馬 輝

（寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司, 寧夏 銀川 750021）

火災(zāi)后混凝土力學(xué)性能的影響因素

馬 輝

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鑒于火災(zāi)對建筑結(jié)構(gòu)的巨大危害，在綜述了混凝土高溫后力學(xué)性能研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，具體從受火溫度、受火時間、冷卻方式和靜置時間四影響個因素對混凝土高溫后力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析、總結(jié)，并對進(jìn)一步需要的解決的問題進(jìn)行了展望。

混凝土；高溫；力學(xué)性能；影響因素

0 引言

火，是人類得以生存和發(fā)展的一種自然力。人類對火的認(rèn)識、使用和掌握，使人類逐步擺脫了茹毛飲血的野蠻時代，開始邁向了文明社會?；穑o人類帶來光明和溫暖，帶來了健康和智慧，促進(jìn)了人類物質(zhì)文明的不斷發(fā)展，在人類文明發(fā)展史上有極其重要的意義。與其他事物一樣，火亦是一把雙刃劍，火若被濫用或失去控制便會是一場災(zāi)難。常言道水火無情，一旦發(fā)生火災(zāi)，必將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，釀成一幕幕人間悲劇。

火災(zāi)是指在時間或空間上失去控制的燃燒。在各種災(zāi)害中，火災(zāi)發(fā)生的頻度位居各種災(zāi)害之首，其中絕大多數(shù)的火災(zāi)發(fā)生在建筑和構(gòu)筑物中，而在高溫作用下，建筑材料的性能惡化、結(jié)構(gòu)承載力下降，以致給人類的生命、財產(chǎn)、資源、環(huán)境造成巨大危害。據(jù)統(tǒng)計，每年的火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)社會生產(chǎn)總值的千分之二，死亡人數(shù)達(dá)10萬人[1]。例如：2012年2月17日的俄羅斯彼爾姆市“瘸腿馬”夜總會火災(zāi)，造成142人死亡，26人嚴(yán)重?zé)齻?980年底的日本楊木縣藤原叮川治溫泉王子飯店發(fā)生火災(zāi),傷亡約70人,經(jīng)濟(jì)損失折合人民幣達(dá)400萬元[2]，等等。隨著城市化的發(fā)展，世界各國的火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)及造成的損失還在逐步攀升，世人更是聞火色變！回到國內(nèi)來看，當(dāng)前我國面臨的火災(zāi)形勢依然不容樂觀，火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)和損失也是相當(dāng)慘重！據(jù)公安部消防局官方消息，2016年全國共接報火災(zāi)31.2萬起，亡1582人，傷1065人，直接財產(chǎn)損失37.2億元，其中，較大火災(zāi)64起。

混凝土作為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)材料用于土木工程已有一百多年的歷史，在目前的建筑材料中發(fā)揮著不可或缺的作用。目前，建筑火災(zāi)的高度頻發(fā)及其造成的巨大危害，進(jìn)一步促使人們不斷加深了對建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的認(rèn)識。而關(guān)于混凝土高溫后力學(xué)性能的相關(guān)研究已很多，且比較成熟。本文：在綜述混凝土高溫后力學(xué)性能研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，具體從受火溫度、受火時間、冷卻方式和高溫后的靜置時間四個因素對混凝土高溫后力學(xué)性能的具體影響作用。

1 高溫后混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

隨著城市化進(jìn)程的加快，各種因素致使建筑火災(zāi)變得易發(fā)、多發(fā)、頻發(fā)，而在我國及世界各國中，混凝土結(jié)構(gòu)依然是建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，并且在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)仍然是主要的建筑結(jié)構(gòu)形式。為應(yīng)對防范建筑火災(zāi)的發(fā)生及減少災(zāi)后不必要的損失和傷害，國內(nèi)外不少專家、學(xué)者針對災(zāi)后混凝土的力學(xué)性能都展開了各自的研究。

