隧道混凝土煙道板抗火性能研究

劉雪勇

(上海城建物資有限公司隧鼎混凝土分公司，上海 200124)

0 引言

特長(zhǎng)隧道火災(zāi)安全問(wèn)題是一個(gè)國(guó)際性難題。由于特長(zhǎng)隧道內(nèi)部狹窄，加之兩側(cè)封閉的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，車(chē)輛及車(chē)上人員疏散困難，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔庠谒淼纼?nèi)的流動(dòng)路徑較長(zhǎng)，所造成的損失十分慘重。在現(xiàn)實(shí)火災(zāi)中，混凝土爆裂已成為結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一［1－2］?；炷两Y(jié)構(gòu)表面受熱后會(huì)產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，且在混凝土底層冷卻后會(huì)出現(xiàn)深度裂紋?；馂?zāi)時(shí)混凝土內(nèi)部蒸汽壓對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生巨大的壓力，加劇襯砌混凝土的剝落、爆裂，甚至造成結(jié)構(gòu)的坍塌;尤其是高強(qiáng)度混凝土，由于其致密、脆性大、滲透性低，導(dǎo)致其抗火性不好，容易爆裂，產(chǎn)生大的塌陷，側(cè)壁也會(huì)失去穩(wěn)定，危及救火人員的生命，造成更大的生命財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于單層襯砌的水下盾構(gòu)隧道，若發(fā)生火災(zāi)，在高水壓和軟土環(huán)境中襯砌修復(fù)工作很難開(kāi)展，這將對(duì)進(jìn)入火災(zāi)事故點(diǎn)附近的消防人員造成極大的安全威脅，進(jìn)而延誤消防人員的救災(zāi)時(shí)間，加劇火災(zāi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞［3－4］。

近幾年來(lái)，我國(guó)在隧道抵抗火災(zāi)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展。在結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方面，目前主要采取在集中排煙模式下的排煙道頂隔板結(jié)構(gòu)來(lái)提高隧道的抗火性和火災(zāi)情況下人員的人身安全。在材料方面，目前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋材料的性能上。采用合適的混凝土摻合料以減小混凝土在火災(zāi)后的裂縫，利用防火材料的特殊性能阻斷部分燃燒能量［5－6］，但對(duì)具有工程實(shí)際使用意義的結(jié)構(gòu)抗火性的全面分析與提高尚有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究，且混凝土結(jié)構(gòu)高溫耐火試驗(yàn)的文獻(xiàn)資料也相當(dāng)少見(jiàn)，特別是燃燒溫度高達(dá)1 200℃的耐火試驗(yàn)更是未見(jiàn)報(bào)道。隧道混凝土煙道板的耐火性能研究是提高隧道火災(zāi)安全性的重要措施，因此，非常有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文針對(duì)上海長(zhǎng)江隧道工程的具體工況，從隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、煙道板耐火設(shè)計(jì)、耐火混凝土配制、混凝土耐火性能評(píng)價(jià)等角度對(duì)隧道混凝土煙道板抗火性能進(jìn)行研究，以全面提高隧道的抗火防爆性。著重對(duì)混凝土煙道板結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火性能試驗(yàn)，評(píng)估其抗火性能，并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，以提高隧道在火災(zāi)條件下的安全可靠性。

1 構(gòu)件耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及煙道板抗火設(shè)計(jì)

隧道煙道板結(jié)構(gòu)防火保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有火災(zāi)升溫曲線(xiàn)和耐火時(shí)間2項(xiàng)內(nèi)容。隧道煙道板構(gòu)件的抗火設(shè)計(jì)及耐火試驗(yàn)與上述2項(xiàng)內(nèi)容密切相關(guān)。其中耐火時(shí)間是衡量結(jié)構(gòu)抗火性能的重要指標(biāo)，在同一火災(zāi)升溫曲線(xiàn)條件下，耐火時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的抗火性越好，隧道煙道板結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間指標(biāo)要求根據(jù)工程設(shè)計(jì)的不同要求各異。對(duì)于隧道火災(zāi)升溫曲線(xiàn)，目前國(guó)際上共有4種(見(jiàn)圖1)，且各有適用范圍。其中:①為適用于開(kāi)敞環(huán)境條件下的碳?xì)浠衔锶紵匦缘那€(xiàn);②為適用于封閉環(huán)境條件下的改良碳?xì)浠衔锶紵匦缘那€(xiàn);①、②碳?xì)浠衔锴€(xiàn)適用于可能發(fā)生小型石油火災(zāi)的隧道，如汽車(chē)油箱、小型汽油罐起火;③為隧道內(nèi)單一車(chē)輛燃燒的RABT曲線(xiàn);④為適用于通行油罐車(chē)或易燃物貨車(chē)的RWS曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)是由荷蘭試驗(yàn)室模擬的最糟糕的火災(zāi)情況(油罐車(chē)燃燒釋放潛熱值為300 MW的熱量，并持續(xù)燃燒120 min)而確定的。

