火灾后混凝土力学性能的影响因素

马 辉

（宁夏银帝物业服务有限公司, 宁夏 银川 750021）

火灾后混凝土力学性能的影响因素

马 辉

（宁夏银帝物业服务有限公司, 宁夏 银川 750021）

鉴于火灾对建筑结构的巨大危害，在综述了混凝土高温后力学性能研究现状的基础上，具体从受火温度、受火时间、冷却方式和静置时间四影响个因素对混凝土高温后力学性能的影响进行了分析、总结，并对进一步需要的解决的问题进行了展望。

混凝土；高温；力学性能；影响因素

0 引言

火，是人类得以生存和发展的一种自然力。人类对火的认识、使用和掌握，使人类逐步摆脱了茹毛饮血的野蛮时代，开始迈向了文明社会。火，给人类带来光明和温暖，带来了健康和智慧，促进了人类物质文明的不断发展，在人类文明发展史上有极其重要的意义。与其他事物一样，火亦是一把双刃剑，火若被滥用或失去控制便会是一场灾难。常言道水火无情，一旦发生火灾，必将会造成巨大的经济损失与人员伤亡，酿成一幕幕人间悲剧。

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧。在各种灾害中，火灾发生的频度位居各种灾害之首，其中绝大多数的火灾发生在建筑和构筑物中，而在高温作用下，建筑材料的性能恶化、结构承载力下降，以致给人类的生命、财产、资源、环境造成巨大危害。据统计，每年的火灾经济损失可达社会生产总值的千分之二，死亡人数达10万人[1]。例如：2012年2月17日的俄罗斯彼尔姆市“瘸腿马”夜总会火灾，造成142人死亡，26人严重烧伤；1980年底的日本杨木县藤原叮川治温泉王子饭店发生火灾,伤亡约70人,经济损失折合人民币达400万元[2]，等等。随着城市化的发展，世界各国的火灾发生的次数及造成的损失还在逐步攀升，世人更是闻火色变！回到国内来看，当前我国面临的火灾形势依然不容乐观，火灾发生的次数和损失也是相当惨重！据公安部消防局官方消息，2016年全国共接报火灾31.2万起，亡1582人，伤1065人，直接财产损失37.2亿元，其中，较大火灾64起。

混凝土作为主导的结构材料用于土木工程已有一百多年的历史，在目前的建筑材料中发挥着不可或缺的作用。目前，建筑火灾的高度频发及其造成的巨大危害，进一步促使人们不断加深了对建筑结构火灾的认识。而关于混凝土高温后力学性能的相关研究已很多，且比较成熟。本文：在综述混凝土高温后力学性能研究现状的基础上，具体从受火温度、受火时间、冷却方式和高温后的静置时间四个因素对混凝土高温后力学性能的具体影响作用。

1 高温后混凝土力学性能研究现状

随着城市化进程的加快，各种因素致使建筑火灾变得易发、多发、频发，而在我国及世界各国中，混凝土结构依然是建筑结构的主要形式之一，并且在今后相当长的时期内仍然是主要的建筑结构形式。为应对防范建筑火灾的发生及减少灾后不必要的损失和伤害，国内外不少专家、学者针对灾后混凝土的力学性能都展开了各自的研究。

相关 混凝土高温后力学性能的研究主要集中在如下几个方面：吕天启等[3]研究了受火温度、冷却及养护方式和静置时间等因素对高温后静置混凝土的抗压强度、弹性模量和应力-应变关系等力学性能的影响，给出了高温后静置混凝土抗压强度达到最低值的时间，同时给出了混凝土结构火灾后实施补强加固的合理时间的建议，并建立了各力学指标的拟合回归公式。贾福平等[4]研究了受高温影响混凝土抗压强度随高温后的静置时间和冷却方式的变化规律，给出了高温后混凝土结构物适宜修复时间，同时通过扫描电子显微镜分析和X射线衍射分析技术，研究了高温前后混凝土水化产物显微结构的变化，揭示了高温对混凝土宏观影响的机理；梁爱莉等[5]对强度等级分别为 C20、C25 和 C30的硅质骨料和钙质骨料混凝土立方体试块进行了高温后的抗压强度试验，混凝土高温后抗压强度随受火温度、冷却方式、骨料类型、静置时间和强度等级等因素的变化规律。李丽娟[6]等对100 MPa的高强混凝土进行了高温试验, 研究了经500℃ 和800 ℃ 高温作用后试件的外观、抗压强度、抗折强度和劈裂拉伸强度的变化规律及其质量损失，与此同时，运用扫描电镜观察了高温后水泥净浆的微观结构变化。陈宗平等[7]通过设计24个棱柱体试件高温后进行轴心抗压强度试验，研究高温后混凝土材料的力学性能，主要考虑火灾温度对试件破坏形态、变形性能、剩余承载能力的影响。实验结果表明: 试件随着受火温度的升高，混凝土试件的表面颜色发生改变，并伴随龟裂现象，质量变轻; 峰值应力降低，而峰值应变总体呈增大趋势。