相關(guān) 混凝土高溫后力學(xué)性能的研究主要集中在如下幾個方面：呂天啟等[3]研究了受火溫度、冷卻及養(yǎng)護(hù)方式和靜置時間等因素對高溫后靜置混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)性能的影響，給出了高溫后靜置混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低值的時間，同時給出了混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后實施補(bǔ)強(qiáng)加固的合理時間的建議，并建立了各力學(xué)指標(biāo)的擬合回歸公式。賈福平等[4]研究了受高溫影響混凝土抗壓強(qiáng)度隨高溫后的靜置時間和冷卻方式的變化規(guī)律，給出了高溫后混凝土結(jié)構(gòu)物適宜修復(fù)時間，同時通過掃描電子顯微鏡分析和X射線衍射分析技術(shù)，研究了高溫前后混凝土水化產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)的變化，揭示了高溫對混凝土宏觀影響的機(jī)理；梁愛莉等[5]對強(qiáng)度等級分別為 C20、C25 和 C30的硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料混凝土立方體試塊進(jìn)行了高溫后的抗壓強(qiáng)度試驗，混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度隨受火溫度、冷卻方式、骨料類型、靜置時間和強(qiáng)度等級等因素的變化規(guī)律。李麗娟[6]等對100 MPa的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了高溫試驗, 研究了經(jīng)500℃ 和800 ℃ 高溫作用后試件的外觀、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律及其質(zhì)量損失，與此同時，運(yùn)用掃描電鏡觀察了高溫后水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)變化。陳宗平等[7]通過設(shè)計24個棱柱體試件高溫后進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗，研究高溫后混凝土材料的力學(xué)性能，主要考慮火災(zāi)溫度對試件破壞形態(tài)、變形性能、剩余承載能力的影響。實驗結(jié)果表明: 試件隨著受火溫度的升高，混凝土試件的表面顏色發(fā)生改變，并伴隨龜裂現(xiàn)象，質(zhì)量變輕; 峰值應(yīng)力降低，而峰值應(yīng)變總體呈增大趨勢。

2 混凝土高溫后力學(xué)性能的影響因素

從上世紀(jì)四十年代開始，國內(nèi)外相關(guān)專家、學(xué)者對高溫后凝土的力學(xué)性能做了較全面的研究，在高溫后混凝土力學(xué)性能的影響因素方面成果豐碩，通過整理、發(fā)現(xiàn)：為了更好的模擬現(xiàn)實生產(chǎn)生活中發(fā)生的不同大小的火災(zāi)情況，大多數(shù)實驗皆通過設(shè)置不同的高溫條件（主要從：受火溫度、受火時間、冷卻方式及靜置時間等幾個方面），從而來研究混凝土在不同高溫條件下力學(xué)性能的變化規(guī)律。

2.1 受火溫度

通過對比多篇文章的試驗和數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：在混凝土高溫試驗中，為了更好的模擬實際火災(zāi)情況，對混凝土的高溫作用溫度設(shè)置一般從室溫到1000℃，試驗結(jié)論也是比較一致：300℃以內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，溫度在400℃以后，抗壓強(qiáng)度隨溫度升高持續(xù)下降。在100～300℃溫度段，混凝土內(nèi)未水化的水泥顆粒在“濕熱”條件下得以繼續(xù)水化，對混凝土強(qiáng)度增長有利；同時，內(nèi)部自由水的散失，使結(jié)構(gòu)空隙增大，對混凝土強(qiáng)度的降低產(chǎn)生一定影響；300℃過后，混凝土內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠的脫水分解、骨料和水泥砂漿基體的熱變形不一致、石英晶型的轉(zhuǎn)變及碳酸鈣的復(fù)分解反應(yīng)都使的混凝土骨架結(jié)構(gòu)變得疏松，嚴(yán)重劣化了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

羅迎社[8]對強(qiáng)度等級 C35的 15個混凝土試件在室溫到850℃高溫作用后進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗，亦指出：與室溫下相比，混凝土抗壓強(qiáng)度250℃下幾乎不變，450℃降低25%，650℃降低55%，850℃降低85%，承載力基本喪失。

2.2 受火時間

中南大學(xué)資偉、余志武等[9]通過混凝土試塊在不同受火溫度和時間噴水冷卻條件下其剩余抗壓強(qiáng)度的試驗研究，給出了高溫后混凝土試塊的受壓破壞特征和混凝土剩余抗壓強(qiáng)度與受火溫度和受火時間的耦合關(guān)系。實驗研究表明：噴水冷卻的混凝土剩余抗壓強(qiáng)度隨著受火溫度的升高和受火時間的增加整體上呈逐步降低的趨勢；同時指出，在受火時間不超過100分鐘或受火溫度較低不超過500℃時，混凝土剩余抗壓強(qiáng)度反而有所上升，對于這種現(xiàn)象，作者給出了這樣的解釋：因為在較低受火溫度或較短受火時間作用時，混凝土內(nèi)部形成的“濕熱”環(huán)境促進(jìn)了混凝土內(nèi)部未水化的水泥熟料進(jìn)一步水化完全，此時高溫對混凝土強(qiáng)度的有利作用大于其分解、變形不協(xié)調(diào)等不利作用。

