輕骨料混凝土耐火性能與研究進(jìn)展

王 燦， 孫 彤， 王靜峰，3， 劉 用，3

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；3.先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率不斷提高，但火災(zāi)也越發(fā)頻繁，它給人類日常生產(chǎn)與生活帶來嚴(yán)重危害，因此，國(guó)內(nèi)外越來越重視工程結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外建筑向高層、大跨度、裝配式等方向快速發(fā)展，為縮小結(jié)構(gòu)斷面、減輕結(jié)構(gòu)自重、增強(qiáng)保溫隔熱等性能，輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久、抗災(zāi)、多功能、可持續(xù)發(fā)展的建筑材料已成為土木工程界的研究熱點(diǎn)，而輕骨料混凝土由于同時(shí)具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以特別適用于裝配式建筑，同時(shí)也能有效提高工程結(jié)構(gòu)的耐火性能，因此，對(duì)輕骨料混凝土的深入研究具有重要的理論價(jià)值和意義。

輕骨料混凝土作為一種優(yōu)質(zhì)混凝土，如圖1所示。相比普通混凝土而言，它具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、耐火、抗震性好且變形性能良好的特點(diǎn)，常被應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)中，如本溪市的建溪大廈(1994年)局部框架和全部剪力墻結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C20～LC30的自燃煤矸石輕骨料混凝土，比采用普通混凝土減輕自重21%～25%。

圖1 輕骨料混凝土

它是由輕骨料、普通砂(或輕砂)、水泥、水、外加劑等制成的多相材料。根據(jù)粗骨料、細(xì)骨料、工程應(yīng)用等種類，輕骨料混凝土可分為不同類型，見表1。

表1 輕骨料混凝土種類

1 普通混凝土耐火性能研究進(jìn)展

自1940年代起，多位學(xué)者已經(jīng)開始研究混凝土在高溫下的力學(xué)性能及耐久性的變化?；炷猎诟邷叵碌男阅鼙容^復(fù)雜，影響其耐火性能的主要因素是受熱溫度、時(shí)長(zhǎng)、升溫速度等，同時(shí)混凝土水泥和骨料種類，混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和含水量，混凝土的熱物理性能，以及機(jī)構(gòu)尺寸大小等多個(gè)因素也起著舉足輕重的作用。

目前對(duì)普通混凝土的耐火性能的研究主要在于高溫后質(zhì)量損失、表面裂縫情況，熱物理性能如熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等在高溫下的變化，高溫下與高溫后混凝土的力學(xué)性能如抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲性能、彈性模量等，都取得了不錯(cuò)的研究成果。

國(guó)內(nèi)外對(duì)普通混凝土耐火性能的研究進(jìn)展如下：

(1)高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度研究。在不同溫度下，不同學(xué)者對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度方面的研究進(jìn)展如下：

劉沐宇等[1]發(fā)現(xiàn)普通混凝土從常溫到300℃抗壓強(qiáng)度先略上升而后略下降，在300～400℃抗壓強(qiáng)度再次小幅上升。

Xiao和K?nig[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在400℃以上時(shí)，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯下降，而升溫到800℃以后抗壓強(qiáng)度損失達(dá)80%。在此基礎(chǔ)上，Lin等[3]認(rèn)為當(dāng)升溫到800℃時(shí)，由于C-S-H凝膠的大量分解，幾乎所有種類混凝土強(qiáng)度都劇烈下降。

Savva等[4]研究當(dāng)溫度達(dá)到600℃以后所有混凝土試塊的強(qiáng)度下降，殘余強(qiáng)度為初始強(qiáng)度的7%～25%。Poon等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在600℃以下，混凝土殘余強(qiáng)度為初始強(qiáng)度的45%，而800℃后，抗壓強(qiáng)度僅為初始強(qiáng)度的23%。

(2)高溫后普通混凝土與高強(qiáng)混凝土對(duì)比研究。對(duì)于普通混凝土與高強(qiáng)混凝土在高溫作用后的對(duì)比研究進(jìn)展如下：

Chan等[6]發(fā)現(xiàn)在800℃高溫作用后,普通混凝土殘余抗壓強(qiáng)度低于高性能混凝土，但強(qiáng)度損失率卻低于高性能混凝土。Phan等[7]研究了高強(qiáng)混凝土和普通混凝土在快速升溫方式下高溫后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在常溫及450℃時(shí)力學(xué)性能明顯不同，但當(dāng)溫度達(dá)到450℃以上時(shí)，兩者差異減小。Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)普通混凝土與高強(qiáng)混凝土的斷裂能隨溫度變化的曲線形狀基本相似：隨溫度增加，斷裂能增大；溫度達(dá)到300℃時(shí)，斷裂能達(dá)到最大值，然后下降；600℃高溫作用后，高性能混凝土的斷裂能仍高于常溫下的斷裂能的20%，而普通混凝土則低于常溫下的斷裂能的15%。

此外，Sukontasukkul等[9]分析了高溫作用下混凝土的荷載撓度曲線，常溫時(shí)峰值荷載為13，溫度達(dá)到400 ℃時(shí)無明顯變化，而當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃、800 ℃時(shí)分別下降24%與45%，同時(shí)波峰所對(duì)應(yīng)撓度由0.1 mm逐漸增加到0.3 mm，曲線彈性變形部分的斜率變小，如圖2所示。

