāi)過程中的溫度的升高和降低會(huì)引起鋼筋混凝土構(gòu)件膨脹或收縮不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生縱向和橫向的裂縫。

可以注意到，隨著溫度的升高，伴隨著Ca(OH)2受熱分解，混凝土間隙液的pH值會(huì)有所下降。混凝土間隙液的高堿性環(huán)境是鋼筋不被腐蝕的天然屏障，一旦失去了這個(gè)高堿性環(huán)境的保護(hù)，火災(zāi)受損后混凝土中鋼筋的腐蝕破壞將是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大患[5-6]。截至目前，鮮有文獻(xiàn)對(duì)火災(zāi)受損后混凝土的pH值進(jìn)行量化分析[7]。本研究模擬不同溫度下的火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土的破壞，比較了火災(zāi)破壞后混凝土表觀形貌和抗壓強(qiáng)度的變化，著重分析了不同溫度火災(zāi)破壞后混凝土pH值的變化，以進(jìn)一步研究火災(zāi)破壞對(duì)鋼筋腐蝕的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與過程

1.1 試樣準(zhǔn)備

試塊為4塊采用浙江錢潮控股集團(tuán)生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5)、山砂和碎石(最大粒徑16 mm)制成的鋼筋混凝土立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)。為了模擬高孔隙率的劣質(zhì)混凝土材料，試塊的混凝土配合比[m(水)∶m(水泥)∶m(石子)∶m(砂)=0.65∶1∶5.78∶4.1]選擇較高水灰比(0.65)。試塊中間高度位置有兩根長180 mm平行擺放的光圓鋼筋(直徑為6 mm，如圖1所示)，其中部80 mm長直接埋于混凝土中，兩頭各有50 mm長的部分由環(huán)氧樹脂涂層保護(hù)，目的是防止外界環(huán)境對(duì)鋼筋的腐蝕。

試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下[溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為95%以上]養(yǎng)護(hù)28 d后，將各個(gè)鋼筋混凝土試塊依次編號(hào)為R、1、2和3，其中R為參比試塊。

1.2 模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

圖1 鋼筋混凝土試塊Fig.1 Reinforced concrete samples

實(shí)驗(yàn)室采用上海皓越HMF-1600高溫爐(常溫至1 600 ℃可調(diào)；可編程溫控)，設(shè)計(jì)不同的溫度，模擬不同程度的火災(zāi)狀況。試塊R為參比試塊，不經(jīng)任何高溫處理；試塊1放置于高溫爐中，經(jīng)歷0.5 h升溫階段，1 h實(shí)驗(yàn)溫度(300 ℃)階段和0.5 h降溫階段，以模擬輕度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土的破壞；試塊2放置于高溫爐中，經(jīng)歷0.5 h升溫階段，1 h實(shí)驗(yàn)溫度(500 ℃)階段和0.5 h降溫階段，以模擬中度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土的破壞；試塊3放置于高溫爐中，經(jīng)歷0.5 h升溫階段，1 h實(shí)驗(yàn)溫度(800 ℃)階段和0.5 h降溫階段，以模擬重度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土的破壞。

1.3 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)采用LM-02型數(shù)字式測力儀(圖2)，測試鋼筋混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)小于C30時(shí)，其加荷速率為0.3～0.5 MPa/s。抗壓實(shí)驗(yàn)后，測力儀顯示破壞荷載(N)，試塊的抗壓強(qiáng)度P(MPa)=試塊破壞荷載(N)/試塊承壓面積(100 mm×100 mm)。

圖2 LM-02型數(shù)字式測力儀和試件抗壓實(shí)驗(yàn)Fig.2 LM-02 digital dynamometer and compressive strength tests of samples

1.4 混凝土pH值測定

抗壓實(shí)驗(yàn)后，混凝土碎塊一部分被用于混凝土的pH值檢測。實(shí)驗(yàn)采用取出固液萃取法測定混凝土的pH值[8]。測定前先利用密閉式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)將混凝土粉碎，經(jīng)過315 μm篩子篩分后制成需要的混凝土粉樣。

取出固液萃取法測定混凝土pH值的具體過程是，先取5 g粉末放入盛有15 mL蒸餾水的燒杯中，然后燒杯放置在磁力攪拌器上，開機(jī)攪拌15 min，攪拌完成后，燒杯靜置沉淀1 min，然后將燒杯中的液體表面懸浮液倒入試驗(yàn)瓶中，用pH測試儀測定粉末懸浮液的pH值。在測定每份樣品前，都需要在用蒸餾水對(duì)pH測試儀的探頭進(jìn)行清洗后，方可進(jìn)行下一次測定工作。因該pH測試儀較為精密，探頭較為敏感，如果清洗不得當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致上一次測試溶液仍有殘留，影響下一次測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模擬火災(zāi)破壞實(shí)驗(yàn)