2.3 冷卻方式

通過總結(jié)國內(nèi)外大量研究成果，發(fā)現(xiàn)：一般的，高溫后澆水冷卻的混凝土試件其外觀損壞較自然冷卻嚴(yán)重，質(zhì)量損失量大。對于高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度，中國礦業(yè)大學(xué)的賈福萍,呂恒林等[10]對不同尺寸混凝土立方體試塊的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同受熱溫度、不同冷卻方式條件下進(jìn)行了測試,分析了高溫后冷卻方式對混凝土力學(xué)性能退化的影響。結(jié)果表明：相對于常溫混凝土試塊，高溫后混凝土強(qiáng)度和變形性能與受熱溫度和冷卻方式有著較大相關(guān)性，自然冷卻和噴淋冷卻的試塊峰值應(yīng)力隨溫度的升高逐漸減小，但較常溫下其極限受壓變形性能均增大。同時指出：冷卻方式的不同對混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響不同，250℃自然冷卻的試塊抗壓強(qiáng)度較噴淋冷卻的大；而450℃和650℃自然冷卻的強(qiáng)度較噴淋冷卻的低；在850℃高溫作用后的混凝土試件在正常環(huán)境放置7 d后發(fā)生坍塌，強(qiáng)度完全喪失。

翟越、鄧子辰等[11]通過將C35 的商品混凝土試件進(jìn)行 300、600、800℃ 高溫作用后，分別采用自然和澆水兩種方式冷卻，再將試件靜置 3周以上進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗。分析了不同溫度和不同冷卻方式對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究表明：相對于常溫下試件，澆水冷卻和高溫對混凝土試件物理化學(xué)特性及劈裂抗拉強(qiáng)度影響很大，而且作用溫度越高這種影響比自然冷卻的越明顯，主要表現(xiàn)在當(dāng)溫度超過300℃后，與自然冷卻的試件相比，澆水冷卻的拉伸強(qiáng)度下降程度明顯要大。并根據(jù)試驗結(jié)果建立了考慮冷卻方式影響的三段式溫度－冷卻損傷演化方程，確定了出相應(yīng)的特征參數(shù)。

2.4 高溫后靜置時間

現(xiàn)實中，在火災(zāi)發(fā)生后，建筑物的倒塌大多是在火災(zāi)結(jié)束后的一定時間段內(nèi)，而不是火災(zāi)發(fā)生的過程中。對于其中的原因，專家、學(xué)者們通過進(jìn)行大量相關(guān)模擬實驗研究。其中，大連理工大學(xué)的呂天啟等[12]對混凝土高溫后力學(xué)性能隨溫度、靜置時間、冷卻及冷卻后的養(yǎng)護(hù)方式等的變化進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)：對于自然

冷卻、自然養(yǎng)護(hù)的混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨靜置時間的延長先減小后增大，后趨于平穩(wěn)。并指出隨溫度升高抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時間后移。對于澆水冷卻、自然養(yǎng)護(hù)和澆水冷卻和潮濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨靜置時間的延長亦先降低，不同的是，之后抗壓強(qiáng)度保持恒定或緩慢上升。同時指出，受熱溫度小于300℃時，混凝土抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時間在14～28d；受熱溫度大于300℃時，混凝土抗壓強(qiáng)度最小值的出現(xiàn)時間在1～7d。這對災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的維修加固時間具有重要的使用價值。

對于災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)物適宜的修復(fù)時間，賈福平等[13]將邊長一百毫米的立方體試件在經(jīng)歷250℃、450℃、650℃后，分別采用自然、噴淋兩種方式冷卻，并靜置不同時間（1、3、7、14、28、56d）后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。給出了更具體的建議：自然冷卻下，250℃和450℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強(qiáng)度最低，650℃高溫作用靜置28d的試件抗壓強(qiáng)度最低；噴淋冷卻下，250℃高溫作用靜置7d的試件抗壓強(qiáng)度最低，450℃和650℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強(qiáng)度最低。

3 結(jié)論及展望

目前，國內(nèi)外關(guān)于混凝土火災(zāi)后力學(xué)性能的研究相對比較全面，在受火溫度、受火時間、冷卻方式和靜置時間對混凝土力學(xué)性能的影響方面成果豐碩，結(jié)論較為統(tǒng)一。但整理發(fā)現(xiàn)：對于長期受間歇性高溫作用條件下的、動荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學(xué)性能的研究鮮有文獻(xiàn)報道，可見對實驗條件的設(shè)置不夠全面，為能更好為現(xiàn)實的工程解決提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，急需展開對混凝土不同工作條件下的力學(xué)性能研究。

[1]路春森等.建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計.北京:中國建材工業(yè)出版社,1995.

[2]閡明保,李延和,高本立等.建筑物火災(zāi)后診斷與處理.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

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[11]翟越,鄧子辰,艾曉芹. 冷卻方式和高溫對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響[J]. 工業(yè)建筑,2015,(07):113-117.

[12]呂天啟,趙國藩,林志伸. 高溫后靜置混凝土力學(xué)性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2004,(01):63-70.

[13]賈福萍,王永春,渠艷艷,程勇,曹卜予. 冷卻方式和靜置時間對高溫后混凝土殘余強(qiáng)度影響[J]. 建筑材料學(xué)報,2011,(03):400-405.

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1007-6344（2017）10-0287-02

馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業(yè)服務(wù)有限公司