消防射水對火災后高性能混凝土剩余抗壓強度影響試驗研究

時啟獻

(山東省菏澤市公安消防支隊，山東菏澤 274000)

高層建筑一旦發生火災，建筑物的材料性能嚴重劣化，特別是消防射水撲救后結構性能大大削弱，導致結構不同程度的損傷和承載力的下降。受火災破壞的建筑物能否繼續使用，是否可以通過修復加固措施恢復建筑物的使用功能，就必須科學地判斷建筑物結構的受損程度，研究消防射水對建筑物剩余承載力的影響［1］。

因此，深入研究火災后消防射水對高性能混凝土性能影響的衰減規律，科學地診斷火災后結構的受損程度，確定其殘余承載力，從而延長建筑物結構受火時坍塌的時間，以便受災人員安全撤離災場，消防人員救護傷亡人員等活動。將火災造成的損失降低到最少，這已成為各國建筑結構及材料科研人員和工程技術人員共同關注的新課題。

1 混凝土配合比

本試驗配制的C40 高性能混凝土，配合比以每1 m3混凝土中各項材料的質量表示，如表1 所示。

表1 C40 高性能混凝土配合比

2 試驗方法

采用100 mm×100 mm×100 mm 的試件，經標準養護28 d、室內靜置1個月后進行試驗。加熱爐溫度范圍為20～900℃，爐膛溫度可自動控制，升溫方式采用正常升溫5 ℃/S 即把混凝土從20 ℃加熱到900 ℃，升溫設定等級取20 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃9個等級。首先將立方體試件放入電爐內加熱至預定溫度，再恒溫2 h。然后以噴淋冷卻模擬消防射水(噴淋時間控制在30 min)和自然冷卻兩種不同方式使試件冷卻至常溫，如此模擬實際火災撲滅過程中的兩種情況。最后將射水冷卻和自然冷卻的試件分別放在自然環境中靜置至預定的時間后，使用100 t 微機控制電液伺服萬能試驗機進行強度測定(每組三個試塊，抗壓強度取算術平均值，舍去差異超過中間值15 %的強度值)，參考GBJ 81－85《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［2］進行試驗。

3 試驗結果及分析

為了研究火災后消防射水對HPC 剩余強度的影響程度，本文對高溫作用后的HPC 進行了自然環境下冷卻和射水冷卻兩種方式。

圖1 C40HPC 剩余抗壓強度、強度變化、強度折減系數與溫度關系曲線

由圖1 中可以明顯看出:

(1)在自然冷卻狀態下，高溫作用200 ℃后，C40HPC 的剩余強度有所提高，比常溫條件下大約提高1.3%;隨著溫度的進一步升高，混凝土的抗壓強度均呈下降趨勢，400 ℃以前，C40HPC 試件的剩余強度下降較緩，500 ℃后混凝土強度下降非常迅速。這是由于當溫度到達200 ℃時，溫度提供了增進水化所需的激活能，使得在水泥漿體中未水化的水泥顆粒繼續水化，水化產物繼續增加，同時表面能增加、孔隙和裂紋形狀的改變，加速了水泥水化的速度，水泥漿體開始失去穩定，在這個溫度范圍內主要是由于水分的蒸發使得C－SH 凝膠發生脫水反應，生成短的而強度高、表面能大的硅氧烷，這樣使水泥漿體產生緊縮，化學結合力、粘結強度提高，孔隙大小重新分布。溫度達到500 ℃的時候，混凝土內部凝膠開始脫水分解，此時層間水和化學結合水排除，氫氧化鈣大量分解，使得原本結晶完整的片層結構破壞，強度下降明顯。同時，隨著大量蒸發水的蒸發，HPC 內的蒸汽壓力急劇增加，引起HPC 爆裂［3、4］。