通過觀察鋼筋混凝土試塊在輕度(300 ℃，1 h)、中度(500 ℃，1 h)和重度(800 ℃，1 h)火災(zāi)破壞模擬實(shí)驗(yàn)前后試塊混凝土表面顏色和裂縫等外觀變化，初步確定及評(píng)判不同程度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土材料的破壞程度[9]。

3種不同程度火災(zāi)破壞模擬實(shí)驗(yàn)后，鋼筋混凝土試塊的表觀形貌如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，未經(jīng)火災(zāi)破壞的混凝土表面呈磚青色，且沒有裂縫；經(jīng)過輕度火災(zāi)破壞的試塊表面顏色變化不明顯，整體仍為青色，部分表面摻雜土紅色，但混凝土試塊表面完好，無裂縫；經(jīng)過中度火災(zāi)破壞的試塊表面呈現(xiàn)不均勻的青白相間的顏色，而且混凝土試塊表面有裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度不足1 mm，以橫向裂縫居多，縱向較少；經(jīng)過重度火災(zāi)破壞的試塊表面整體變成了灰白色，而且混凝土試塊表面有較多裂縫產(chǎn)生，橫、縱、斜向均有，且裂縫較寬，部分裂縫寬達(dá)2 mm。

圖3 火災(zāi)破壞后混凝土外觀Fig.3 Concrete surface after fire damage at different temperatures

2.2 鋼筋混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

參比試塊R和試塊1～3在輕度、中度和重度火災(zāi)破壞模擬實(shí)驗(yàn)后，在恒溫恒濕[溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(60±10)%]的實(shí)驗(yàn)室放置7 d，然后被用于抗壓強(qiáng)度測試。結(jié)果表明，參比試塊R的抗壓強(qiáng)度為26.92 MPa；歷經(jīng)300 ℃高溫1 h破壞后，抗壓強(qiáng)度為21.59 MPa，較參比試塊下降了19.8%；歷經(jīng)500 ℃高溫1 h破壞后，抗壓強(qiáng)度下降為18.21 MPa，較參比試塊下降了32.4%；歷經(jīng)800 ℃高溫1 h破壞后，抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降為9.49 MPa，較參比試塊下降了64.7%(表1)。隨著火災(zāi)破壞溫度的上升，火災(zāi)破壞程度的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且下降顯著。這與隨著溫度的升高,試塊橫向、豎向和斜向裂縫增多的表觀分析結(jié)果是一致的。

表1 參比試塊和不同溫度火災(zāi)破壞后鋼筋混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度值

當(dāng)溫度升至300 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)自由水蒸發(fā)，結(jié)合水散失，水泥漿體的孔隙率增大，并出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)變疏松，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降；當(dāng)溫度升至500 ℃時(shí)，Ca(OH)2開始分解，原本結(jié)晶完整的片層結(jié)構(gòu)遭到破壞，同時(shí)骨料也受熱膨脹，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，強(qiáng)度繼續(xù)下降；當(dāng)溫度升至800 ℃時(shí)，Ca(OH)2大量分解，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)破壞，骨料受熱膨脹加劇，混凝土裂縫數(shù)量增加，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步明顯降低[6]。

由此可見，不同溫度對(duì)混凝土的骨料和水泥漿體有不同程度的破壞作用，隨著溫度的升高，破壞程度增加，鋼筋混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度下降。

2.3 混凝土的pH值

抗壓實(shí)驗(yàn)后，混凝土碎塊被按要求(碾碎再經(jīng)315 μm篩子篩分)制成需要的粉末，采用取出固液萃取法測得混凝土懸浮液的pH值，結(jié)果如表2所示，表中數(shù)據(jù)為3次測試結(jié)果的平均值，它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差均為0.005。測試結(jié)果表明，參比試塊的混凝土pH值為12.68，這個(gè)值處于正常的未受污染混凝土的pH值的范圍內(nèi)(12.5～13.5)；歷經(jīng)300 ℃高溫1 h破壞后，pH值減小為12.13，但仍具有高堿性；歷經(jīng)500 ℃高溫1 h破壞后，pH值繼續(xù)減小到11.56；歷經(jīng)800 ℃高溫1 h破壞后，pH值僅為10.88，混凝土堿性下降明顯。由此可見，隨著火災(zāi)破壞溫度的上升，混凝土的pH值逐漸減小，即混凝土間隙液的堿性逐漸降低。輕度火災(zāi)破壞后，混凝土仍具有高堿性；中度和重度火災(zāi)破壞后，混凝土不再具有高堿性，趨于中性。研究人員通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[1-4]，當(dāng)火災(zāi)溫度達(dá)到547 ℃時(shí)，混凝土中的Ca(OH)2會(huì)分解，使混凝土的堿性環(huán)境遭到破壞，趨于中性。這與本研究對(duì)不同溫度的火災(zāi)后混凝土pH值的量化結(jié)果是一致的。同時(shí)，未受污染的混凝土的pH值在12.5～13.5之間，可以保證與之接觸的鋼筋表面處于鈍化狀態(tài)，腐蝕不再進(jìn)行。但是，如果混凝土的堿性下降，會(huì)導(dǎo)致鋼筋表面的鈍化膜破壞，腐蝕不斷進(jìn)行。因此，火災(zāi)不僅會(huì)降低混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境，使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)失去作用，且火災(zāi)溫度越高，造成的破壞程度越嚴(yán)重。

