混凝土的耐爆、耐火性能淺述

鄭捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

混凝土的耐爆、耐火性能淺述

鄭捷

(上海建工材料工程有限公司，上海 200065)

基于相關(guān)文獻(xiàn)的分析研究，本文就建筑火災(zāi)對(duì)混凝土內(nèi)部化學(xué)、構(gòu)造、力學(xué)性能的影響以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情況作一淺述，并從城市安全運(yùn)行角度直言混凝土耐爆、耐火性能研究的必要性。

建筑火災(zāi)；混凝土結(jié)構(gòu)；爆裂；耐火性能

1 前言

2010年11月15日下午2時(shí)許，上海市區(qū)一幢28層的居民樓發(fā)生火災(zāi)，百余輛消防車(chē)投入滅火，歷經(jīng)4個(gè)多小時(shí)，這是建國(guó)以來(lái)所發(fā)生的極為罕見(jiàn)的特大火災(zāi)。所造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、社會(huì)影響都是極其巨大的。無(wú)獨(dú)有偶，2005年2月12日深夜，在西班牙首都馬德里市中心一幢正進(jìn)行外墻改建的高106m，地上32層的大樓也曾發(fā)生過(guò)一起特大火災(zāi)，火災(zāi)起始于21層，短時(shí)間內(nèi)迅速向上及向下蔓延，以致4層以上樓層全被大火吞噬，造成17層以上建筑物周邊框架崩塌。該大樓基本情況如表1所示。

表1 建筑物基本情況

所幸事發(fā)當(dāng)日適逢休息日，無(wú)人員傷亡，事后經(jīng)勘察決定4層以上構(gòu)筑物全部解體，歷時(shí)一年。上述兩起高層建筑特大火災(zāi)折射出高層建筑在消防設(shè)計(jì)、排煙系統(tǒng)、避難通道、火災(zāi)安全性能評(píng)價(jià)、建筑結(jié)構(gòu)等方面存在諸多問(wèn)題，同時(shí)也考驗(yàn)了混凝土的耐火性能。為此本文將國(guó)外學(xué)者就建筑火災(zāi)對(duì)混凝土內(nèi)部化學(xué)、構(gòu)造、力學(xué)性能的影響以及如何提高混凝土的耐爆性能和耐火性能等研究情況作一淺述，以起到借鑒作用。

2 高溫下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)性能

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

混凝土在高溫作用下其結(jié)構(gòu)變化主要是由水泥化合物變化而產(chǎn)生的。當(dāng)溫度在100℃左右時(shí)，混凝土中只失去自由水，隨著溫度的升高，水泥化合物中的Ca(OH)2及鋁酸鹽水化物中的結(jié)晶水、C–S–H凝膠中的結(jié)合水以及凝膠孔、毛細(xì)管孔壁都會(huì)產(chǎn)生激烈的脫水現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，C–S–H水化物在100～300℃時(shí)，鋁酸鹽水化物在300℃左右，消石灰在500～600℃時(shí)呈現(xiàn)脫水狀態(tài)。在混凝土內(nèi)部細(xì)孔構(gòu)造方面，分別為w/c=0.25及w/c=0.50的不同水灰比混凝土隨著溫度的升高孔徑隨之?dāng)U大，總細(xì)孔量隨溫度的升高而增加。從常溫加熱至200℃時(shí)，細(xì)孔半徑增大程度僅是由0.01μm增大到0.02μm，加熱至300℃時(shí)，細(xì)孔半徑則從0.02μm增大到0.04μm，同時(shí)0.01～0.02μm的細(xì)孔半徑相繼減少。伴隨著細(xì)孔構(gòu)造的脫水，混凝土裂縫大量產(chǎn)生，至1000℃前后由于CaCO3產(chǎn)生氣體分解，混凝土強(qiáng)度幾近完全喪失。

2.2 力學(xué)性能

由于水泥化合物、骨料、混凝土、鋼筋在高溫作用下膨脹量各不相同，以致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力降低，通常情況下骨料和鋼筋隨著溫度的增高膨脹量也隨之增大，因此高溫時(shí)混凝土將隨著溫度的上升膨脹量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致體積變化加劇。滅火以后，混凝土熱脹冷縮所產(chǎn)生的不同體積變化將引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的松弛，促使混凝土強(qiáng)度的降低。高溫時(shí)混凝土強(qiáng)度的變化如圖1所示。

圖1顯示當(dāng)溫度上升至100℃時(shí)混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度在200～300℃范圍時(shí)混凝土強(qiáng)度基本上可回復(fù)到常溫時(shí)，這主要是因?yàn)槲此牧Ｗ佑捎跍囟鹊纳叽龠M(jìn)了水化而導(dǎo)致的，然而溫度達(dá)400℃以上時(shí)，隨著溫度上升混凝土強(qiáng)度呈直線下降的趨勢(shì)。上述混凝土強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律無(wú)論是普通混凝土還是高強(qiáng)混凝土都有著驚人的一致性。在抗拉強(qiáng)度方面，水膠比為0.25～0.50的混凝土受熱后抗拉強(qiáng)度的下降百分比較抗壓強(qiáng)度略為增大，同樣混凝土的彈性模量也是隨著溫度的升高而降低，600℃時(shí)僅為常溫的10%左右。

