火災后混凝土力學性能的影響因素

馬 輝

（寧夏銀帝物業服務有限公司, 寧夏 銀川 750021）

火災后混凝土力學性能的影響因素

馬 輝

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鑒于火災對建筑結構的巨大危害，在綜述了混凝土高溫后力學性能研究現狀的基礎上，具體從受火溫度、受火時間、冷卻方式和靜置時間四影響個因素對混凝土高溫后力學性能的影響進行了分析、總結，并對進一步需要的解決的問題進行了展望。

混凝土；高溫；力學性能；影響因素

0 引言

火，是人類得以生存和發展的一種自然力。人類對火的認識、使用和掌握，使人類逐步擺脫了茹毛飲血的野蠻時代，開始邁向了文明社會。火，給人類帶來光明和溫暖，帶來了健康和智慧，促進了人類物質文明的不斷發展，在人類文明發展史上有極其重要的意義。與其他事物一樣，火亦是一把雙刃劍，火若被濫用或失去控制便會是一場災難。常言道水火無情，一旦發生火災，必將會造成巨大的經濟損失與人員傷亡，釀成一幕幕人間悲劇。

火災是指在時間或空間上失去控制的燃燒。在各種災害中，火災發生的頻度位居各種災害之首，其中絕大多數的火災發生在建筑和構筑物中，而在高溫作用下，建筑材料的性能惡化、結構承載力下降，以致給人類的生命、財產、資源、環境造成巨大危害。據統計，每年的火災經濟損失可達社會生產總值的千分之二，死亡人數達10萬人[1]。例如：2012年2月17日的俄羅斯彼爾姆市“瘸腿馬”夜總會火災，造成142人死亡，26人嚴重燒傷；1980年底的日本楊木縣藤原叮川治溫泉王子飯店發生火災,傷亡約70人,經濟損失折合人民幣達400萬元[2]，等等。隨著城市化的發展，世界各國的火災發生的次數及造成的損失還在逐步攀升，世人更是聞火色變！回到國內來看，當前我國面臨的火災形勢依然不容樂觀，火災發生的次數和損失也是相當慘重！據公安部消防局官方消息，2016年全國共接報火災31.2萬起，亡1582人，傷1065人，直接財產損失37.2億元，其中，較大火災64起。

混凝土作為主導的結構材料用于土木工程已有一百多年的歷史，在目前的建筑材料中發揮著不可或缺的作用。目前，建筑火災的高度頻發及其造成的巨大危害，進一步促使人們不斷加深了對建筑結構火災的認識。而關于混凝土高溫后力學性能的相關研究已很多，且比較成熟。本文：在綜述混凝土高溫后力學性能研究現狀的基礎上，具體從受火溫度、受火時間、冷卻方式和高溫后的靜置時間四個因素對混凝土高溫后力學性能的具體影響作用。

1 高溫后混凝土力學性能研究現狀

隨著城市化進程的加快，各種因素致使建筑火災變得易發、多發、頻發，而在我國及世界各國中，混凝土結構依然是建筑結構的主要形式之一，并且在今后相當長的時期內仍然是主要的建筑結構形式。為應對防范建筑火災的發生及減少災后不必要的損失和傷害，國內外不少專家、學者針對災后混凝土的力學性能都展開了各自的研究。

相關 混凝土高溫后力學性能的研究主要集中在如下幾個方面：呂天啟等[3]研究了受火溫度、冷卻及養護方式和靜置時間等因素對高溫后靜置混凝土的抗壓強度、彈性模量和應力-應變關系等力學性能的影響，給出了高溫后靜置混凝土抗壓強度達到最低值的時間，同時給出了混凝土結構火災后實施補強加固的合理時間的建議，并建立了各力學指標的擬合回歸公式。賈福平等[4]研究了受高溫影響混凝土抗壓強度隨高溫后的靜置時間和冷卻方式的變化規律，給出了高溫后混凝土結構物適宜修復時間，同時通過掃描電子顯微鏡分析和X射線衍射分析技術，研究了高溫前后混凝土水化產物顯微結構的變化，揭示了高溫對混凝土宏觀影響的機理；梁愛莉等[5]對強度等級分別為 C20、C25 和 C30的硅質骨料和鈣質骨料混凝土立方體試塊進行了高溫后的抗壓強度試驗，混凝土高溫后抗壓強度隨受火溫度、冷卻方式、骨料類型、靜置時間和強度等級等因素的變化規律。李麗娟[6]等對100 MPa的高強混凝土進行了高溫試驗, 研究了經500℃ 和800 ℃ 高溫作用后試件的外觀、抗壓強度、抗折強度和劈裂拉伸強度的變化規律及其質量損失，與此同時，運用掃描電鏡觀察了高溫后水泥凈漿的微觀結構變化。陳宗平等[7]通過設計24個棱柱體試件高溫后進行軸心抗壓強度試驗，研究高溫后混凝土材料的力學性能，主要考慮火災溫度對試件破壞形態、變形性能、剩余承載能力的影響。實驗結果表明: 試件隨著受火溫度的升高，混凝土試件的表面顏色發生改變，并伴隨龜裂現象，質量變輕; 峰值應力降低，而峰值應變總體呈增大趨勢。

