火災(zāi)后混凝土力學(xué)性能的影響因素

馬 輝

（寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司, 寧夏 銀川 750021）

火災(zāi)后混凝土力學(xué)性能的影響因素

馬 輝

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鑒于火災(zāi)對建筑結(jié)構(gòu)的巨大危害，在綜述了混凝土高溫后力學(xué)性能研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，具體從受火溫度、受火時(shí)間、冷卻方式和靜置時(shí)間四影響個(gè)因素對混凝土高溫后力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析、總結(jié)，并對進(jìn)一步需要的解決的問題進(jìn)行了展望。

混凝土；高溫；力學(xué)性能；影響因素

0 引言

火，是人類得以生存和發(fā)展的一種自然力。人類對火的認(rèn)識、使用和掌握，使人類逐步擺脫了茹毛飲血的野蠻時(shí)代，開始邁向了文明社會(huì)?；?，給人類帶來光明和溫暖，帶來了健康和智慧，促進(jìn)了人類物質(zhì)文明的不斷發(fā)展，在人類文明發(fā)展史上有極其重要的意義。與其他事物一樣，火亦是一把雙刃劍，火若被濫用或失去控制便會(huì)是一場災(zāi)難。常言道水火無情，一旦發(fā)生火災(zāi)，必將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，釀成一幕幕人間悲劇。

火災(zāi)是指在時(shí)間或空間上失去控制的燃燒。在各種災(zāi)害中，火災(zāi)發(fā)生的頻度位居各種災(zāi)害之首，其中絕大多數(shù)的火災(zāi)發(fā)生在建筑和構(gòu)筑物中，而在高溫作用下，建筑材料的性能惡化、結(jié)構(gòu)承載力下降，以致給人類的生命、財(cái)產(chǎn)、資源、環(huán)境造成巨大危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)社會(huì)生產(chǎn)總值的千分之二，死亡人數(shù)達(dá)10萬人[1]。例如：2012年2月17日的俄羅斯彼爾姆市“瘸腿馬”夜總會(huì)火災(zāi)，造成142人死亡，26人嚴(yán)重?zé)齻?980年底的日本楊木縣藤原叮川治溫泉王子飯店發(fā)生火災(zāi),傷亡約70人,經(jīng)濟(jì)損失折合人民幣達(dá)400萬元[2]，等等。隨著城市化的發(fā)展，世界各國的火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)及造成的損失還在逐步攀升，世人更是聞火色變！回到國內(nèi)來看，當(dāng)前我國面臨的火災(zāi)形勢依然不容樂觀，火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)和損失也是相當(dāng)慘重！據(jù)公安部消防局官方消息，2016年全國共接報(bào)火災(zāi)31.2萬起，亡1582人，傷1065人，直接財(cái)產(chǎn)損失37.2億元，其中，較大火災(zāi)64起。

混凝土作為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)材料用于土木工程已有一百多年的歷史，在目前的建筑材料中發(fā)揮著不可或缺的作用。目前，建筑火災(zāi)的高度頻發(fā)及其造成的巨大危害，進(jìn)一步促使人們不斷加深了對建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的認(rèn)識。而關(guān)于混凝土高溫后力學(xué)性能的相關(guān)研究已很多，且比較成熟。本文：在綜述混凝土高溫后力學(xué)性能研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，具體從受火溫度、受火時(shí)間、冷卻方式和高溫后的靜置時(shí)間四個(gè)因素對混凝土高溫后力學(xué)性能的具體影響作用。

1 高溫后混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

隨著城市化進(jìn)程的加快，各種因素致使建筑火災(zāi)變得易發(fā)、多發(fā)、頻發(fā)，而在我國及世界各國中，混凝土結(jié)構(gòu)依然是建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，并且在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)仍然是主要的建筑結(jié)構(gòu)形式。為應(yīng)對防范建筑火災(zāi)的發(fā)生及減少災(zāi)后不必要的損失和傷害，國內(nèi)外不少專家、學(xué)者針對災(zāi)后混凝土的力學(xué)性能都展開了各自的研究。