(2)在射水冷卻條件下，C40HPC 的剩余強度曲線一直呈下降趨勢，曲線較自然冷卻條件下下降幅度較大。這是由于在射水冷卻條件下，高溫200℃作用后，由于射水冷卻，在冷卻過程中，C40HPC 試件產生了較大的內外溫差，產生溫度應力，致使混凝土內部和表面產生較多裂縫，抵消了混凝土試件在高溫作用時強度提高的有利因素，造成在高溫200℃后，混凝土的剩余強度沒有超過常溫時的強度。加熱溫度達到300 ℃左右時，硅酸鹽水泥漿體中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣開始脫水，同時大量水蒸氣的外逸沖刷和擠脹作用，又擴大了裂紋和孔隙，使水泥漿體中孔隙平均尺寸和微裂紋迅速增加，混凝土的抗壓強度迅速下降，因而混凝土的殘余強度下降幅度較大［4、5］。

4 數據擬合

有關HPC 高溫后剩余抗壓強度與溫度之間關系的計算模型。國內外很多專家學者提出計算模型。比較典型的有李衛［6］、謝狄敏［7］等人提出了基于立方體的高溫后抗壓強度計算模型，其中，李衛提出的計算模型為:

fcu為混凝土在常溫下的抗壓強度，單位MPa;fcu，T混凝土受高溫T 后的抗壓強度，單位MPa;T為高性能混凝土所受的溫度，單位℃。

利用Origin7.5 數據處理軟件對試驗結果進行線性二元回歸，得出C40HPC 在自然冷卻條件下及射水冷卻條件下抗壓強度折減系數與溫度之間的二元回歸曲線公式(圖2):

(1)C40HPC 在自然冷卻條件下的二元回歸曲線公式:

(2)C40HPC 在射水冷卻條件下的二元回歸曲線公式:

圖2 各等級高性能混凝土抗壓強度折減系數與溫度關系二元回歸曲線

5 結論

(1)在自然冷卻條件下，HPC 在高溫后剩余抗壓強度分為三個階段，第一階段—強度損失階段，強度損失不大，第二階段—強度的恢復階段，強度有所恢復，第三階段—強度的永久損失階段，這一階段高性能混凝上強度的衰減很大;在個射水冷卻條件下，HPC 在高溫后剩余抗壓強度一直呈衰減狀態。

(2)消防射水對高溫作用后HPC 的剩余強度影響很大，HPC 采用射水條件下冷卻后其剩余強度低于自然冷卻的剩余強度。在射水條件下，隨著溫度的逐漸升高，C40HPC 試塊開裂嚴重，抗壓強度急劇下降。

(3)通過回歸分析建立了在自然冷卻條件下及消防射水冷卻條件下C40HPC 剩余強度與火場溫度之間的二元線性回歸公式。發生火災后，可根據溫度及火災現場滅火方式迅速估計出火災后HPC 的強度值，用于結構可靠度評價以及高層建筑火災后結構損傷程度的評估和修復等，都具有重要的理論和工程價值。

［1］李敏.高強混凝土受火損傷及其綜合評價研究［D］.東南大學，2005

［2］GBJ 81－85 普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］

［3］呂天啟，趙國藩，林志伸，等.高溫后靜置混凝土的微觀分析［J］.建筑材料學報，2003(2)

［4］Hammer TA.High Strength Concrete Phase 3.SP6:Fire Resistance Report 6.1.Compressive Strength and E－Modulus at Elevated Temperatures，Structures and Concrete，1995，28(2):20

［5］M.Saad，S.A.Abo－EI－Enein，et.al.Effect of Temperature on Physical and Mechanical Properties of Concrete Containing Silica Fume.Cem.Concr.Res.1996，26(5):669－675

［6］李衛，過鎮海.高溫下混凝土的強度和變形性能試驗研究［J］建筑結構學報，1993，14(1):8－16

［7］謝狄敏，錢在茲.高溫(明火)作用后混凝土強度與變形試驗研究［J］.工程力學，1996(A2):54－58