2 混凝土高溫后力學性能的影響因素

從上世紀四十年代開始，國內外相關專家、學者對高溫后凝土的力學性能做了較全面的研究，在高溫后混凝土力學性能的影響因素方面成果豐碩，通過整理、發現：為了更好的模擬現實生產生活中發生的不同大小的火災情況，大多數實驗皆通過設置不同的高溫條件（主要從：受火溫度、受火時間、冷卻方式及靜置時間等幾個方面），從而來研究混凝土在不同高溫條件下力學性能的變化規律。

2.1 受火溫度

通過對比多篇文章的試驗和數據，發現：在混凝土高溫試驗中，為了更好的模擬實際火災情況，對混凝土的高溫作用溫度設置一般從室溫到1000℃，試驗結論也是比較一致：300℃以內混凝土抗壓強度變化不大，溫度在400℃以后，抗壓強度隨溫度升高持續下降。在100～300℃溫度段，混凝土內未水化的水泥顆粒在“濕熱”條件下得以繼續水化，對混凝土強度增長有利；同時，內部自由水的散失，使結構空隙增大，對混凝土強度的降低產生一定影響；300℃過后，混凝土內部水化硅酸鈣凝膠的脫水分解、骨料和水泥砂漿基體的熱變形不一致、石英晶型的轉變及碳酸鈣的復分解反應都使的混凝土骨架結構變得疏松，嚴重劣化了混凝土的抗壓強度。

羅迎社[8]對強度等級 C35的 15個混凝土試件在室溫到850℃高溫作用后進行了抗壓強度試驗，亦指出：與室溫下相比，混凝土抗壓強度250℃下幾乎不變，450℃降低25%，650℃降低55%，850℃降低85%，承載力基本喪失。

2.2 受火時間

中南大學資偉、余志武等[9]通過混凝土試塊在不同受火溫度和時間噴水冷卻條件下其剩余抗壓強度的試驗研究，給出了高溫后混凝土試塊的受壓破壞特征和混凝土剩余抗壓強度與受火溫度和受火時間的耦合關系。實驗研究表明：噴水冷卻的混凝土剩余抗壓強度隨著受火溫度的升高和受火時間的增加整體上呈逐步降低的趨勢；同時指出，在受火時間不超過100分鐘或受火溫度較低不超過500℃時，混凝土剩余抗壓強度反而有所上升，對于這種現象，作者給出了這樣的解釋：因為在較低受火溫度或較短受火時間作用時，混凝土內部形成的“濕熱”環境促進了混凝土內部未水化的水泥熟料進一步水化完全，此時高溫對混凝土強度的有利作用大于其分解、變形不協調等不利作用。

2.3 冷卻方式

通過總結國內外大量研究成果，發現：一般的，高溫后澆水冷卻的混凝土試件其外觀損壞較自然冷卻嚴重，質量損失量大。對于高溫后混凝土的抗壓強度，中國礦業大學的賈福萍,呂恒林等[10]對不同尺寸混凝土立方體試塊的全應力-應變曲線在不同受熱溫度、不同冷卻方式條件下進行了測試,分析了高溫后冷卻方式對混凝土力學性能退化的影響。結果表明：相對于常溫混凝土試塊，高溫后混凝土強度和變形性能與受熱溫度和冷卻方式有著較大相關性，自然冷卻和噴淋冷卻的試塊峰值應力隨溫度的升高逐漸減小，但較常溫下其極限受壓變形性能均增大。同時指出：冷卻方式的不同對混凝土的抗壓強度的影響不同，250℃自然冷卻的試塊抗壓強度較噴淋冷卻的大；而450℃和650℃自然冷卻的強度較噴淋冷卻的低；在850℃高溫作用后的混凝土試件在正常環境放置7 d后發生坍塌，強度完全喪失。

翟越、鄧子辰等[11]通過將C35 的商品混凝土試件進行 300、600、800℃ 高溫作用后，分別采用自然和澆水兩種方式冷卻，再將試件靜置 3周以上進行巴西圓盤劈裂試驗。分析了不同溫度和不同冷卻方式對混凝土劈裂抗拉強度的影響。研究表明：相對于常溫下試件，澆水冷卻和高溫對混凝土試件物理化學特性及劈裂抗拉強度影響很大，而且作用溫度越高這種影響比自然冷卻的越明顯，主要表現在當溫度超過300℃后，與自然冷卻的試件相比，澆水冷卻的拉伸強度下降程度明顯要大。并根據試驗結果建立了考慮冷卻方式影響的三段式溫度－冷卻損傷演化方程，確定了出相應的特征參數。