相關(guān) 混凝土高溫后力學(xué)性能的研究主要集中在如下幾個(gè)方面：呂天啟等[3]研究了受火溫度、冷卻及養(yǎng)護(hù)方式和靜置時(shí)間等因素對高溫后靜置混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)性能的影響，給出了高溫后靜置混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低值的時(shí)間，同時(shí)給出了混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固的合理時(shí)間的建議，并建立了各力學(xué)指標(biāo)的擬合回歸公式。賈福平等[4]研究了受高溫影響混凝土抗壓強(qiáng)度隨高溫后的靜置時(shí)間和冷卻方式的變化規(guī)律，給出了高溫后混凝土結(jié)構(gòu)物適宜修復(fù)時(shí)間，同時(shí)通過掃描電子顯微鏡分析和X射線衍射分析技術(shù)，研究了高溫前后混凝土水化產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)的變化，揭示了高溫對混凝土宏觀影響的機(jī)理；梁愛莉等[5]對強(qiáng)度等級分別為 C20、C25 和 C30的硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土立方體試塊進(jìn)行了高溫后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度隨受火溫度、冷卻方式、骨料類型、靜置時(shí)間和強(qiáng)度等級等因素的變化規(guī)律。李麗娟[6]等對100 MPa的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了高溫試驗(yàn), 研究了經(jīng)500℃ 和800 ℃ 高溫作用后試件的外觀、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律及其質(zhì)量損失，與此同時(shí)，運(yùn)用掃描電鏡觀察了高溫后水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)變化。陳宗平等[7]通過設(shè)計(jì)24個(gè)棱柱體試件高溫后進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究高溫后混凝土材料的力學(xué)性能，主要考慮火災(zāi)溫度對試件破壞形態(tài)、變形性能、剩余承載能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 試件隨著受火溫度的升高，混凝土試件的表面顏色發(fā)生改變，并伴隨龜裂現(xiàn)象，質(zhì)量變輕; 峰值應(yīng)力降低，而峰值應(yīng)變總體呈增大趨勢。

2 混凝土高溫后力學(xué)性能的影響因素

從上世紀(jì)四十年代開始，國內(nèi)外相關(guān)專家、學(xué)者對高溫后凝土的力學(xué)性能做了較全面的研究，在高溫后混凝土力學(xué)性能的影響因素方面成果豐碩，通過整理、發(fā)現(xiàn)：為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中發(fā)生的不同大小的火災(zāi)情況，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)皆通過設(shè)置不同的高溫條件（主要從：受火溫度、受火時(shí)間、冷卻方式及靜置時(shí)間等幾個(gè)方面），從而來研究混凝土在不同高溫條件下力學(xué)性能的變化規(guī)律。

2.1 受火溫度

通過對比多篇文章的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：在混凝土高溫試驗(yàn)中，為了更好的模擬實(shí)際火災(zāi)情況，對混凝土的高溫作用溫度設(shè)置一般從室溫到1000℃，試驗(yàn)結(jié)論也是比較一致：300℃以內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，溫度在400℃以后，抗壓強(qiáng)度隨溫度升高持續(xù)下降。在100～300℃溫度段，混凝土內(nèi)未水化的水泥顆粒在“濕熱”條件下得以繼續(xù)水化，對混凝土強(qiáng)度增長有利；同時(shí)，內(nèi)部自由水的散失，使結(jié)構(gòu)空隙增大，對混凝土強(qiáng)度的降低產(chǎn)生一定影響；300℃過后，混凝土內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠的脫水分解、骨料和水泥砂漿基體的熱變形不一致、石英晶型的轉(zhuǎn)變及碳酸鈣的復(fù)分解反應(yīng)都使的混凝土骨架結(jié)構(gòu)變得疏松，嚴(yán)重劣化了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

羅迎社[8]對強(qiáng)度等級 C35的 15個(gè)混凝土試件在室溫到850℃高溫作用后進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，亦指出：與室溫下相比，混凝土抗壓強(qiáng)度250℃下幾乎不變，450℃降低25%，650℃降低55%，850℃降低85%，承載力基本喪失。

2.2 受火時(shí)間

中南大學(xué)資偉、余志武等[9]通過混凝土試塊在不同受火溫度和時(shí)間噴水冷卻條件下其剩余抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，給出了高溫后混凝土試塊的受壓破壞特征和混凝土剩余抗壓強(qiáng)度與受火溫度和受火時(shí)間的耦合關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究表明：噴水冷卻的混凝土剩余抗壓強(qiáng)度隨著受火溫度的升高和受火時(shí)間的增加整體上呈逐步降低的趨勢；同時(shí)指出，在受火時(shí)間不超過100分鐘或受火溫度較低不超過500℃時(shí)，混凝土剩余抗壓強(qiáng)度反而有所上升，對于這種現(xiàn)象，作者給出了這樣的解釋：因?yàn)樵谳^低受火溫度或較短受火時(shí)間作用時(shí)，混凝土內(nèi)部形成的“濕熱”環(huán)境促進(jìn)了混凝土內(nèi)部未水化的水泥熟料進(jìn)一步水化完全，此時(shí)高溫對混凝土強(qiáng)度的有利作用大于其分解、變形不協(xié)調(diào)等不利作用。