圖1 隧道火災(zāi)升溫曲線(xiàn)Fig.1 Temperature curves of fire

世界各國(guó)的隧道設(shè)計(jì)中，即便采用了同一種火災(zāi)升溫曲線(xiàn)，仍會(huì)根據(jù)自己的國(guó)情、工程條件做適當(dāng)調(diào)整，而國(guó)內(nèi)隧道工程建設(shè)對(duì)于隧道防火設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程。隨著人們對(duì)隧道火災(zāi)危害認(rèn)識(shí)的日益提高，隧道防火的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)逐漸與國(guó)際接軌。目前實(shí)施的GB 50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定:1，2類(lèi)隧道內(nèi)承重結(jié)構(gòu)體應(yīng)采用RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)，3類(lèi)隧道的耐火極限采用HC標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)［7］。

上海長(zhǎng)江隧道長(zhǎng)約8.9 km，內(nèi)徑為13.7 m，外徑為15.0 m，是當(dāng)時(shí)世界上直徑最大的盾構(gòu)隧道之一。該工程為國(guó)家重點(diǎn)工程，對(duì)隧道的防火設(shè)計(jì)極為重視。為提高隧道在火災(zāi)下的抗火安全性，采用集中排煙模式下的排煙道頂隔板結(jié)構(gòu)，并對(duì)煙道板的抗火性能提出了較高的設(shè)計(jì)要求。預(yù)制煙道板橫向跨度為9.6 m，厚度為0.25 m，縱向?qū)挾葹?.2 m，采用 C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為滿(mǎn)足防火防爆裂需要，設(shè)計(jì)要求在混凝土中摻入2.5 kg/m3分散狀單絲聚丙烯纖維。

該工程煙道板屬于1，2類(lèi)隧道內(nèi)的承重結(jié)構(gòu)，從保證隧道抗火安全性的角度出發(fā)，按《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定采用RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)進(jìn)行構(gòu)件耐火試驗(yàn)測(cè)試，其抗火性設(shè)計(jì)要求耐火極限不低于30 min，混凝土結(jié)構(gòu)在火燒30 min時(shí)所產(chǎn)生的損傷不大于中度損傷狀態(tài)(損傷評(píng)級(jí)見(jiàn)表1)。耐火極限的判定標(biāo)準(zhǔn)為:在車(chē)行道上著火后，當(dāng)距離煙道板混凝土底表面25 mm處的鋼筋溫度超過(guò)300℃，或者混凝土表面溫度超過(guò)380 ℃時(shí)［8］。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

混凝土火災(zāi)試驗(yàn)研究表明，由于混凝土中含有水分，當(dāng)受到高溫加熱時(shí)，水蒸汽的膨脹壓力將導(dǎo)致隧道襯砌發(fā)生崩裂的溫度點(diǎn)大大降低。若在混凝土中添加防火纖維，當(dāng)纖維遇熱熔化后，能夠形成一個(gè)水蒸汽通道，減小混凝土內(nèi)部的壓力，防止混凝土高溫下爆裂［9］。

表1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷評(píng)定分級(jí)建議Table 1 Fire damage assessment of shield tunnel structure

防火抗爆裂混凝土配制的關(guān)鍵在于防火抗爆裂材料的選擇上。因此，本工程的耐火混凝土配合比在設(shè)計(jì)時(shí)，除了采用適當(dāng)?shù)乃z比及大量摻加復(fù)合礦物摻合料的技術(shù)手段外，還添加了具有良好耐火防爆性能的聚丙烯纖維，并進(jìn)行耐火試驗(yàn)檢驗(yàn)其防火性能，從而配制出能滿(mǎn)足使用要求的防火抗爆裂纖維混凝土。

