高强混凝土的耐火性能研究

高强混凝土的耐火性能研究

摘要：随着社会的进步及经济的迅猛发展，城市人口数量快速增长，高层建筑物也不断增多，从而促进了混凝土的广泛应用。高强混凝土因具有强度高、渗透性低、空隙小以及耐久性好等优点而得到了广泛地使用，特别是在大跨度桥梁结构和高层建筑中。但高强混凝土在使用的过程中也时常会出现一些问题，如在高温条件下会发生爆裂的现象等，严重影响了建筑的质量，缩短了其使用寿命，甚至会导致安全事故的发生。可见，研究高强混凝土的性能对保障建筑物的安全有着非常重要的意义。本文主要对高强混凝土的耐火性能进行了简单的介绍，并提出了一些提高高强混凝土耐火性的措施。

关键词：高强混凝土；耐火性；爆裂

1、引言

近年来，我国建筑事业的快速发展促进了高强混凝土的广泛使用，高强混凝土较普通混凝土来说具有很多优点，但也有不足之处，高温对高强混凝土的影响很大，如在火灾中高强混凝土很容易发生爆裂现象，对建筑物的正常使用产生了不利的影响。还需要在使用的过程不断去改善。本为将来研究高强混凝土的耐火性能，并提出了一些提高耐火性的措施。

2、高温对高强混凝土性能的影响

高强混凝土在高温中会引起物理变化，包括由于热膨胀、内应

力以及和失水相关的蠕变所引起的一系列较大的体积变化，这些体积变化可使得内应力增大而导致微裂缝和断裂。对于湿度较大的混凝土，遭受瞬时高温作用后，可导致混凝土的爆裂，尤其是高强混凝土，从而导致内应力迅速增大而发生破坏。火灾也会导致混凝土微结构及化学性质的变化，如失水、水分的迁移以及骨料和水泥浆体的化学分解。

2.1 强度性能

在高温情况下，混凝土强度的变化主要有以下三个阶段：强度初始损失阶段、强度恢复阶段以及强度永久损失阶段。强度的初始损失阶段。在温度升高的过程中，温度越高，高强混凝土的强度就越低，高强混凝土强度的降低速度要远远快于普通混凝土，而且强度越高的混凝土强度降低得越多；在强度的恢复阶段，由于高温条件下，混凝土中的胶体会因为自由水的丢失而不断收缩，使得骨料之间的咬合力有所增加，提高了混凝土的强度。但到了强度永久损失阶段，混凝土的强度会永久损失，不能恢复。

2.2 弹性模量

高强混凝土的弹性模量也会随着温度的升高而不断降低。在低温条件下不会有太大的变化，在高温时变化比较明显。混凝土弹性模量的变化程度主要由高温时的最高温度决定，而与温度升降变化的次数没有太大的关系。主要是因为随着温度的不断升高，会导致裂缝在混凝土内部产生，再加上空隙失水降低了吸附力，增大了变

形，降低了弹性模量，与抗压强度的降低相比，弹性模量的降低幅度更大。

2.3 高温对渗透性能的影响

随着温度的不断升高，高强混凝土的孔隙率也会不断地增长，特别是在温度高于110℃时比较明显，当温度超过250℃时，孔隙率会增加10％，温度等于250℃时则会增加30％。混凝土孔隙率的增长，恶化了混凝土的渗透性能，降低了混凝土结构构件的耐久性，混凝土结构构件在侵蚀性或潮湿环境中所受影响最为明显。通常用空气渗透系数、氯离子渗透系数以及水渗透系数来评价高温烧损后高强混凝土渗透性能的变化。研究表明，高温烧损后，高强混凝土渗透性能的恶化程度要比普通混凝土高，如图1所示。

