混凝土的耐爆、耐火性能浅述

郑捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

混凝土的耐爆、耐火性能浅述

郑捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

基于相关文献的分析研究，本文就建筑火灾对混凝土内部化学、构造、力学性能的影响以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情况作一浅述，并从城市安全运行角度直言混凝土耐爆、耐火性能研究的必要性。

建筑火灾；混凝土结构；爆裂；耐火性能

1 前言

2010年11月15日下午2时许，上海市区一幢28层的居民楼发生火灾，百余辆消防车投入灭火，历经4个多小时，这是建国以来所发生的极为罕见的特大火灾。所造成的人员伤亡、财产损失、社会影响都是极其巨大的。无独有偶，2005年2月12日深夜，在西班牙首都马德里市中心一幢正进行外墙改建的高106m，地上32层的大楼也曾发生过一起特大火灾，火灾起始于21层，短时间内迅速向上及向下蔓延，以致4层以上楼层全被大火吞噬，造成17层以上建筑物周边框架崩塌。该大楼基本情况如表1所示。

表1 建筑物基本情况

所幸事发当日适逢休息日，无人员伤亡，事后经勘察决定4层以上构筑物全部解体，历时一年。上述两起高层建筑特大火灾折射出高层建筑在消防设计、排烟系统、避难通道、火灾安全性能评价、建筑结构等方面存在诸多问题，同时也考验了混凝土的耐火性能。为此本文将国外学者就建筑火灾对混凝土内部化学、构造、力学性能的影响以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情况作一浅述，以起到借鉴作用。

2 高温下混凝土内部结构变化及力学性能

2.1 内部结构变化

混凝土在高温作用下其结构变化主要是由水泥化合物变化而产生的。当温度在100℃左右时，混凝土中只失去自由水，随着温度的升高，水泥化合物中的Ca(OH)2及铝酸盐水化物中的结晶水、C–S–H凝胶中的结合水以及凝胶孔、毛细管孔壁都会产生激烈的脱水现象。一般来说，C–S–H水化物在100～300℃时，铝酸盐水化物在300℃左右，消石灰在500～600℃时呈现脱水状态。在混凝土内部细孔构造方面，分别为w/c=0.25及w/c=0.50的不同水灰比混凝土随着温度的升高孔径随之扩大，总细孔量随温度的升高而增加。从常温加热至200℃时，细孔半径增大程度仅是由0.01μm增大到0.02μm，加热至300℃时，细孔半径则从0.02μm增大到0.04μm，同时0.01～0.02μm的细孔半径相继减少。伴随着细孔构造的脱水，混凝土裂缝大量产生，至1000℃前后由于CaCO3产生气体分解，混凝土强度几近完全丧失。

2.2 力学性能

由于水泥化合物、骨料、混凝土、钢筋在高温作用下膨胀量各不相同，以致钢筋与混凝土之间的粘结力降低，通常情况下骨料和钢筋随着温度的增高膨胀量也随之增大，因此高温时混凝土将随着温度的上升膨胀量也相应增大，导致体积变化加剧。灭火以后，混凝土热胀冷缩所产生的不同体积变化将引起混凝土结构内部的松弛，促使混凝土强度的降低。高温时混凝土强度的变化如图1所示。

图1显示当温度上升至100℃时混凝土强度呈下降趋势，当温度在200～300℃范围时混凝土强度基本上可回复到常温时，这主要是因为未水化的粒子由于温度的升高促进了水化而导致的，然而温度达400℃以上时，随着温度上升混凝土强度呈直线下降的趋势。上述混凝土强度随温度变化的规律无论是普通混凝土还是高强混凝土都有着惊人的一致性。在抗拉强度方面，水胶比为0.25～0.50的混凝土受热后抗拉强度的下降百分比较抗压强度略为增大，同样混凝土的弹性模量也是随着温度的升高而降低，600℃时仅为常温的10%左右。

2.3 高温时的混凝土爆裂现象

近年来钢筋混凝土结构的高层建筑在大中城市得到迅猛发展，据初步统计仅上海一地就达1万多栋。作为主要材料的钢筋混凝土，在遭受火灾后随着温度的上升，混凝土结构内部将产生各种应力，通过研究发现，火灾时结构内部的应力主要有混凝土中的孔隙水受热转化为水蒸汽产生的应力；混凝土表面膨胀而产生的应力；混凝土结构受到荷重而产生的应力。上述应力在火灾过程中得到积聚，在共同作用下其强度超过混凝土抗拉强度时，保护层部分混凝土就将发生爆裂，使得混凝土结构内部钢筋完全被裸露，因此高温时混凝土的爆裂不仅危害到混凝土结构的安全性，而且直接危害到避难中的人们。

3 提高混凝土耐爆、耐火性能的技术途径

3.1 外掺合成纤维

由以上分析可知，火灾时高温引起的混凝土表面爆裂是由于内部结构产生的急剧膨胀所造成的，因此如果能够在膨胀应力迅速增加的同时在混凝土内部建立一种通道，使应力及时得到疏导释放就有可能防止！纤维受热融化，在混凝土内部生成一定数量的微细空洞，所产生的膨胀应力通过这些空洞得到释放，从而避免了混凝土的爆裂。一般这种纤维的直径在0.012～0.2mm，长度为5～20 mm左右，掺量占混凝土单位体积的0.1%～0.35%。

