高強混凝土高溫爆裂行為改善措施的研究進展

雪凱旺，苗 苗 ，周 健

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

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高強混凝土高溫爆裂行為改善措施的研究進展

雪凱旺，苗 苗 ，周 健

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

科學技術的進步促進了高強混凝土的廣泛應用。但是，由于高強混凝土高密實度、低滲透性的特點，致使其在高溫或火災條件下易出現爆裂現象。本文主要從摻加纖維、調整原材料、涂覆防火材料三個方面對目前高強混凝土高溫爆裂行為的改善措施進行了總結。結果表明：通過摻加纖維、調整原材料、涂覆防火材料等措施可以不同程度的提高高強混凝土的耐高溫性能。綜合利用不同的改善措施可以更好地抑制高強混凝土的高溫爆裂行為。

高強混凝土； 爆裂； 改善措施； 綜述

1 引 言

混凝土作為世界上最常用的建筑材料，其組成成分一般包括膠凝材料、骨料、水、化學外加劑和礦物摻合料等。在過去幾十年中，隨著混凝土技術的迅速發展，特別是粉體技術與高性能化學外加劑的發展和應用，高強混凝土，超高強混凝土的制備與應用也變得越來越普及[1,2]。

然而，高強混凝土密實的微觀結構雖然可以帶來優良的力學性能和耐久性能，但是在高溫或火災條件下卻會變為自身的一種缺點從而產生負面效應。大量研究表明[3-6]：在高溫或火災條件下，與普通混凝土相比，高強混凝土由于其自身的密實性，更容易發生破壞，其破壞形式一般是表面剝落或爆裂，且爆裂前沒有明顯的預兆。混凝土一旦發生表面剝落或爆裂，不僅承載能力將大大降低，而且爆裂產生的裂縫也會加速混凝土內部的碳化，致使鋼筋銹蝕，裂縫還為其它侵蝕性介質的進入提供了通道，嚴重影響了混凝土的耐久性[6-9]。因此，提高混凝土的耐高溫性能就顯得尤為重要。本文主要從摻加纖維、調整原材料、涂覆防火材料三個方面嘗試總結關于高強混凝土高溫爆裂行為改善措施的研究進展。

2 摻加纖維

根據摻加纖維的彈性模量的不同，可將其分為低彈性模量纖維和高彈性模量纖維。不同類型的纖維對高強混凝土高溫爆裂行為的改善效果也不盡相同[5]。

2.1 摻加低彈性模量纖維

低彈性模量纖維是纖維彈性模量小于基體的纖維，大多是聚合物纖維。通過摻加低彈性模量纖維來改善高強混凝土的高溫爆裂行為是基于蒸汽壓致爆機理[10-12]。該理論認為混凝土爆裂是由孔隙內物質(空氣，水蒸汽和液態水) 的變化引起蒸汽壓所致。混凝土在受熱的過程中，當基體內部的蒸汽壓大于其自身的抗拉強度時，就會出現剝落或爆裂行為。