2.3 冷卻方式

通過總結(jié)國內(nèi)外大量研究成果，發(fā)現(xiàn)：一般的，高溫后澆水冷卻的混凝土試件其外觀損壞較自然冷卻嚴(yán)重，質(zhì)量損失量大。對于高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度，中國礦業(yè)大學(xué)的賈福萍,呂恒林等[10]對不同尺寸混凝土立方體試塊的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同受熱溫度、不同冷卻方式條件下進(jìn)行了測試,分析了高溫后冷卻方式對混凝土力學(xué)性能退化的影響。結(jié)果表明：相對于常溫混凝土試塊，高溫后混凝土強(qiáng)度和變形性能與受熱溫度和冷卻方式有著較大相關(guān)性，自然冷卻和噴淋冷卻的試塊峰值應(yīng)力隨溫度的升高逐漸減小，但較常溫下其極限受壓變形性能均增大。同時(shí)指出：冷卻方式的不同對混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響不同，250℃自然冷卻的試塊抗壓強(qiáng)度較噴淋冷卻的大；而450℃和650℃自然冷卻的強(qiáng)度較噴淋冷卻的低；在850℃高溫作用后的混凝土試件在正常環(huán)境放置7 d后發(fā)生坍塌，強(qiáng)度完全喪失。

翟越、鄧子辰等[11]通過將C35 的商品混凝土試件進(jìn)行 300、600、800℃ 高溫作用后，分別采用自然和澆水兩種方式冷卻，再將試件靜置 3周以上進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗(yàn)。分析了不同溫度和不同冷卻方式對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究表明：相對于常溫下試件，澆水冷卻和高溫對混凝土試件物理化學(xué)特性及劈裂抗拉強(qiáng)度影響很大，而且作用溫度越高這種影響比自然冷卻的越明顯，主要表現(xiàn)在當(dāng)溫度超過300℃后，與自然冷卻的試件相比，澆水冷卻的拉伸強(qiáng)度下降程度明顯要大。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了考慮冷卻方式影響的三段式溫度－冷卻損傷演化方程，確定了出相應(yīng)的特征參數(shù)。

2.4 高溫后靜置時(shí)間

現(xiàn)實(shí)中，在火災(zāi)發(fā)生后，建筑物的倒塌大多是在火災(zāi)結(jié)束后的一定時(shí)間段內(nèi)，而不是火災(zāi)發(fā)生的過程中。對于其中的原因，專家、學(xué)者們通過進(jìn)行大量相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)研究。其中，大連理工大學(xué)的呂天啟等[12]對混凝土高溫后力學(xué)性能隨溫度、靜置時(shí)間、冷卻及冷卻后的養(yǎng)護(hù)方式等的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：對于自然

冷卻、自然養(yǎng)護(hù)的混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長先減小后增大，后趨于平穩(wěn)。并指出隨溫度升高抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時(shí)間后移。對于澆水冷卻、自然養(yǎng)護(hù)和澆水冷卻和潮濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長亦先降低，不同的是，之后抗壓強(qiáng)度保持恒定或緩慢上升。同時(shí)指出，受熱溫度小于300℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時(shí)間在14～28d；受熱溫度大于300℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時(shí)間在1～7d。這對災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的維修加固時(shí)間具有重要的使用價(jià)值。

對于災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)物適宜的修復(fù)時(shí)間，賈福平等[13]將邊長一百毫米的立方體試件在經(jīng)歷250℃、450℃、650℃后，分別采用自然、噴淋兩種方式冷卻，并靜置不同時(shí)間（1、3、7、14、28、56d）后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。給出了更具體的建議：自然冷卻下，250℃和450℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強(qiáng)度最低，650℃高溫作用靜置28d的試件抗壓強(qiáng)度最低；噴淋冷卻下，250℃高溫作用靜置7d的試件抗壓強(qiáng)度最低，450℃和650℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強(qiáng)度最低。

3 結(jié)論及展望

目前，國內(nèi)外關(guān)于混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能的研究相對比較全面，在受火溫度、受火時(shí)間、冷卻方式和靜置時(shí)間對混凝土力學(xué)性能的影響方面成果豐碩，結(jié)論較為統(tǒng)一。但整理發(fā)現(xiàn)：對于長期受間歇性高溫作用條件下的、動(dòng)荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學(xué)性能的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，可見對實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置不夠全面，為能更好為現(xiàn)實(shí)的工程解決提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，急需展開對混凝土不同工作條件下的力學(xué)性能研究。

[1]路春森等.建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì).北京:中國建材工業(yè)出版社,1995.

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[12]呂天啟,趙國藩,林志伸. 高溫后靜置混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,(01):63-70.

[13]賈福萍,王永春,渠艷艷,程勇,曹卜予. 冷卻方式和靜置時(shí)間對高溫后混凝土殘余強(qiáng)度影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào),2011,(03):400-405.

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馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司