●周冬林

(北京西城區(qū)消防支隊(duì)，北京 100032)

當(dāng)前，標(biāo)新立異的高層、超高層及有特殊建筑結(jié)構(gòu)要求的建筑物層出不窮，新建筑材料為其提供了持久性的有效保證。高性能混凝土由于其優(yōu)異的持久性能，得到了快速發(fā)展，但是，高性能混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，結(jié)構(gòu)密實(shí)，脆性更大，滲透性低，因而造成其抗火性能差，尤其是火災(zāi)發(fā)生時(shí)，頻頻在高溫狀態(tài)下發(fā)生爆裂現(xiàn)象。因此，近年來(lái)眾多研究人員通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試圖找到提高高性能混凝土耐火性能的途徑，本文通過(guò)討論高性能混凝土材料在高溫下的性能，提出兩種提高高性能混凝土耐火性能的技術(shù)途徑。

一、高性能混凝土材料在高溫下的性能

(一)強(qiáng)度

火災(zāi)下高性能混凝土強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律大體上可以分為三個(gè)階段，但劃分標(biāo)準(zhǔn)目前有兩種，即按強(qiáng)度損失的特點(diǎn)劃分和按溫度段劃分。按強(qiáng)度損失特點(diǎn)分，國(guó)外文獻(xiàn)一般采用:第一階段，強(qiáng)度的初始損失階段。在溫度從室溫升到100～300℃期間，高性能混凝土強(qiáng)度隨溫度升高而衰減，且混凝土強(qiáng)度越高衰減損失越大。進(jìn)入第二階段，強(qiáng)度的恢復(fù)階段。在強(qiáng)度初始損失到一定階段，由于混凝土內(nèi)的水泥膠體失去自由水而收縮，加強(qiáng)了膠體同骨料間的咬合力致使強(qiáng)度有所回升，有時(shí)甚至超過(guò)混凝土在室溫時(shí)的原始強(qiáng)度。這種回升一般在400℃左右達(dá)到頂峰。緊接著就進(jìn)入了第三階段，強(qiáng)度的永久損失階段。這一階段高性能混凝土強(qiáng)度的衰減及宏觀表現(xiàn)按溫度段劃分，即 200～400℃、400～800℃、800℃以上三個(gè)范圍。高溫下，高性能混凝土的彈性模量值隨溫度呈持續(xù)衰減趨勢(shì)，沒有回升階段。一般來(lái)說(shuō)，溫度在200℃下，高性能混凝土的彈性模量值與室溫相比沒有太大差別;溫度在200～400℃，高性能混凝土的彈性模量值略有下降;到了400℃以上，高性能混凝土的彈性模量值有了顯著的衰減。

(二)脆性

脆性一般指材料在外力作用下，無(wú)明顯的塑性變形而突然破壞的性能或趨勢(shì)?，F(xiàn)以特征長(zhǎng)度lch作為脆性參數(shù)，來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的脆性，lch是一個(gè)組合了能量、剛度和強(qiáng)度參數(shù)的綜合性脆性參數(shù)，lch值越大，混凝土脆性越大。隨加熱溫度增加，lch單調(diào)增加，600℃時(shí)較室溫下增加6倍之多。暴露在高溫中的高強(qiáng)度混凝土，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線與低強(qiáng)混凝土形狀基本一致，但比普通混凝土更陡，更接近線性，并且這種差異保持到約800℃左右。高性能混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的下降段要陡于普通混凝土，即應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖档偷乃俾室笥谄胀ɑ炷粒脖砻鞲咝阅芑炷猎嚰绕胀ɑ炷猎嚰装l(fā)生脆性破壞。

(三)爆裂現(xiàn)象及機(jī)理

爆裂指混凝土構(gòu)件在高溫(火災(zāi))作用下，達(dá)到一定溫度時(shí)，在沒有任何預(yù)兆的情況下表面混凝土突然發(fā)生剝落的現(xiàn)象。爆裂深度深淺不一，較深的可達(dá)75mm。根據(jù)文獻(xiàn)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，可確定在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)條件下，高強(qiáng)高性能混凝土尤其是含有硅灰的密實(shí)性高強(qiáng)高性能混凝土更易發(fā)生爆裂破壞。目前關(guān)于高性能混凝土爆裂機(jī)理的觀點(diǎn)有兩種逐漸突出，即蒸汽壓機(jī)理與熱應(yīng)力機(jī)理。蒸汽壓機(jī)理是指高溫(火災(zāi))下高性能混凝土體內(nèi)所含的水分受熱蒸發(fā)成水蒸氣。水蒸氣無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散排出混凝土的表面而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了蒸汽壓，當(dāng)這種蒸汽壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，即引發(fā)了爆裂。熱應(yīng)力機(jī)理是指高溫(火災(zāi))時(shí)由于混凝土的熱惰性使得熱量傳導(dǎo)不均勻引起混凝土內(nèi)部的溫度梯度，伴隨溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力最終引起混凝土的爆裂。