2.2 混凝土配合比

配合比主要參數(shù)如表2所示。

表2 配合比主要參數(shù)Table 2 Mixing proportions

2.3 混凝土基本性能

混凝土基本性能如表3所示。

表3 混凝土基本性能Table 3 Concrete performance

3 混凝土耐火性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

本次防火試驗(yàn)從設(shè)備的先進(jìn)性、試驗(yàn)單位的權(quán)威性、燃燒爐升溫曲線(xiàn)的適用性等方面考慮，最終選擇了“遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心”，采用小型臥式爐進(jìn)行試驗(yàn)。使用摻加防火纖維的混凝土制作試件，以鋼筋混凝土試件做對(duì)照，每組試件為2塊，試件尺寸為0.65 m×3.045 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高)。用氣燃燒器在正面點(diǎn)燃燃燒室，在燃燒試驗(yàn)時(shí)操縱和控制燃燒室內(nèi)溫度，用NiCr－Ni殼式熱能元件與遠(yuǎn)程控制記錄系統(tǒng)結(jié)合，參照RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)進(jìn)行溫度控制。在全部測(cè)試過(guò)程中，用熱電偶接收鋼筋混凝土試樣中的溫度。

3.2 耐火試驗(yàn)現(xiàn)象

試件經(jīng)120 min升溫(最高溫度為1 100℃)試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)基本完整。試驗(yàn)期間試件完整性良好，撓曲變形很小，未發(fā)生混凝土爆裂、表層脫落或嚴(yán)重爆裂等現(xiàn)象。從試件的溫度變化圖中(見(jiàn)圖2)可以看出，在火燒30 min時(shí)，混凝土表面的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于380℃，因此，可以判定其耐火極限大于30 min，滿(mǎn)足耐火設(shè)計(jì)要求。

圖2 試件溫度曲線(xiàn)圖Fig.2 Curves of sample temperatures

試件經(jīng)火燒后混凝土呈灰白色，火燒面出現(xiàn)多條不規(guī)則裂縫，試件側(cè)面出現(xiàn)橫向裂縫，試件損傷深度7～10 cm，酥松深度4～7 cm，試件撓度13.95 mm，回彈法測(cè)試的混凝土抗壓強(qiáng)度殘余百分比為53.3%，超聲波聲速比為0.8，試件為中度損傷，符合火災(zāi)損傷評(píng)級(jí)的耐火要求。

4 工程應(yīng)用

通過(guò)對(duì)工作性、力學(xué)性能及耐火性能的測(cè)試，該耐火混凝土完全能滿(mǎn)足上海長(zhǎng)江隧道煙道板的設(shè)計(jì)及工程施工要求;因此，把該耐火混凝土配方應(yīng)用于煙道板的實(shí)際預(yù)制生產(chǎn)中。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題，所有煙道板預(yù)制構(gòu)件均通過(guò)驗(yàn)收，上海長(zhǎng)江隧道工程也已完滿(mǎn)竣工。可以說(shuō)，該耐火混凝土具有較好的防火抗爆性能，在工程應(yīng)用中取得了良好效果。

5 結(jié)論與討論

1)利用RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)進(jìn)行混凝土板耐火試驗(yàn)，驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)的C40混凝土配方具有良好的耐火性能，能滿(mǎn)足上海長(zhǎng)江隧道工程的設(shè)計(jì)與施工要求。

2)在混凝土中加入聚丙烯纖維能使其獲得較好的防火抗爆性能，建議在隧道煙道板的混凝土配方中加入適量的分散狀聚丙烯纖維，摻量為2～3 kg/m3。

3)煙道板混凝土配合比在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮其工作性和力學(xué)性能，還需考慮其耐火性。

從實(shí)際工程需求來(lái)說(shuō)，耐火混凝土的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通商品混凝土。相應(yīng)地，人們對(duì)其關(guān)注也較少，關(guān)于耐火混凝土的配合比設(shè)計(jì)與抗火性能評(píng)價(jià)的相關(guān)研究更是少見(jiàn)。本文研究為隧道煙道板耐火混凝土的應(yīng)用提供了一些參考依據(jù)，對(duì)工程實(shí)施具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，但對(duì)混凝土在高溫下的微觀狀態(tài)及耐火機(jī)制方面尚有待進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者可以抓住近年來(lái)隧道建設(shè)快速發(fā)展這一契機(jī)，對(duì)耐火混凝土的配制及耐火機(jī)制進(jìn)行深入研究，加快耐火混凝土的工程應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)混凝土耐火技術(shù)的快速發(fā)展。

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