圖2 符合ASTM E119-98的溫度-時(shí)間曲線

吳佩剛等[10]對(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)：水灰比越小，含水率越大，混凝土發(fā)生的爆裂越多。在此基礎(chǔ)上，沈蓉等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混凝土強(qiáng)度低于60 MPa 時(shí)，即使混凝土在飽水狀態(tài)也不發(fā)生爆裂，當(dāng)混凝土強(qiáng)度高于60 MPa后，隨著混凝土含水率的增加，爆裂的情況也逐漸增多。

2 輕骨料混凝土耐火性能研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外對(duì)輕骨料混凝土耐火性能的研究進(jìn)展如下：

曹萬智等[12]等對(duì)砂輕混凝土、全輕混凝土、陶砂陶?；炷痢⑵胀ㄌ樟；炷烈约捌胀ɑ炷猎诮?jīng)歷1 000 ℃高溫作用后的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明：在1 000 ℃高溫作用后，普通混凝土抗壓強(qiáng)度完全損失，砂輕混凝土與普通陶?；炷恋臍堄嗫箟簭?qiáng)度為20.5%，全輕混凝土與陶砂陶?；炷恋臍堄嗫箟簭?qiáng)度為21%。

孫洪梅等[13]也對(duì)陶砂陶?；炷?、普通陶?；炷烈约安捎酶咪X水泥的普通混凝土進(jìn)行高溫后強(qiáng)度與耐久性對(duì)比研究，結(jié)果表明：在1 000 ℃高溫作用后，陶砂陶?；炷梁推胀ㄌ樟；炷恋臍堄嗫箟簭?qiáng)度仍有33%～50%的殘余，高出普通混凝土的17%。放置一段時(shí)間后，陶砂陶?；炷梁推胀ㄌ樟；炷寥匀挥?0%的抗壓強(qiáng)度殘余，而普通混凝土的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)喪失殆盡。蔣玉川等[14]也對(duì)頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土的高溫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：經(jīng)1 000 ℃高溫處理后，輕骨料混凝土仍然有20%的抗壓強(qiáng)度殘余，高出普通骨料混凝土10%。

Sancak等[15]采用浮石配制輕骨料混凝土，經(jīng)歷800 ℃高溫作用，普通骨料混凝土僅有13%～16%的抗壓強(qiáng)度殘余，而輕骨料混凝土仍有28%～38%的抗壓強(qiáng)度殘余。同樣溫度條件下，Tanyildizi等[16]發(fā)現(xiàn)浮石輕骨料混凝土有18%的劈裂抗拉強(qiáng)度殘余。

蔣文婷等[17]采用工業(yè)污泥陶粒配制的輕骨料混凝土，在800℃高溫作用后，輕骨料混凝土仍有46.9%的抗壓強(qiáng)度殘余，以及約40%的劈裂抗拉強(qiáng)度殘余。同樣溫度條件下，王建民等[18]發(fā)現(xiàn)工業(yè)污泥陶粒所制輕骨料混凝土的初始彈性模量和峰值變形模量下降到常溫狀態(tài)下的20.2%和18.4%，其下降幅度小于普通混凝土。

Turkmen等[19]采用膨脹珍珠巖取代了25%天然砂，制作了輕骨料砂漿，在800 ℃高溫作用后，輕骨料砂漿仍有38%的抗壓強(qiáng)度殘余以及23%的抗折強(qiáng)度殘余。

此外，一些學(xué)者還對(duì)輕骨料混凝土高溫爆裂情況進(jìn)行了如下研究：

Copier[20]通過研究，發(fā)現(xiàn)了輕骨料混凝土高溫爆裂現(xiàn)象的主要影響因素：①蒸汽壓，主要受混凝土滲透性以及含水量影響;②毛細(xì)孔中水分無法溢出;③混凝土溫度應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，蔣玉川等[14]研究了600℃高溫后不同濕含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))頁(yè)巖陶?；炷恋谋亚闆r研究結(jié)果表明：當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，對(duì)普通混凝土，含水量低于飽水狀態(tài)的75%時(shí)，不會(huì)發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象；而對(duì)全輕混凝土，當(dāng)含水量低于飽水狀態(tài) 25%時(shí)，不會(huì)發(fā)生爆裂現(xiàn)象，飽水狀態(tài)時(shí)全輕混凝土的爆裂率達(dá)到67%。

3 結(jié)論與展望

近些年來，我國(guó)輕骨料混凝土行業(yè)取得了較快的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者雖對(duì)其做了大量研究工作，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)輕骨料混凝土無論是在技術(shù)水平上還是在實(shí)際應(yīng)用量上，都存在較大的差距，還需要在該領(lǐng)域開展更為深入的科研工作。

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)研究陶砂陶粒混凝土、工業(yè)污泥陶粒輕骨料混凝土以及浮石輕骨料混凝土，前兩者在經(jīng)歷1 000 ℃高溫作用后殘余強(qiáng)度分別為33%～50%、46.9%，后者在經(jīng)歷800 ℃高溫作用后殘余強(qiáng)度為28%～38%，而普通混凝土強(qiáng)度基本已經(jīng)喪失，由此可以看出輕骨料混凝土抗火性能的優(yōu)越性。此外，輕骨料混凝土目前主要應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隔墻，而將其應(yīng)用到實(shí)際受力構(gòu)件中的性能研究還比較缺乏，今后應(yīng)多注重在此方面的研究，以促進(jìn)輕骨料混凝土在我國(guó)更進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。