二、提高高性能混凝土耐火性的技術(shù)途徑

(一)混摻聚丙烯纖維和鋼纖維

改善高性能混凝土抗火性能的最佳途徑是:以適當(dāng)?shù)膿搅吭诟咝阅芑炷林谢鞊骄郾├w維和鋼纖維兩種纖維。其中聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的高溫爆裂，鋼纖維則能提高高性能混凝土經(jīng)歷高溫后的殘余力學(xué)性能。但是只有聚丙烯纖維和鋼纖維的摻量合適才能體現(xiàn)這種效果，否則混摻纖維不僅起不到改善高性能混凝土高溫爆裂的作用，而且還會(huì)降低高性能混凝土高溫前后的力學(xué)性能。在高性能混凝土中單摻體積分?jǐn)?shù)為0.1%的聚丙烯纖維即可明顯改善其抗爆裂性能，但是并不能提高其高溫后的殘余抗壓強(qiáng)度。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，在高性能混凝土中混摻體積分?jǐn)?shù)為0.1%的聚丙烯纖維和80kg·m－3的鋼纖維后，在一定的含濕量條件下，高性能混凝土不會(huì)發(fā)生爆裂，并且經(jīng)歷高溫作用后試件還能夠保持較高的殘余力學(xué)性能和完整的外觀形貌，即能較好地保持混凝土的完整性。高溫后仍能承受較高荷載，在800℃高溫下，混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率為10%左右;爆裂抗拉強(qiáng)度剩余率為20%左右。但是，高溫下混雜纖維混凝土中聚丙烯纖維熔化后留下若干孔洞，形成高壓蒸汽的排出通道，阻止了爆裂的產(chǎn)生，但也因此削弱了混凝土強(qiáng)度，并形成了外部介質(zhì)入侵的連通性通道，從而大大降低了混凝土的耐久性。

(二)外加減水劑及骨料

外加減水劑及骨料對(duì)高性能混凝土的影響有:(1)雙摻礦粉、粉煤灰能夠有效提高混凝土經(jīng)高溫處理后的殘余強(qiáng)度。(2)對(duì)相同水灰比的試樣，聚羧酸高效減水劑比萘系高效減水劑對(duì)混凝土的高溫力學(xué)性能更有利，加入引氣劑后能夠有效的防止混凝土的爆裂現(xiàn)象。(3)在相同條件下，采用玻璃渣作骨料的混凝土經(jīng)高溫處理后的力學(xué)性能明顯好于采用普通砂石作骨料的混凝土。

綜上所述，高性能混凝土是一種低滲透性、低空隙率、含水量小的脆性材料，在現(xiàn)代高層、超高層及大空間建筑內(nèi)得到了普遍應(yīng)用，但是，其耐火性能并不比普通混凝土具有優(yōu)勢(shì)，相反的，由于其具有低滲透性，往往更易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土表面保護(hù)層的爆裂性破壞，使鋼筋暴露于火中。而且，可能導(dǎo)致混凝土橫截面顯著減小而降低混凝土的承載能力，從而使耐火時(shí)間大大降低。并且，在超過(guò)400℃高溫作用下，高性能混凝土強(qiáng)度損失較普通的混凝土下降更多，下降更劇烈。因此，對(duì)于有防火要求的重要結(jié)構(gòu)，混雜纖維、外加減水劑及骨料等手段能提高高性能混凝土的耐火性能，并且混雜纖維混凝土能對(duì)火災(zāi)后鋼筋繼續(xù)起到保護(hù)作用。

［1］鞠艷麗，張雄.聚丙烯纖維對(duì)高溫下混凝土性能的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，31(9).

［2］李敏，錢春香，孫偉.高性能混凝土火災(zāi)后性能變化規(guī)律研究［J］.工業(yè)建筑，2002，32(10):34－36.

［3］劉沐宇，林志威.不同PPF摻量的高性能混凝土高溫后性能研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(2):14－17.

［4］邊松華，朋改非，趙章力，等.含濕量和纖維對(duì)高性能混凝土高溫性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8(3):321－327.

［5］鞠麗艷，張雄.混雜纖維對(duì)高性能混凝土高溫性能的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(1):89－92.