2.3 高溫時(shí)的混凝土爆裂現(xiàn)象

近年來(lái)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑在大中城市得到迅猛發(fā)展，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)僅上海一地就達(dá)1萬(wàn)多棟。作為主要材料的鋼筋混凝土，在遭受火災(zāi)后隨著溫度的上升，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生各種應(yīng)力，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力主要有混凝土中的孔隙水受熱轉(zhuǎn)化為水蒸汽產(chǎn)生的應(yīng)力；混凝土表面膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力；混凝土結(jié)構(gòu)受到荷重而產(chǎn)生的應(yīng)力。上述應(yīng)力在火災(zāi)過(guò)程中得到積聚，在共同作用下其強(qiáng)度超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，保護(hù)層部分混凝土就將發(fā)生爆裂，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋完全被裸露，因此高溫時(shí)混凝土的爆裂不僅危害到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，而且直接危害到避難中的人們。

3 提高混凝土耐爆、耐火性能的技術(shù)途徑

3.1 外摻合成纖維

由以上分析可知，火災(zāi)時(shí)高溫引起的混凝土表面爆裂是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的急劇膨脹所造成的，因此如果能夠在膨脹應(yīng)力迅速增加的同時(shí)在混凝土內(nèi)部建立一種通道，使應(yīng)力及時(shí)得到疏導(dǎo)釋放就有可能防止！纖維受熱融化，在混凝土內(nèi)部生成一定數(shù)量的微細(xì)空洞，所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力通過(guò)這些空洞得到釋放，從而避免了混凝土的爆裂。一般這種纖維的直徑在0.012～0.2mm，長(zhǎng)度為5～20 mm左右，摻量占混凝土單位體積的0.1%～0.35%。

混凝土在遭受火災(zāi)時(shí)由于溫度急劇上升，混凝土表面容易產(chǎn)生爆裂，這種爆裂常常在受熱初期的5～40分鐘發(fā)生，不僅給結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重破壞，而且也給避難中的人員帶來(lái)傷害。對(duì)于高強(qiáng)混凝土又因其內(nèi)部組織的致密性，受熱后混凝土內(nèi)部孔隙中迅速形成的水蒸氣壓力比普通混凝土大得多，由此產(chǎn)生爆裂的可能性大大提高，爆裂的程度也更加嚴(yán)重。因此在高強(qiáng)混凝土中摻加合成纖維，在遭遇火災(zāi)時(shí)可及時(shí)形成壓力舒緩?fù)ǖ溃苡行ё柚够炷帘砻娴谋选榱丝疾旄鞣N纖維在防爆性能上的差異，技術(shù)人員將聚丙烯、丙烯、維尼綸等三種纖維在C60混凝土中各摻入0.1%，試驗(yàn)結(jié)果表明分別以聚丙烯纖維最優(yōu)，維尼綸纖維其次，丙烯纖維位于第三。從防爆機(jī)理上可知，聚丙烯纖維能在火災(zāi)初期較低溫度下融化，減少了纖維體積，迅速形成應(yīng)力疏散通道，對(duì)于及時(shí)緩和混凝土內(nèi)部壓力是有利的。進(jìn)一步的耐火試驗(yàn)證明當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)，聚丙烯纖維的質(zhì)量減少率約90%，維尼綸為30%，丙烯纖維減少率最小，由此可見(jiàn)聚丙烯纖維在防爆效果上最好。表2是格雷斯公司提供的聚丙烯纖維主要性能指標(biāo)。

表2 聚丙烯纖維主要指標(biāo)

通過(guò)深入研究可知，當(dāng)聚丙烯纖維主要用于混凝土裂縫抑制時(shí)，它的摻量為0.3kg/m3，為了防止混凝土小片剝落，聚丙烯纖維的摻量可以增加至0.4 kg/m3，為了防止高強(qiáng)混凝土在遭遇火災(zāi)時(shí)發(fā)生爆裂，聚丙烯纖維的摻量應(yīng)達(dá)到0.46kg/m3以上，由此可見(jiàn)用于不同的工程目的聚丙烯纖維摻量也各不相同，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該根據(jù)纖維的性能指標(biāo)通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)決定。