2.4 高溫后靜置時間

現實中，在火災發生后，建筑物的倒塌大多是在火災結束后的一定時間段內，而不是火災發生的過程中。對于其中的原因，專家、學者們通過進行大量相關模擬實驗研究。其中，大連理工大學的呂天啟等[12]對混凝土高溫后力學性能隨溫度、靜置時間、冷卻及冷卻后的養護方式等的變化進行了試驗研究，發現：對于自然

冷卻、自然養護的混凝土試件抗壓強度隨靜置時間的延長先減小后增大，后趨于平穩。并指出隨溫度升高抗壓強度最小值的出現時間后移。對于澆水冷卻、自然養護和澆水冷卻和潮濕養護的混凝土試件抗壓強度隨靜置時間的延長亦先降低，不同的是，之后抗壓強度保持恒定或緩慢上升。同時指出，受熱溫度小于300℃時，混凝土抗壓強度最小值的出現時間在14～28d；受熱溫度大于300℃時，混凝土抗壓強度最小值的出現時間在1～7d。這對災后建筑結構的維修加固時間具有重要的使用價值。

對于災后混凝土結構物適宜的修復時間，賈福平等[13]將邊長一百毫米的立方體試件在經歷250℃、450℃、650℃后，分別采用自然、噴淋兩種方式冷卻，并靜置不同時間（1、3、7、14、28、56d）后，進行抗壓強度試驗。給出了更具體的建議：自然冷卻下，250℃和450℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強度最低，650℃高溫作用靜置28d的試件抗壓強度最低；噴淋冷卻下，250℃高溫作用靜置7d的試件抗壓強度最低，450℃和650℃高溫作用靜置14d的試件抗壓強度最低。

3 結論及展望

目前，國內外關于混凝土火災后力學性能的研究相對比較全面，在受火溫度、受火時間、冷卻方式和靜置時間對混凝土力學性能的影響方面成果豐碩，結論較為統一。但整理發現：對于長期受間歇性高溫作用條件下的、動荷載下的及高溫與荷載耦合作用下力學性能的研究鮮有文獻報道，可見對實驗條件的設置不夠全面，為能更好為現實的工程解決提供理論依據和技術指導，急需展開對混凝土不同工作條件下的力學性能研究。

[1]路春森等.建筑結構耐火設計.北京:中國建材工業出版社,1995.

[2]閡明保,李延和,高本立等.建筑物火災后診斷與處理.南京:江蘇科學技術出版社,1994.

[3]呂天啟，趙國藩，林志伸 . 高溫后靜置混凝土的微觀分析[J].建筑材料學報,2003,6( 1) : 35-41.

[4]賈福萍,王永春,渠艷艷,等. 冷卻方式和靜置時間對高溫后混凝土殘余強度影響[J]. 建筑材料學報,2011,03:400-405.

[5]梁愛莉,張倩茜,袁廣林,董亞男. 混凝土高溫后抗壓強度的影響因素研究[J].煤炭學報,2010, 12: 2049- 2052.

[6] 李麗娟,謝偉鋒,劉鋒,等. 100 MPa 高強混凝土高溫后性能研究. 建筑材料學報，2008,11（1）:100-104.

[7]陳宗平,王歡歡,陳宇良. 高溫后混凝土的力學性能試驗研究[J].混凝土,2015,01:13-17.

[8]羅迎社,陳超,唐松花,張璇. 高溫下混凝土的抗壓強度試驗研究[J]. 湘潭大學自然科學學報,2013,(02):30-34+40.

[9] 資偉,余志武,匡亞川,等. 受火溫度和時間對噴水冷卻后混凝土剩余抗壓強度的影響[J]. 中南大學學報 (自然科學版), 2013,44(4): 1545-1550.

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[11]翟越,鄧子辰,艾曉芹. 冷卻方式和高溫對混凝土劈裂抗拉強度影響[J]. 工業建筑,2015,(07):113-117.

[12]呂天啟,趙國藩,林志伸. 高溫后靜置混凝土力學性能試驗研究[J]. 建筑結構學報,2004,(01):63-70.

[13]賈福萍,王永春,渠艷艷,程勇,曹卜予. 冷卻方式和靜置時間對高溫后混凝土殘余強度影響[J]. 建筑材料學報,2011,(03):400-405.

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馬輝（1981-8-06），女，回族，寧夏銀川人，任職于寧夏銀帝物業服務有限公司