2 混凝土高温后力学性能的影响因素

从上世纪四十年代开始，国内外相关专家、学者对高温后凝土的力学性能做了较全面的研究，在高温后混凝土力学性能的影响因素方面成果丰硕，通过整理、发现：为了更好的模拟现实生产生活中发生的不同大小的火灾情况，大多数实验皆通过设置不同的高温条件（主要从：受火温度、受火时间、冷却方式及静置时间等几个方面），从而来研究混凝土在不同高温条件下力学性能的变化规律。

2.1 受火温度

通过对比多篇文章的试验和数据，发现：在混凝土高温试验中，为了更好的模拟实际火灾情况，对混凝土的高温作用温度设置一般从室温到1000℃，试验结论也是比较一致：300℃以内混凝土抗压强度变化不大，温度在400℃以后，抗压强度随温度升高持续下降。在100～300℃温度段，混凝土内未水化的水泥颗粒在“湿热”条件下得以继续水化，对混凝土强度增长有利；同时，内部自由水的散失，使结构空隙增大，对混凝土强度的降低产生一定影响；300℃过后，混凝土内部水化硅酸钙凝胶的脱水分解、骨料和水泥砂浆基体的热变形不一致、石英晶型的转变及碳酸钙的复分解反应都使的混凝土骨架结构变得疏松，严重劣化了混凝土的抗压强度。

罗迎社[8]对强度等级 C35的 15个混凝土试件在室温到850℃高温作用后进行了抗压强度试验，亦指出：与室温下相比，混凝土抗压强度250℃下几乎不变，450℃降低25%，650℃降低55%，850℃降低85%，承载力基本丧失。

2.2 受火时间

中南大学资伟、余志武等[9]通过混凝土试块在不同受火温度和时间喷水冷却条件下其剩余抗压强度的试验研究，给出了高温后混凝土试块的受压破坏特征和混凝土剩余抗压强度与受火温度和受火时间的耦合关系。实验研究表明：喷水冷却的混凝土剩余抗压强度随着受火温度的升高和受火时间的增加整体上呈逐步降低的趋势；同时指出，在受火时间不超过100分钟或受火温度较低不超过500℃时，混凝土剩余抗压强度反而有所上升，对于这种现象，作者给出了这样的解释：因为在较低受火温度或较短受火时间作用时，混凝土内部形成的“湿热”环境促进了混凝土内部未水化的水泥熟料进一步水化完全，此时高温对混凝土强度的有利作用大于其分解、变形不协调等不利作用。

2.3 冷却方式

通过总结国内外大量研究成果，发现：一般的，高温后浇水冷却的混凝土试件其外观损坏较自然冷却严重，质量损失量大。对于高温后混凝土的抗压强度，中国矿业大学的贾福萍,吕恒林等[10]对不同尺寸混凝土立方体试块的全应力-应变曲线在不同受热温度、不同冷却方式条件下进行了测试,分析了高温后冷却方式对混凝土力学性能退化的影响。结果表明：相对于常温混凝土试块，高温后混凝土强度和变形性能与受热温度和冷却方式有着较大相关性，自然冷却和喷淋冷却的试块峰值应力随温度的升高逐渐减小，但较常温下其极限受压变形性能均增大。同时指出：冷却方式的不同对混凝土的抗压强度的影响不同，250℃自然冷却的试块抗压强度较喷淋冷却的大；而450℃和650℃自然冷却的强度较喷淋冷却的低；在850℃高温作用后的混凝土试件在正常环境放置7 d后发生坍塌，强度完全丧失。

翟越、邓子辰等[11]通过将C35 的商品混凝土试件进行 300、600、800℃ 高温作用后，分别采用自然和浇水两种方式冷却，再将试件静置 3周以上进行巴西圆盘劈裂试验。分析了不同温度和不同冷却方式对混凝土劈裂抗拉强度的影响。研究表明：相对于常温下试件，浇水冷却和高温对混凝土试件物理化学特性及劈裂抗拉强度影响很大，而且作用温度越高这种影响比自然冷却的越明显，主要表现在当温度超过300℃后，与自然冷却的试件相比，浇水冷却的拉伸强度下降程度明显要大。并根据试验结果建立了考虑冷却方式影响的三段式温度－冷却损伤演化方程，确定了出相应的特征参数。