3.2 覆蓋耐火材料

最近幾年以陶瓷為主要原料的防火涂料在工程中得到廣泛的應(yīng)用，涂層厚度僅10mm的這種涂料耐火時(shí)間可達(dá)1小時(shí)，還可根據(jù)不同的耐火時(shí)間要求采用不同的涂層厚度，與傳統(tǒng)的石棉材料的防火性能相比更勝一籌。該涂料與混凝土結(jié)構(gòu)表面具有良好的粘結(jié)性，還能起到防銹作用。其表面又可上色，既能達(dá)到防火的目的又能使建筑物美觀，施工時(shí)可采用噴射或涂飾的方式進(jìn)行，施工后結(jié)構(gòu)表面無(wú)粉塵。此外還有一種加熱發(fā)泡型的耐火卷材，遭受火災(zāi)時(shí)卷材部分產(chǎn)生泡沫在阻止火勢(shì)蔓延的同時(shí)保護(hù)了混凝土結(jié)構(gòu)。這種卷材也可著色，在結(jié)構(gòu)表面黏貼即可，操作簡(jiǎn)便，黏貼后的卷材表面可達(dá)到鏡面一樣的光潔。通常對(duì)柱頭黏貼厚度3mm，梁1.5mm就能達(dá)到1小時(shí)的耐火效果。

3.3 嚴(yán)選粗骨料

鋼筋混凝土在高溫狀態(tài)下的膨脹量是受到各種組成材料不同的膨脹量所支配的。如果以單位溫度變化時(shí)其長(zhǎng)度的變化和它在0℃時(shí)長(zhǎng)度的比值為線膨脹系數(shù)進(jìn)行表征的話，粗骨料的線膨脹系數(shù)隨母巖的種類(lèi)不同而異，如花崗巖為1.8～11.9×10-6/℃，安山巖為4.1～10.3×10-6/℃，玄武巖為3.6～9.7×10-6/℃，值得注意的是由于石英質(zhì)料在570℃以上時(shí)將發(fā)生晶態(tài)構(gòu)造的轉(zhuǎn)化，體積突然膨脹，因此不能使用石英質(zhì)作為混凝土骨料。一般認(rèn)為骨料的線膨脹系數(shù)越大混凝土的膨脹系數(shù)也越大，在配制混凝土?xí)r應(yīng)優(yōu)先選用火山巖、高爐礦渣、煉瓦等，其次石灰?guī)r等骨料也可以。人工輕骨料雖有較好的耐熱性，但在溫度急劇上升時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象。總之，為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性要選擇耐熱性好的骨料，避免使用花崗巖及二氧化硅質(zhì)的骨料。

3.4 其他措施

在普通混凝土結(jié)構(gòu)中為了提高耐火性可以適當(dāng)增加保護(hù)層的厚度，還可將鋼絲網(wǎng)或者網(wǎng)眼鋼板預(yù)埋在保護(hù)層混凝土中，此外也可摻入鋼纖維防止火災(zāi)時(shí)混凝土爆裂，提高結(jié)構(gòu)物的耐火性能。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外在火災(zāi)安全技術(shù)方面進(jìn)行了廣泛的研究應(yīng)用，在耐火結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)FT柱、鋼板約束RC柱、超高強(qiáng)度RC柱以及在這些構(gòu)造中采取了耐火涂層或者耐火覆蓋等技術(shù)措施，在混凝土材料方面分別對(duì)普通混凝土和高強(qiáng)混凝土高溫受熱后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)性能變化進(jìn)行了試驗(yàn)比較，其變化規(guī)律得到了確認(rèn)。在混凝土高溫下的爆裂機(jī)理研究及防爆技術(shù)方面同樣進(jìn)行了深入的試驗(yàn)，采用了外摻合成纖維等技術(shù)措施達(dá)到了較好的效果。以上應(yīng)對(duì)火災(zāi)的安全技術(shù)在高層建筑、隧道、地下空間等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，取得了一定的成效，值得我們重視。

改革開(kāi)放給我們國(guó)家?guī)?lái)了日新月異的變化，大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施的投入給城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)注入了新的活力。近年來(lái)在城市建設(shè)中涌現(xiàn)出大量鱗次櫛比的高層住宅，在改善人們居住條件的同時(shí)也蘊(yùn)藏著風(fēng)險(xiǎn)，而地下大深度、大空間設(shè)施的開(kāi)發(fā)利用雖然擴(kuò)展了人類(lèi)活動(dòng)的范圍，但有限的出入口和半封閉的結(jié)構(gòu)形態(tài)又制約了人們避難和消防活動(dòng)的開(kāi)展。為了確保城市安全運(yùn)行，根據(jù)建筑物火災(zāi)的特征以及作為一種安全對(duì)策，加強(qiáng)對(duì)混凝土耐爆、耐火性能的研究是很有必要的，這或許是上海11·15特大火災(zāi)給予我們深層的啟迪。

[1]丹羽博則. スペイン超高層ビル火災(zāi)の被害調(diào)查報(bào)告[J].大林組技術(shù)研究所報(bào).No.70 2006

[2]瀨賢. 高溫加熱を受けた高強(qiáng)度コンクリ－トの力學(xué)特性の回復(fù)にかんする研究[J]. 大林組技術(shù)研究所報(bào).No.70 2006

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

鄭 捷 （1948-），男，高級(jí)工程師。

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