元成方，Bilodeau等[13-16]研究了聚丙烯纖維混凝土的高溫損傷特征，對聚丙烯纖維混凝土的表觀和內部損傷以及微觀形貌進行了分析。研究認為：聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的高溫防爆性能，抑制混凝土裂縫的產生和發展，提高混凝土的耐火極限，且可以有效的提高高溫后混凝土的動彈性模量及其力學性能。而王靜[17]的研究結果表明：雖然摻加聚丙烯纖維可以有效抑制混凝土表面裂縫的產生和發展，但是當溫度大于800 ℃時，摻加聚丙烯纖維對混凝土的動彈性模量并沒有顯著的影響。Guncheol Lee等[18]研究認為：尼龍纖維和聚丙烯纖維對防止高強混凝土受熱狀態下爆裂都有較好的效果，同時摻加尼龍纖維和聚丙烯纖維時，防爆裂效果更好。國內外學者對于適宜的纖維摻量和纖維尺寸等也做出了大量的研究。常傳鵬[13]研究了不同長度和摻量的聚丙烯纖維對不同溫度場下(200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃)混凝土防爆裂性能的影響。研究表明：纖維摻量增加有利于試件的抗爆裂性能；當摻量相同時，纖維長度越長抵抗爆裂效果則越好。蔣玉川等[19]研究表明：單摻體積分數為0.05%的網狀聚丙烯纖維或PVA纖維可防止高性能混凝土發生高溫爆裂，且隨著纖維摻量的增大，混凝土的高溫損傷程度逐漸減小。Arabi[14]研究了摻加聚丙烯纖維的自密實混凝土在200～600 ℃高溫下的行為特點，結果表明：當聚丙烯纖維摻量為0.5%時，經歷高溫的混凝土試件各項性能仍然較好。謝靜[20]的研究結果表明：摻加長度為15 mm，直徑為35 μm的聚丙烯纖維對高強混凝土高溫性能的改善效果最好。Kalifa等[15]研究認為：長度在10～20 mm之間、直徑50～200 μm之間的聚丙烯纖維能夠抑制高性能混凝土高溫下的爆裂行為，摻量一般為2 kg/m3左右。尹強[21]研究了不同聚丙烯纖維摻量(0.6%，1.2%，1.8%，2.4%)的C60高強混凝土在不同溫度條件下(常溫，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃)的各項力學性能指標。研究表明：聚丙烯纖維摻量為1.2～1.8 kg/m3時對改善高強混凝土高溫后力學性能的效果最佳。Bilodeau[16]的研究也表明：纖維摻量和纖維長度對提高混凝土的耐高溫性能都有較大的影響，當選用長度為12.5 mm的聚丙烯纖維時只需摻入1.2 kg/m3就可達到較好的抑制效果；當選用長度為20 mm的聚丙烯纖維時需摻入3.5 kg/m3才能達到較好的抑制效果。

上述研究都表明：在高強混凝土中適量摻入以聚丙烯纖維為代表的低彈性模量纖維，依靠纖維融化時形成的孔隙可以有效緩解混凝土基體內部的蒸汽壓，從而有效抑制了混凝土的高溫爆裂行為。

2.2 摻加高彈性模量纖維

高彈性模量纖維是纖維彈性模量大于基體的纖維，常用的有鋼纖維、碳纖維等。通過摻加高彈性模量纖維來改善高強高性能混凝土的高溫爆裂行為基于熱應力致爆機理[6,22-24]。該理論認為：混凝土在受熱過程中，其自身的熱惰性會導致混凝土內部熱量傳導不均勻，產生很大的溫度梯度，進而產生兩向或三向的熱應力。隨著溫度的升高，熱應力不斷累積，當其值大于混凝土自身的抗拉強度時，就會出現剝落或爆裂行為。亂向分布于混凝土內部的鋼纖維、碳纖維不僅可以很好地傳遞熱量，緩解基體內部的熱應力；其自身又可以和基體產生一定的錨固作用，增大了混凝土的抗拉強度，從而有效抑制混凝土的高溫爆裂行為[25,26]。