通过对聚丙烯纤维高强混凝土渗透性在经500℃高温后的变化

研究发现，500℃的恶化了高温混凝土的渗透性能，且纤维的含量越高，恶化程度就越严重，混凝土渗透性的空气渗透系数、湿迁移渗透系数以及相对氯离子渗透系数都有所增长，且增长的幅度要比无纤维的高强混凝土大很多。通过200℃和400℃高温对聚丙烯纤维和钢纤维高强混凝土渗透性能的影响研究表明，高温后两种纤维混凝土的渗透性能都急剧恶化，其中聚丙烯纤维混凝土恶化程度远高于钢纤维混凝土。

3、高温爆裂现象、机理及防治方法

大量的试验研究和实际火灾现场调查均表明，高强混凝土在高

温条件下，普遍有爆裂的现象。爆裂主要分为角部混凝土的碎裂和混凝土的剧烈爆裂两种。通常在矩形混凝土构件未受约束的角部会发生角部混凝土碎裂，主要由热膨胀引起，其影响程度和范围都比较小。剧烈爆裂则通常会在火灾的早期阶段发生，不仅剧烈而且突发的可能性比较大，其影响范围和程度相对比较大，主要是因为混凝土内部孔隙压力过大导致。

3.1 混凝土的爆裂机理主要有几种

3.1.1 应变能的累积引起的爆裂

混凝土在高温条件下，骨料的变形与水泥胶体变形不协调。高温时，骨料受热导致体积膨胀，而水泥胶体在初始升温时体积膨胀，随着温度进一步升高，由于失水而收缩。在高强混凝土中，在骨料与水泥胶体问的过渡区域比普通混凝土更为密实，在高温下更容易产生应力集中现象，过大的应变能致使混凝土发生爆裂。

3.1.2 热应力爆裂

混凝土遭受火灾时，由于混凝土本身的热惰性，表层混凝土内存在较大的温度梯度，材料的热膨胀差异产生了热应力。温度较高的区域受压，温度较低内部区域受拉，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土开始爆裂。

3.1.3 孔隙蒸气压力累积引起的爆裂

高强混凝土高温爆裂的主要原因是混凝土内部孔隙蒸气压力的积累所致。混凝土表面受热时，表层混凝土内的水蒸气部分由混凝

土表面逸出，部分向温度较低的内部区域转移。随着温度的升高，内部孔隙蒸气逐渐增多，在靠近表层混凝土的局部区域，形成了水蒸气密集区；温度较高的区域的水蒸气部分向外逸出，部分聚集在密集区；而温度较低的区域内的水蒸气，随温度的升高，部分向密集区转移，部分向温度更低的区域转移。从而在密集区形成了一个饱和水蒸气区，内部的水蒸气无法从该区域逃逸，蒸气压力不断累积。当水蒸气密集区的蒸气压力超过混凝土的抗拉强度时，外层混凝土从混凝土主体上脱落，发生爆裂现象，如图2所示。

3.2 高强混凝土爆裂的防治方法

对于高强混凝土，防治其高温爆裂的主要措施有：采用钙质骨料、侧向约束混凝土、降低混凝土内的含水量。较好的措施是在混凝土内添加钢纤维或聚丙烯纤维。在高强混凝土内加入钢纤维，提高了混凝土抗拉强度，减缓了高温时混凝土内部缺陷的发展，延迟了混凝土的爆裂，使得混凝土有较好的高温力学性能。同时，由于钢纤维具有良好的导热性能，随机分布在混凝土内的钢纤维降低了混凝土内的温度梯度和由温度梯度引起的热应力，从而降低了混凝土爆裂的机率，延迟了爆裂的时间。但不少研究者发现，高强混凝土内即便掺入大量的钢纤维，也不能完全阻止混凝土的爆裂，快速升温时，混凝土仍存在爆裂现象。聚丙烯纤维在170℃左右时融化，增加了混凝土的孔隙率，为混凝土内部在高温时形成的水蒸气的逃逸提供了通道，降低了混凝土内部的孔隙压力，从而有效阻止了混