混凝土在遭受火灾时由于温度急剧上升，混凝土表面容易产生爆裂，这种爆裂常常在受热初期的5～40分钟发生，不仅给结构的安全性造成严重破坏，而且也给避难中的人员带来伤害。对于高强混凝土又因其内部组织的致密性，受热后混凝土内部孔隙中迅速形成的水蒸气压力比普通混凝土大得多，由此产生爆裂的可能性大大提高，爆裂的程度也更加严重。因此在高强混凝土中掺加合成纤维，在遭遇火灾时可及时形成压力舒缓通道，能有效阻止混凝土表面的爆裂。为了考察各种纤维在防爆性能上的差异，技术人员将聚丙烯、丙烯、维尼纶等三种纤维在C60混凝土中各掺入0.1%，试验结果表明分别以聚丙烯纤维最优，维尼纶纤维其次，丙烯纤维位于第三。从防爆机理上可知，聚丙烯纤维能在火灾初期较低温度下融化，减少了纤维体积，迅速形成应力疏散通道，对于及时缓和混凝土内部压力是有利的。进一步的耐火试验证明当温度达到350℃时，聚丙烯纤维的质量减少率约90%，维尼纶为30%，丙烯纤维减少率最小，由此可见聚丙烯纤维在防爆效果上最好。表2是格雷斯公司提供的聚丙烯纤维主要性能指标。

表2 聚丙烯纤维主要指标

通过深入研究可知，当聚丙烯纤维主要用于混凝土裂缝抑制时，它的掺量为0.3kg/m3，为了防止混凝土小片剥落，聚丙烯纤维的掺量可以增加至0.4 kg/m3，为了防止高强混凝土在遭遇火灾时发生爆裂，聚丙烯纤维的掺量应达到0.46kg/m3以上，由此可见用于不同的工程目的聚丙烯纤维掺量也各不相同，实际使用时应该根据纤维的性能指标通过工程实验决定。

3.2 覆盖耐火材料

最近几年以陶瓷为主要原料的防火涂料在工程中得到广泛的应用，涂层厚度仅10mm的这种涂料耐火时间可达1小时，还可根据不同的耐火时间要求采用不同的涂层厚度，与传统的石棉材料的防火性能相比更胜一筹。该涂料与混凝土结构表面具有良好的粘结性，还能起到防锈作用。其表面又可上色，既能达到防火的目的又能使建筑物美观，施工时可采用喷射或涂饰的方式进行，施工后结构表面无粉尘。此外还有一种加热发泡型的耐火卷材，遭受火灾时卷材部分产生泡沫在阻止火势蔓延的同时保护了混凝土结构。这种卷材也可着色，在结构表面黏贴即可，操作简便，黏贴后的卷材表面可达到镜面一样的光洁。通常对柱头黏贴厚度3mm，梁1.5mm就能达到1小时的耐火效果。

3.3 严选粗骨料

钢筋混凝土在高温状态下的膨胀量是受到各种组成材料不同的膨胀量所支配的。如果以单位温度变化时其长度的变化和它在0℃时长度的比值为线膨胀系数进行表征的话，粗骨料的线膨胀系数随母岩的种类不同而异，如花岗岩为1.8～11.9×10-6/℃，安山岩为4.1～10.3×10-6/℃，玄武岩为3.6～9.7×10-6/℃，值得注意的是由于石英质料在570℃以上时将发生晶态构造的转化，体积突然膨胀，因此不能使用石英质作为混凝土骨料。一般认为骨料的线膨胀系数越大混凝土的膨胀系数也越大，在配制混凝土时应优先选用火山岩、高炉矿渣、炼瓦等，其次石灰岩等骨料也可以。人工轻骨料虽有较好的耐热性，但在温度急剧上升时会产生爆裂现象。总之，为了提高混凝土结构的耐火性要选择耐热性好的骨料，避免使用花岗岩及二氧化硅质的骨料。

3.4 其他措施

在普通混凝土结构中为了提高耐火性可以适当增加保护层的厚度，还可将钢丝网或者网眼钢板预埋在保护层混凝土中，此外也可掺入钢纤维防止火灾时混凝土爆裂，提高结构物的耐火性能。

4 结语

国外在火灾安全技术方面进行了广泛的研究应用，在耐火结构领域对CFT柱、钢板约束RC柱、超高强度RC柱以及在这些构造中采取了耐火涂层或者耐火覆盖等技术措施，在混凝土材料方面分别对普通混凝土和高强混凝土高温受热后的内部结构变化及力学性能变化进行了试验比较，其变化规律得到了确认。在混凝土高温下的爆裂机理研究及防爆技术方面同样进行了深入的试验，采用了外掺合成纤维等技术措施达到了较好的效果。以上应对火灾的安全技术在高层建筑、隧道、地下空间等领域都得到了广泛的应用，取得了一定的成效，值得我们重视。

改革开放给我们国家带来了日新月异的变化，大规模基础设施的投入给城乡经济建设注入了新的活力。近年来在城市建设中涌现出大量鳞次栉比的高层住宅，在改善人们居住条件的同时也蕴藏着风险，而地下大深度、大空间设施的开发利用虽然扩展了人类活动的范围，但有限的出入口和半封闭的结构形态又制约了人们避难和消防活动的开展。为了确保城市安全运行，根据建筑物火灾的特征以及作为一种安全对策，加强对混凝土耐爆、耐火性能的研究是很有必要的，这或许是上海11·15特大火灾给予我们深层的启迪。

[1]丹羽博则. スペイン超高层ビル火灾の被害调查报告[J].大林组技术研究所报.No.70 2006

[2]濑贤. 高温加热を受けた高强度コンクリ－トの力学特性の回复にかんする研究[J]. 大林组技术研究所报.No.70 2006

[3]森田武.耐火性[J]. セメント·コンクリ－ト.No.743.Jan. 2009

郑 捷 （1948-），男，高级工程师。

[单位地址]上海市志丹路170弄29号1208室上海建工材料工程有限公司（200065）