火災后混凝土材料性能損失統計研究

劉建軍，張亞明

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 前言

近年來隨著建筑物高層化、規模化、功能用途復雜化及密集化程度加劇，火災的發生因素也隨之增加，規模日益擴大。建筑防火作為建筑防火的一個分支，已經引起社會的關注。現在火災時有發生，造成了巨大的人員死傷與財產損失，也留下了許多過火后的建筑物，鋼結構耐火性能差，火災中的鋼結構坍塌較多，鋼筋混凝土結構由于其耐火性能較好，災后多數都能通過加固處理后繼續使用。

對災后鋼筋混凝土結構的研究主要著力于結構材料的損傷程度的確定，主要包括構件溫度場分布情況，鋼筋和混凝土的強度衰減狀況。尤其高強度材料在現代建筑中的應用越來越廣泛，應該引起注意。對于材料過火后的材性損失的分析與確定，為后續的過火后結構加固與重建工作提供可參考的依據。

1 普通混凝土高溫后特性

混凝土的抗壓強度是混凝土性能的重要性能參數，尤其在受過高溫后，混凝土材料的強度衰減狀況，更是災后受火結構檢測、鑒定的重中之重，為后期的結構加固或拆除提供依據。影響高溫后混凝土抗壓強度的因素主要有：粗骨料種類、混凝土常溫強度、高溫后冷卻方式、最不利溫度以及受最不利溫度作用時間。正是由于影響因素的不確定性和難以定量化增加了對過火后混凝土強度衰減的研究難度。

混凝土的彈性模量是混凝土另一個重要性能參數，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，對于判斷構件受火災影響后的延性變化和承載力的降低有著重要的意義。混凝土的抗壓強度和彈性模量受高溫后的折減情況分別見圖1和圖2。

圖1是高溫后混凝土材料抗壓強度折減對比曲線，觀察曲線可知：

①文獻[1]、[2]、[3]、[4]中普通混凝土抗拉強度折減系數分布曲線曲率變化較為接近，但是強度損失點不同，這是由混凝土的材料組成區別造成的。文獻[1]中使用的材料是硅酸鹽水泥，文獻[2]中使用的是兩種骨料，分別是石灰石和花崗石。由圖中曲線可見花崗石、石灰石骨料混凝土的高溫后抗壓強度比硅酸鹽骨料混凝土高，這與文獻[4]中總結的結論是一致的。文獻[4]則是總結了當前過火后混凝土材料的強度折減，由該文獻提供的數據繪制出圖中的曲線，強度的折減并不是迅速的下降，衰減速率忽高忽低，與其他曲線相比，變化不規則不均勻。

②文獻[5]則是采用不同冷卻方式進行研究，可以看出自然冷卻條件下材料強度折減比噴水冷卻要高一些。分析原因是噴水冷卻使得材料表面與內部受熱不均，同時溫度急劇下降，材料的組成成分之間的應變差瞬間加劇，形成微裂縫使得材料的強度下降較多。文獻[6]同樣采用的自然冷卻，其混凝土強度折減曲線與文獻[5]自然冷卻的曲線符合的較好，說明不同冷卻方式對高溫后混凝土抗壓強度會產生一定的影響。

③文獻[7]對不同骨料混凝土進行分類研究，由圖中曲線可以看出鈣質骨料混凝土在高溫作用后強度衰減低于硅質骨料，其過火性能較后者要優秀一些。這與有關文獻資料的結論有所不同。分析原因是由于試驗的方法和原材料的配合比等因素存在差異。

圖2中給出了目前過火后混凝土彈性模量折減對比曲線，觀察曲線可知。

①文獻[1]采用的是不同強度等級的混凝土試件進行的實驗，由圖中曲線可知高強度混凝土的彈性模量折減明顯小于普通混凝土材料。可見材料的強度等級對混凝土的彈性模量影響較大。

②文獻[8]采用的是兩種不同的冷卻方式，但是曲線基本重疊，可以看出不同的冷卻方式對高溫后混凝土的彈性模量折減影響并不大。

③綜合全部曲線可以得知混凝土在受熱達到700℃時，其彈性模量基本降低至常溫下的5%左右，已經喪失承載力。

④文獻[9]指出高強度混凝土在高溫作用后的彈性模量的變化與普通混凝凝土是極為類似的。400℃是其彈模變化的臨界點，400℃之前降低較小，之后則加速衰減，600℃時降為常溫下的25%，800℃時只有常溫下的20%。雖然衰減的趨勢相似，但是高強度混凝土的彈模殘余量明顯高于普通混凝土。