段旭杰，Olutoge 等[27-30]的研究結果表明：摻加鋼纖維或碳纖維可以顯著提高混凝土在不同溫度和加載速率下的動態抗壓強度，提高混凝土的抗高溫性能，且能降低混凝土高溫后滲透性的增長幅度和強度損失率。Sideris K[34]研究認為：摻加鋼纖維只能提高混凝土發生爆裂的初始溫度或延長發生爆裂的初始時間，但不能阻止爆裂的發生。此外，對于適宜的纖維摻量和纖維尺寸，國內外學者也做出了大量的研究[31-33]。段旭杰[27]研究表明：摻加體積摻量為0.8%的鋼纖維(長度為30 mm，直徑為50 μm)即可阻止混凝土發生高溫爆裂，增加摻量至1.2%、1.5%皆能抑制爆裂的發生，且混凝土高溫后滲透性的增大幅度隨鋼纖維體積摻量的增大而降低。范飛林[28]對不同碳纖維摻量(體積摻量分別為0，0.1%，0.2%，0.3%)的混凝土在不同溫度(常溫，200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃)下的沖擊力學性能進行了研究。研究認為：碳纖維的長度為6 mm直徑為7 μm相對摻量為0.1%時最有利于提高混凝土的耐高溫性能。Olutoge等[29]的研究結果表明：摻加體積摻量為1%的鋼纖維，混凝土的劈裂抗拉強度可增加79%。秦李林[30]研究表明：摻加2%～3%的鋼纖維(平均長度為13 mm，直徑為200～220 μm)可有效抑制活性粉末混凝土高溫條件下爆裂的發生，且同時能夠提高試件常溫及高溫后的立方體抗壓強度。劉紅彬等[32]的研究表明：試件中心溫度為250℃左右時，活性粉末混凝土會發生爆裂，而摻加2%的鋼纖維可使試件爆裂破壞程度顯著降低。陳煒等[33]通過抗壓強度試驗及超聲波檢測，研究了不同溫度作用后碳纖維堿激發粉煤灰礦渣混凝土的損傷特征。研究結果表明：摻入長度為6 mm直徑為7 μm的碳纖維可以減緩高溫對試件聲波波形形態引起的畸變，對高溫后的抗壓性能也具有一定的增強效果。

上述研究表明：在高強混凝土中適量摻入以碳纖維，鋼纖維為代表的高彈性模量纖維，依靠纖維優良的導熱性能，可以有效緩解混凝土基體內部的熱應力，從而有效抑制了混凝土的高溫爆裂行為。

2.3 復合摻加高彈性模量纖維和低彈性模量纖維

復合摻加高彈性模量纖維和低彈性模量纖維在抑制混凝土爆裂方面可以起到比單摻更加顯著的效果。這種復合化的技術思路對材料高性能化有重要意義，可用公式1+1>2來表示。王正友，Bentz等[35-38]的研究結果表明：在高性能混凝土中復合摻入碳纖維和鋼纖維在某種程度上能夠抑制混凝土內部裂縫的產生和擴展，但是會造成高溫時基體內部的孔隙壓力得不到緩解，最終會加劇混凝土的破壞程度。而復合摻加聚丙烯纖維和鋼纖維或聚丙烯纖維和碳纖維則可以有效抑制混凝土在受熱狀態下的爆裂行為，提高混凝土的耐高溫性能，并且保證混凝土經歷高溫后仍能承受較高的荷載[39-41]。李海艷等[37]研究認為：單摻2%的鋼纖維或單摻0.3%的聚丙烯纖維都可以有效抑制活性粉末混凝土發生爆裂，而復合摻加兩種纖維(2%的鋼纖維和0.1%的聚丙烯纖維)的抑制效果更優。張秀芝[39]等在不同溫度下，對C35和C70纖維增強混凝土試件進行了試驗研究。結果表明：復合摻加體積百分數為0.1%的聚丙烯纖維與0.5%的鋼纖維可以有效降低混凝土高溫后的強度損失率。高丹盈等[41]的研究結果表明：復合摻加鋼纖維(長度為32 mm直徑為560 μm)和聚丙烯纖維(長度為19 mm直徑為48 μm)的高強混凝土在800 ℃高溫的條件下仍未發生爆裂。