2.4 高温后静置时间

现实中，在火灾发生后，建筑物的倒塌大多是在火灾结束后的一定时间段内，而不是火灾发生的过程中。对于其中的原因，专家、学者们通过进行大量相关模拟实验研究。其中，大连理工大学的吕天启等[12]对混凝土高温后力学性能随温度、静置时间、冷却及冷却后的养护方式等的变化进行了试验研究，发现：对于自然

冷却、自然养护的混凝土试件抗压强度随静置时间的延长先减小后增大，后趋于平稳。并指出随温度升高抗压强度最小值的出现时间后移。对于浇水冷却、自然养护和浇水冷却和潮湿养护的混凝土试件抗压强度随静置时间的延长亦先降低，不同的是，之后抗压强度保持恒定或缓慢上升。同时指出，受热温度小于300℃时，混凝土抗压强度最小值的出现时间在14～28d；受热温度大于300℃时，混凝土抗压强度最小值的出现时间在1～7d。这对灾后建筑结构的维修加固时间具有重要的使用价值。

对于灾后混凝土结构物适宜的修复时间，贾福平等[13]将边长一百毫米的立方体试件在经历250℃、450℃、650℃后，分别采用自然、喷淋两种方式冷却，并静置不同时间（1、3、7、14、28、56d）后，进行抗压强度试验。给出了更具体的建议：自然冷却下，250℃和450℃高温作用静置14d的试件抗压强度最低，650℃高温作用静置28d的试件抗压强度最低；喷淋冷却下，250℃高温作用静置7d的试件抗压强度最低，450℃和650℃高温作用静置14d的试件抗压强度最低。

3 结论及展望

目前，国内外关于混凝土火灾后力学性能的研究相对比较全面，在受火温度、受火时间、冷却方式和静置时间对混凝土力学性能的影响方面成果丰硕，结论较为统一。但整理发现：对于长期受间歇性高温作用条件下的、动荷载下的及高温与荷载耦合作用下力学性能的研究鲜有文献报道，可见对实验条件的设置不够全面，为能更好为现实的工程解决提供理论依据和技术指导，急需展开对混凝土不同工作条件下的力学性能研究。

[1]路春森等.建筑结构耐火设计.北京:中国建材工业出版社,1995.

[2]阂明保,李延和,高本立等.建筑物火灾后诊断与处理.南京:江苏科学技术出版社,1994.

[3]吕天启，赵国藩，林志伸 . 高温后静置混凝土的微观分析[J].建筑材料学报,2003,6( 1) : 35-41.

[4]贾福萍,王永春,渠艳艳,等. 冷却方式和静置时间对高温后混凝土残余强度影响[J]. 建筑材料学报,2011,03:400-405.

[5]梁爱莉,张倩茜,袁广林,董亚男. 混凝土高温后抗压强度的影响因素研究[J].煤炭学报,2010, 12: 2049- 2052.

[6] 李丽娟,谢伟锋,刘锋,等. 100 MPa 高强混凝土高温后性能研究. 建筑材料学报，2008,11（1）:100-104.

[7]陈宗平,王欢欢,陈宇良. 高温后混凝土的力学性能试验研究[J].混凝土,2015,01:13-17.

[8]罗迎社,陈超,唐松花,张璇. 高温下混凝土的抗压强度试验研究[J]. 湘潭大学自然科学学报,2013,(02):30-34+40.

[9] 资伟,余志武,匡亚川,等. 受火温度和时间对喷水冷却后混凝土剩余抗压强度的影响[J]. 中南大学学报 (自然科学版), 2013,44(4): 1545-1550.

[10]贾福萍,吕恒林,崔艳莉,渠艳艳,王永春. 不同冷却方式对高温后混凝土性能退化研究[J]. 中国矿业大学学报,2009,(01):25-29.

[11]翟越,邓子辰,艾晓芹. 冷却方式和高温对混凝土劈裂抗拉强度影响[J]. 工业建筑,2015,(07):113-117.

[12]吕天启,赵国藩,林志伸. 高温后静置混凝土力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2004,(01):63-70.

[13]贾福萍,王永春,渠艳艳,程勇,曹卜予. 冷却方式和静置时间对高温后混凝土残余强度影响[J]. 建筑材料学报,2011,(03):400-405.

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马辉（1981-8-06），女，回族，宁夏银川人，任职于宁夏银帝物业服务有限公司