高强混凝土耐火性浅谈

由于高强混凝土的优良性能, 在建筑中的广泛运用。但其致密性, 脆性较大, 渗透性低也导致其抗火性不好, 容易产生爆裂。在现实火灾中, 爆裂已成为结构破坏的主要因素之一[1]。由于种种原因而引起火灾产生高温, 在高温的影响下, 混凝土的性能发生重大改变, 导致建筑结构的破坏, 这将对人们的生命和财产带来极大的威胁和损失。因此, 研究高温下混凝土的力学性能, 并能针对弊端改善混凝土的性能, 使之在高温下能有效的发挥作用, 已经迫在眉睫。

1 高温下的性能

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, 这些体积变化可引起较大的内应力而导致微裂缝和断裂。对于湿度较大的混凝土, 遭受瞬时火灾 (高温) 作用后, 可导致混凝土的爆裂和潜在的灾难, 而高强混凝土尤为严重, 从而造成较大的内应力而导致破坏。火灾 (高温) 也会引起混凝土化学和微结构的变化, 如水分的迁移 (扩散、干燥) 、失 (脱) 水、界面的不相容以及坚硬的水泥浆体和骨料的化学分解。

1.1 强度性能

火灾下混凝土强度随温度的变化有三个阶段:强度初始损失阶段;强度恢复阶段;强度永久损失阶段。第一阶段, 强度的初始损失阶段。在温度从室温升到100℃~300℃期间, 高强混凝土强度随温度升高而衰减, 高强混凝土的衰减程度比普通混凝土要高, 且混凝土强度越高衰减损失越大。第二阶段强度的恢复是因为高温下, 混凝土中的胶体失去自由水而收缩, 加强了骨料之间的咬合力而导致上升, 甚至超过原先的强度。但到第三阶段, 强度会永久损失, 不能恢复。这一阶段高强混凝土强度的衰减及宏观表现与普通混凝土相差很大[2]。

1.2 弹性模量

高温下, 弹性模量随温度的增高呈衰减趋势。200°C以下变化不大, 200℃~400°C时稍有下降, 400°C以上, 则出现明显的下降[3]。混凝土的弹性模量与升降温循环次数的关系很小, 主要取决于曾达到的最高温度。主要原因是随温度升高, 混凝土内部出现裂缝, 组织松弛, 加之空隙失水失去吸附力, 从而造成变形增大, 弹性模量降低, 与抗压强度的降低相比, 弹性模量的降低幅度更大。

1.3 本构关系

总的来说, 高强混凝土的应力—应变曲线与低强混凝土形状基本一致, 但比普通混凝土更陡, 更接近线性。高强混凝土的应力—应变曲线的下降段要陡于普通混凝土, 即应力随应变增大而降低的速率要大于普通混凝土, 也表明高强混凝土试件比普通混凝土试件更易发生脆性破坏。

2 高强混凝土的爆裂现象及机理

2.1 爆裂现象

爆裂是指混凝土在高温下, 达到一定温度后, 毫无预兆的情况下表面混凝土突然发生剥落的现象。

2.2 爆裂的机理

目前关于高性能混凝土爆裂机理的观点并不十分的统一。对于它的机理, 主要有两种观点:蒸汽压机理和热应力机理[4]。

蒸汽压机理是指在高温下水分蒸发成水蒸气, 由于没有顺畅的通道, 水蒸气无法及时排出混凝土而产生了蒸汽压力, 当它达到一定值就会产生爆裂。

热应力机理是指高温时, 由于混凝土导热性不好, 使热量传导不均而在混凝土内部产生温度梯度, 形成的热应力使混凝土爆裂。

3 提高高强度混凝土耐火性的一些建议

混凝土在高温下破坏, 主要原因包括水泥浆体失水, 骨料膨胀以及水泥浆体与骨料的热膨胀不协调, 热梯度的存在导致结构破坏等, 混凝土高温破坏是许多因素共同作用的结果。含湿量和纤维对它的影响较大。

含湿量是导致高强混凝土爆裂的主要原因, 含湿量越大, 累积的蒸汽压越大, 爆裂对试件造成的毁坏程度越大;同时试件表面裂纹的分布及深度也受含湿量高低的影响, 含湿量降低, 试件表面裂纹的数量和深度也随之减少[5]。

在高强混凝土中掺入聚丙烯纤维可以改善爆裂。在高温下, 聚丙烯纤维熔化, 形成了一个通道用来释放蒸汽压, 避免了蒸汽压的积累, 从而防止爆裂的的产生。但高温后不能保证混凝土残余强度。而钢纤维的强度较高, 使得混凝土残余强度得到保证。因此可采用聚丙烯纤维和钢纤维混掺的方法改良。但由于聚丙烯纤维熔化留下了孔洞, 从而减小了密室度, 大大降低了高强混凝土的耐久性。

在相同W/C条件下, 采用玻璃渣作骨料的混凝土经高温处理后的力学性能明显好于采用普通砂石作骨料的混凝土, 利用玻璃渣配制的混凝土在高温环境下, 由于水分的缺失, 可避免碱—骨料反应的发生。

4 结语

高强混凝土是一种低渗透性、低空隙率、含水量小的脆性材料。高强混凝土的耐火性能与普通混凝土相似, 但由于低的渗透性, 在加热到150℃~250℃时, 往往会发生爆裂, 导致混凝土表面保护层的爆裂性破坏, 使钢筋暴露于火中, 而且, 可能导致混凝土横截面显著减小而降低混凝土的承载能力, 从而使耐火时间大大降低。

目前对高强度混凝土的耐火性, 还没有找到很合适的解决方法。由于在建筑领域的广泛应用, 而火灾对建筑的影响又很大, 所以提高高强混凝土耐火性的研究具有一定的现实意义。

摘要：高强混凝土致密, 低渗透等优良性能使其广泛的应用于高层建筑及大跨度桥梁结构中。然而, 但其在急速升温的环境下易爆裂使结构垮掉。本文对高强混凝土的耐火性的某些方面资料进行了分析, 探讨了爆裂机理, 提出一些改良建议。

关键词：高强混凝土,爆裂,耐火性

参考文献

[1] 鞠艳丽, 张雄.聚丙烯纤维对高温下混凝土性能的影响[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2003, 31 (9) :1064～1067.

[2] 肖建庄, 李杰, 孙振平.高性能混凝土结构抗火研究最新进展[J].工业建筑, 2001, 31 (6) :53～56.

[3] 李敏, 钱春香, 孙伟.高性能混凝土火灾后性能变化规律研究[J].工业建筑, 2002, 32 (10) :34～36.

[4] 朋改非, 陈延年, Mike A.高性能硅灰混凝土的高温爆裂与抗火性能[J].建筑材料学报, 1999, 2 (3) :271～275.

[5] 边松华, 朋改非, 赵章力, 等.含湿量和纤维对高性能混凝土高温性能的影响[J].建筑材料学报, 2005, 8 (3) :321～327.