3 調整原材料

大量研究表明：高強混凝土在高溫狀態下的爆裂行為與其原材料的種類和品質有著密不可分的關系[42-45]。李友群等[42]研究了粗骨料種類對高強混凝土高溫爆裂性能的影響，結果表明：粗骨料的品種是影響高強混凝土高溫性能的主要因素之一，所以應嚴格選擇粗骨料的品種；以石灰石為骨料的高強混凝土在高溫條件下可明顯推遲裂縫出現的時間，并提高裂縫出現的溫度[46-49]；鐵元素或其他金屬礦物含量高的骨料會加快混凝土的傳熱速度，使混凝土發生爆裂的溫度明顯降低。Kodur等[43]認為：高溫條件下，碳質骨料高強混凝土的最大爆裂程度可以達截面面積的40%，而硅質骨料高強混凝土的最大爆裂程度只有截面面積的10%。謝一飛等[44]用廢玻璃取代40%的天然砂制備玻璃砂混凝土。研究表明：廢玻璃部分取代混凝土的天然砂，可有效抑制混凝土在高溫狀態下裂縫的產生和發展；且制備的玻璃砂高強混凝土高溫后的強度下降小于天然砂高強混凝土。劉鋒等[45]研究表明：摻入粒徑為0.42 mm的橡膠粉對高強混凝土的高溫爆裂行為有明顯的抑制作用；摻入橡膠粉的高強混凝土，其強度會有所下降，但其脆性卻可以得到較好的改善，且橡膠粉粒徑為0.42 mm，摻入量為1%(5.6 kg/m3)時，高強混凝土的抗壓性能最好。F.Hernandez-Olivaresa等[46]的研究結果表明：加入橡膠顆粒能有效改善高強混凝土的高溫爆裂行為，減小爆裂破壞的深度，還能有效改善混凝土的耐磨性能。王建民等[47]研究了陶粒混凝土經過高溫加熱并自然冷卻后，抗壓強度，彈性模量等相關參數的變化規律。結論表明：與普通混凝土相比，陶粒混凝土的立方體和棱柱體殘余抗壓強度明顯較大，而彈性模量的下降幅度明顯較小，具有良好的潛在的防火性能。除了調整骨料的種類和品質外，摻加礦物摻合料或化學外加劑也是提高高性能混凝土高溫性能的重要措施。鐘祥凰[48]研究表明：雙摻礦粉、粉煤灰有利于提高混凝土的高溫抗爆性能，且能夠有效提高混凝土經高溫作用后的殘余強度；在水灰比相同的條件下，摻加聚羧酸高效減水劑的混凝土試件的高溫力學性能優于摻加萘系高效減水劑的混凝土試件，且加入引氣劑后能夠有效抑制混凝土的高溫爆裂行為。賈福萍等[49]研究表明：粉煤灰摻量對粉煤灰混凝土的爆裂性能影響較大，50%摻量的粉煤灰混凝土的抗爆裂性能要優于30%和40%摻量的粉煤灰混凝土，而對于摻加硅灰的大摻量粉煤灰混凝土，其抗爆裂性能變化不明顯。Poon等[50]的試驗也表明粉煤灰摻合料有助于抑制混凝土的高溫爆裂行為。

上述研究表明：調整原材料也是抑制混凝土高溫爆裂行為的重要途徑之一。可以通過調整骨料種類，嚴格控制骨料品質，用陶粒、玻璃、橡膠粒等取代或部分取代骨料，摻加粉煤灰等摻合料，加入高效減水劑、引氣劑等途徑有效提高混凝土的耐高溫性能。

4 涂覆防火材料

大量研究表明：涂覆防火材料可以有效提高高強混凝的耐高溫性能[51-54]。根據高溫下涂層厚度變化的不同，可將常用的防火涂料分為膨脹型和非膨脹型兩種。膨脹型防火涂料涂層的厚度一般是3～7 mm，又稱為薄型防火涂料。該防火涂料在遇火以后，自身會發泡膨脹，形成多空碳質層，其厚度也會增加十幾倍甚至幾十倍，所以可以有效的阻擋外部高溫對基材的傳熱，從而可以有效抑制高強混凝土在高溫狀態下的爆裂行為，提高混凝土的耐高溫性能。非膨脹型防火涂料涂層厚度一般為8～50 mm，因此又稱為厚型防火涂料。該防火涂料耐火極限較高，本身具有良好的隔熱性，所以可對混凝土的高溫性能起到良好的改善作用[55,56]。