高溫后混凝土結構中混凝土材料的剩余彈性模量直接影響結構的剩余剛度，當彈性模量過低時，結構不具備足夠的剛度和承載力去維持結構的正常使用。因此，對混凝土結構中混凝土材料的彈性模量進行研究是非常重要的。

2 過火后普通混凝土材料材性變化趨勢擬合

過火后混凝凝土的強度、彈性模量折減擬合曲線是建立在對現有的相關方面試驗數據的分類整理基礎上的。數據資料均來源于各大高校專業研究文獻，經過擬合后得出可信度95%以上的擬合計算公式。

2.1 過火后普通混凝土抗壓強度衰減

對過火后混凝土抗壓強度衰減按照兩種類別進行：一種是按照骨料的種類分類，另一種是按照冷卻方式分類，經過這樣分組后，得出的擬合結果較為理想，且易于應用在工程實踐中應用。

圖3、圖4是按照這兩種分類方法收集的數據繪制的分布圖及擬合曲線。

圖3、圖4中的數據是將收集到的相關文獻數據使用數據提取工具提取出實驗數據轉換成excel表格后，對數據進行分類后得到的試驗數據散點圖。

圖3中混凝土按照骨料類型分類后可以看出，在大量的數據擬合后得到硅質骨料的過火后混凝土抗壓強度衰減較鈣質骨料要緩慢，但是二者的整體衰減趨勢接近，無明顯的材性質變點。二者強度衰減差值不超過15%，衰減平緩、均勻。

圖4中是按照不同冷卻方式對實驗數據進行分類的結果，從圖中可以看出隨著溫度的升高，噴水冷卻方式對混凝土抗壓強度衰減影響越來越大。分析原因是因為溫度越高，表面噴水后使得內外的溫度差越大，不同截面間的溫度應力差越大，混凝土材料中的微裂縫開展越多，整體的強度衰減越嚴重。

基于上述統計數據，得出過火后混凝土材料抗壓強度變化擬合公式如下：

混凝土抗壓強度折減系數計算公式：

普通混凝土抗壓強度折減計算公式：

硅質骨料：

鈣質骨料：

噴水冷卻：

自然冷卻：

式中：Kfcut——混凝土抗壓強度折減系數

fcu,t——混凝土在高溫冷卻后的抗壓強度

fcu——混凝土常溫下抗壓強度

T——混凝土受火最高溫度

2.2 過火后普通混凝土彈性模量衰減

圖5是過火后普通混凝土材料彈性模量衰減數據收集與擬合曲線。

由圖5擬合曲線可以看出普通混凝土彈性模量隨溫度衰減狀況基本與前述的文獻內容吻合，也說明了普通混凝土材料彈性模量變化是具有普遍性的。

基于上述統計數據，得出過火后混凝土材料彈性模量變化擬合公式如下。

混凝土彈性模量折減系數計算公式：

普通混凝土彈性模量折減計算公式：

式中：KEt0——混凝土彈性模量折減系數

Eto——混凝土在高溫冷卻后的彈性模量

Et——混凝土常溫下彈性模量

T——混凝土受火最高溫度

3 結 論

火災后鋼筋混凝土結構的材料性能在一定程度上均會產生不同程度的降低，這些材性的折損主要受到最不利溫度、材料自身強度以及冷卻方式的影響。

①鈣質骨料混凝土的高溫后抗壓強度比硅質骨料混凝土低。

②噴水冷卻方式對混凝土材料材性降低有明顯的影響，相較于自然冷卻材性降低速度快、幅度大。

③高強度混凝土的抗高溫性能不及普通混凝土。

④普通混凝土彈性模量衰減較為穩定平緩，沒有起伏。

文中給出了過火后普通混凝土材料的抗壓強度及彈性模量折算公式，希望對火災后相關混凝土結構的鑒定與加固提供一定的借鑒及依據。

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