表2 參比試塊和不同溫度火災(zāi)破壞后混凝土的pH值

3 結(jié) 語

為了研究不同程度火災(zāi)破壞對(duì)混凝土的影響，課題組利用高溫爐實(shí)驗(yàn)室模擬了輕度火災(zāi)破壞、中度火災(zāi)破壞和重度火災(zāi)破壞3種情況，比較了3種不同程度火災(zāi)破壞后鋼筋混凝土試件的表觀形貌、抗壓強(qiáng)度及混凝土pH值的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輕度火災(zāi)破壞后，試塊表面顏色變化不明顯，混凝土表面完好，無裂縫，抗壓強(qiáng)度較參比試塊下降了19.8%，同時(shí)混凝土的pH值減小為12.13，但仍處于高堿性范疇，不會(huì)影響鋼筋的鈍化膜環(huán)境；中度火災(zāi)破壞后，試塊表面呈現(xiàn)不均勻的青白相間的顏色，有裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度不足1 mm，以橫向裂縫居多，縱向較少，鋼筋混凝土試塊抗壓強(qiáng)度較參比試塊下降明顯，減小了32.4%，同時(shí)混凝土的pH值減小到12以下，pH值為11.56，鋼筋的鈍化膜環(huán)境可能會(huì)受到影響；重度火災(zāi)破壞后，試塊表面整體變成了灰白色，而且混凝土表面有較多裂縫產(chǎn)生，橫、縱、斜向均有，且裂縫較寬，部分裂縫寬達(dá)2 mm，鋼筋混凝土試塊抗壓強(qiáng)度較參比試塊下降非常顯著，減小了64.7%，同時(shí)混凝土的pH值繼續(xù)減小到10.88，這個(gè)趨于中性的混凝土環(huán)境不再是鋼筋的天然保護(hù)屏障。

由此可見，不同程度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土材料造成的破壞程度是有一定區(qū)別的，火災(zāi)溫度越高，造成的破壞程度越大。本次實(shí)驗(yàn)量化了不同溫度火災(zāi)損傷后混凝土的pH值，明確指出中度和重度火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)后混凝土的堿性下降明顯，并趨于中性，可作為進(jìn)一步研究火災(zāi)受損后鋼筋的腐蝕環(huán)境的變化之參考[10]。

關(guān)于不同程度火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土材料的破壞的實(shí)驗(yàn)研究是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)室的研究環(huán)境與條件遠(yuǎn)不能與實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場對(duì)等，實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場的溫度、場地環(huán)境及條件都要復(fù)雜的多，若要在此領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的研究，則需要進(jìn)一步去實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。

[1] 苗春，張雄，杜紅秀.火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)進(jìn)展[J].無損檢測，2004，26(2)：77.

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Influence of different degrees of fire damage on reinforced concrete material

TONG Yunyun1, MA Chao1, LYU Weijia2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China；2. Hangzhou Judai Technology Co. Ltd., Hangzhou 310014, China)

Moderate fire damage at 300 ℃ during one hour, medium fire damage at 500 ℃ during one hour and heavy fire damage at 800 ℃during one hour are simulated in laboratory. The change of concrete surface color, the evolution of compressive strength and especially the pH value of concrete after fire damage at different temperatures are compared and analyzed. The results reveal that with the increase of the temperatures, the concrete surface color turns from cyan to white, along with the horizontal fissures and the vertical fissures in succession. Moreover, the compressive strength decreases significantly. The pH value of concrete is still in the range of high alkalinity after moderate fire damage, but the concrete has no more high alkalinity after medium and heavy fire damage.

fire damage；reinforced concrete; compressive strength；pH value；passivation layer

H value of concrete of

試塊火災(zāi)溫度/℃pH平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差參比試塊R12.680.005試塊130012.130.005試塊250011.560.005試塊380010.870.005

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.05.008

2016-10-01

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51408546)；浙江省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(LQ14E080008)；浙江省文物保護(hù)科技項(xiàng)目(2015018)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33058)

童蕓蕓(1978— )，女，浙江省淳安人，副教授，博士，主要從事鋼筋混凝土的耐久性研究。

TU502

A

1671-8798(2016)05-0379-05