曹偉軍[52]研究表明：在600 ℃的高溫條件下恒溫加熱1 h后，涂有防火涂料的混凝土試塊的抗壓強度與常溫下混凝土的抗壓強度相近，且遠大于同樣條件下未涂防火涂料的混凝土試塊的抗壓強度。周鵬等[52]研究表明：在高強混凝土表面涂覆20 mm厚的非膨脹型防火涂料，可以有效抑制高溫爆裂的發生，且該防火涂料具有防火隔熱性能，可使高強混凝土柱的耐火極限提高40%～350%。錢春香，游有鯤[53,54]研究認為：可選用含有N-P-C化學阻燃成分的厚型防火涂料對混凝土的高溫爆裂行為進行改善。吳波等[56]研究了涂覆不同厚度防火涂料層(15 mm、20～25 mm、大于30 mm)的C80高強混凝土試件在高溫作用后氯離子的滲透情況，結果表明：當防火涂料厚度為15 mm時，高溫后氯離子的滲透性相對較高；涂料厚度為20～25 mm時，高溫后氯離子的滲透性低于常溫下C50混凝土的氯離子的滲透性；涂料厚度大于30 mm時，高溫后氯離子的滲透性基本不變。分析認為，在高強混凝土表面涂覆20 mm厚的防火涂料層即可同時起到降低高溫作用后氯離子的滲透性和抑制爆裂的雙重作用。

除材料方面以外，一般還可以通過優化設計和構造等方面來提高混凝土的耐高溫性能。常用的方法有：適當增加保護層厚度，對構件施加側向約束，改變箍筋的綁扎形式等。李遠哲[57]認為：鋼筋的保護層厚度也是引起混凝土爆裂的原因之一。保護層越薄火災時的熱量越易傳到鋼筋表面，由于鋼筋與混凝土的熱膨脹率不同。鋼筋受熱膨脹后會對周圍混凝土進行“擠壓”，在加上基體的孔壓力，混凝土更易出現高溫爆裂現象，所以適當增加保護層厚度有助于改善混凝土的高溫性能。吳波等[58]研究表明：高強混凝土柱的耐火極限隨著截面尺寸的增大而增大，且總體上隨配筋率的增大而緩慢增大。袁廣林等[59]研究認為：采用鋼絲網水泥砂漿加固混凝土梁，可以有效提高其抗火能力。

5 結 論

本文主要從摻加纖維、調整原材料和涂覆防火材料三個方面回顧總結了國內外在抑制高強混凝土高溫爆裂發面的研究成果，得到了如下結論：

(1)摻加以聚丙烯纖維為代表的低彈性模量纖維，或是以鋼纖維、碳纖維為代表的高彈性模量纖維均能有效改善高強混凝土的高溫抗爆性能，且復合摻加時抗爆性能更優；

(2)通過選用硅質骨料，適量摻加粉煤灰等礦物摻合料，摻加引氣劑等途徑均可以較好地提高高強混凝土的耐高溫性能；

(3)涂覆防火材料也是提高高強混凝土抗火能力的重要措施之一。

除此之外，合理增加保護層厚度，對構件施加側向約束或改變箍筋的綁扎形式等構造措施也為抑制高強混凝土的高溫爆裂行為提供了新的思路。

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Improvement Measures of High Temperature Explosive Spalling of High Strength Concrete

XUEKai-wang,MIAOMiao,ZHOUJian

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

With the advancement of science and technology,the high strength concrete has been widely used in the construction of high-rise buildings,bridges,etc.However,due to its high density and low permeability,high strength concrete tends to burst in high temperature or fire conditions.In this paper,some improvement measures of explosive spalling of high strength concrete are summarized from three aspects of adding fibers,adjusting raw materials,and coating fire protection materials.The results show that the high temperature resistance of high strength concrete can be improved by adding fibers,adjusting raw materials,and coating the fireproof material.The explosive spalling of high strength concrete can be effectively suppressed by the comprehensive utilization of different improvement measures.

high strength concrete;explosive spalling;improvement measure;review

中央高校基本科研業務費(CDJZR13130029)；高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題 (20130191120019)

雪凱旺(1992-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土方面的研究.

苗 苗，講師.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3209-06