高性能混凝土耐火性能及对策探讨

●周冬林

(北京西城区消防支队，北京 100032)

当前，标新立异的高层、超高层及有特殊建筑结构要求的建筑物层出不穷，新建筑材料为其提供了持久性的有效保证。高性能混凝土由于其优异的持久性能，得到了快速发展，但是，高性能混凝土与传统混凝土相比，结构密实，脆性更大，渗透性低，因而造成其抗火性能差，尤其是火灾发生时，频频在高温状态下发生爆裂现象。因此，近年来众多研究人员通过大量的实验验证，试图找到提高高性能混凝土耐火性能的途径，本文通过讨论高性能混凝土材料在高温下的性能，提出两种提高高性能混凝土耐火性能的技术途径。

一、高性能混凝土材料在高温下的性能

(一)强度

火灾下高性能混凝土强度随温度的变化规律大体上可以分为三个阶段，但划分标准目前有两种，即按强度损失的特点划分和按温度段划分。按强度损失特点分，国外文献一般采用: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，高性能混凝土强度随温度升高而衰减，且混凝土强度越高衰减损失越大。进入第二阶段，强度的恢复阶段。在强度初始损失到一定阶段，由于混凝土内的水泥胶体失去自由水而收缩，加强了胶体同骨料间的咬合力致使强度有所回升，有时甚至超过混凝土在室温时的原始强度。这种回升一般在400℃左右达到顶峰。紧接着就进入了第三阶段，强度的永久损失阶段。这一阶段高性能混凝土强度的衰减及宏观表现按温度段划分，即 200～400℃、400～800℃、800℃以上三个范围。高温下，高性能混凝土的弹性模量值随温度呈持续衰减趋势，没有回升阶段。一般来说，温度在200℃下，高性能混凝土的弹性模量值与室温相比没有太大差别;温度在200～400℃，高性能混凝土的弹性模量值略有下降;到了400℃以上，高性能混凝土的弹性模量值有了显著的衰减。

(二)脆性

脆性一般指材料在外力作用下，无明显的塑性变形而突然破坏的性能或趋势。现以特征长度lch作为脆性参数，来评价混凝土的脆性，lch是一个组合了能量、刚度和强度参数的综合性脆性参数，lch值越大，混凝土脆性越大。随加热温度增加，lch单调增加，600℃时较室温下增加6倍之多。暴露在高温中的高强度混凝土，其应力－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，并且这种差异保持到约800℃左右。高性能混凝土的应力－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，也表明高性能混凝土试件比普通混凝土试件更易发生脆性破坏。

(三)爆裂现象及机理

爆裂指混凝土构件在高温(火灾)作用下，达到一定温度时，在没有任何预兆的情况下表面混凝土突然发生剥落的现象。爆裂深度深浅不一，较深的可达75mm。根据文献有关实验资料，可确定在适当的试验条件下，高强高性能混凝土尤其是含有硅灰的密实性高强高性能混凝土更易发生爆裂破坏。目前关于高性能混凝土爆裂机理的观点有两种逐渐突出，即蒸汽压机理与热应力机理。蒸汽压机理是指高温(火灾)下高性能混凝土体内所含的水分受热蒸发成水蒸气。水蒸气无法及时扩散排出混凝土的表面而在混凝土内部产生了蒸汽压，当这种蒸汽压达到一定数值时，即引发了爆裂。热应力机理是指高温(火灾)时由于混凝土的热惰性使得热量传导不均匀引起混凝土内部的温度梯度，伴随温度梯度而产生的热应力最终引起混凝土的爆裂。

二、提高高性能混凝土耐火性的技术途径

(一)混掺聚丙烯纤维和钢纤维

改善高性能混凝土抗火性能的最佳途径是:以适当的掺量在高性能混凝土中混掺聚丙烯纤维和钢纤维两种纤维。其中聚丙烯纤维可以改善高性能混凝土的高温爆裂，钢纤维则能提高高性能混凝土经历高温后的残余力学性能。但是只有聚丙烯纤维和钢纤维的掺量合适才能体现这种效果，否则混掺纤维不仅起不到改善高性能混凝土高温爆裂的作用，而且还会降低高性能混凝土高温前后的力学性能。在高性能混凝土中单掺体积分数为0.1%的聚丙烯纤维即可明显改善其抗爆裂性能，但是并不能提高其高温后的残余抗压强度。根据有关试验结果表明，在高性能混凝土中混掺体积分数为0.1%的聚丙烯纤维和80kg·m－3的钢纤维后，在一定的含湿量条件下，高性能混凝土不会发生爆裂，并且经历高温作用后试件还能够保持较高的残余力学性能和完整的外观形貌，即能较好地保持混凝土的完整性。高温后仍能承受较高荷载，在800℃高温下，混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率为10%左右;爆裂抗拉强度剩余率为20%左右。但是，高温下混杂纤维混凝土中聚丙烯纤维熔化后留下若干孔洞，形成高压蒸汽的排出通道，阻止了爆裂的产生，但也因此削弱了混凝土强度，并形成了外部介质入侵的连通性通道，从而大大降低了混凝土的耐久性。

(二)外加减水剂及骨料

外加减水剂及骨料对高性能混凝土的影响有:(1)双掺矿粉、粉煤灰能够有效提高混凝土经高温处理后的残余强度。(2)对相同水灰比的试样，聚羧酸高效减水剂比萘系高效减水剂对混凝土的高温力学性能更有利，加入引气剂后能够有效的防止混凝土的爆裂现象。(3)在相同条件下，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。

综上所述，高性能混凝土是一种低渗透性、低空隙率、含水量小的脆性材料，在现代高层、超高层及大空间建筑内得到了普遍应用，但是，其耐火性能并不比普通混凝土具有优势，相反的，由于其具有低渗透性，往往更易发生爆裂现象，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。并且，在超过400℃高温作用下，高性能混凝土强度损失较普通的混凝土下降更多，下降更剧烈。因此，对于有防火要求的重要结构，混杂纤维、外加减水剂及骨料等手段能提高高性能混凝土的耐火性能，并且混杂纤维混凝土能对火灾后钢筋继续起到保护作用。

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