輕骨料混凝土耐火性能與研究進展

王 燦， 孫 彤， 王靜峰，3， 劉 用，3

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230000；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009；3.先進鋼結構技術與產業化協同創新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，我國經濟社會飛速發展，城鎮化率不斷提高，但火災也越發頻繁，它給人類日常生產與生活帶來嚴重危害，因此，國內外越來越重視工程結構的防火設計。

目前國內外建筑向高層、大跨度、裝配式等方向快速發展，為縮小結構斷面、減輕結構自重、增強保溫隔熱等性能，輕質、高強、耐久、抗災、多功能、可持續發展的建筑材料已成為土木工程界的研究熱點，而輕骨料混凝土由于同時具有以上優點，所以特別適用于裝配式建筑，同時也能有效提高工程結構的耐火性能，因此，對輕骨料混凝土的深入研究具有重要的理論價值和意義。

輕骨料混凝土作為一種優質混凝土，如圖1所示。相比普通混凝土而言，它具有輕質、高強、保溫、耐火、抗震性好且變形性能良好的特點，常被應用到工程結構的抗火設計中，如本溪市的建溪大廈(1994年)局部框架和全部剪力墻結構采用強度等級為LC20～LC30的自燃煤矸石輕骨料混凝土，比采用普通混凝土減輕自重21%～25%。

圖1 輕骨料混凝土

它是由輕骨料、普通砂(或輕砂)、水泥、水、外加劑等制成的多相材料。根據粗骨料、細骨料、工程應用等種類，輕骨料混凝土可分為不同類型，見表1。

表1 輕骨料混凝土種類

1 普通混凝土耐火性能研究進展

自1940年代起，多位學者已經開始研究混凝土在高溫下的力學性能及耐久性的變化。混凝土在高溫下的性能比較復雜，影響其耐火性能的主要因素是受熱溫度、時長、升溫速度等，同時混凝土水泥和骨料種類，混凝土內部孔結構和含水量，混凝土的熱物理性能，以及機構尺寸大小等多個因素也起著舉足輕重的作用。

目前對普通混凝土的耐火性能的研究主要在于高溫后質量損失、表面裂縫情況，熱物理性能如熱膨脹系數和導熱系數等在高溫下的變化，高溫下與高溫后混凝土的力學性能如抗壓強度、抗折強度、彎曲性能、彈性模量等，都取得了不錯的研究成果。

國內外對普通混凝土耐火性能的研究進展如下：

(1)高溫后混凝土抗壓強度研究。在不同溫度下，不同學者對混凝土抗壓強度方面的研究進展如下：

劉沐宇等[1]發現普通混凝土從常溫到300℃抗壓強度先略上升而后略下降，在300～400℃抗壓強度再次小幅上升。

Xiao和K?nig[2]發現當溫度在400℃以上時，普通混凝土的抗壓強度明顯下降，而升溫到800℃以后抗壓強度損失達80%。在此基礎上，Lin等[3]認為當升溫到800℃時，由于C-S-H凝膠的大量分解，幾乎所有種類混凝土強度都劇烈下降。

Savva等[4]研究當溫度達到600℃以后所有混凝土試塊的強度下降，殘余強度為初始強度的7%～25%。Poon等[5]發現當溫度在600℃以下，混凝土殘余強度為初始強度的45%，而800℃后，抗壓強度僅為初始強度的23%。

(2)高溫后普通混凝土與高強混凝土對比研究。對于普通混凝土與高強混凝土在高溫作用后的對比研究進展如下：

Chan等[6]發現在800℃高溫作用后,普通混凝土殘余抗壓強度低于高性能混凝土，但強度損失率卻低于高性能混凝土。Phan等[7]研究了高強混凝土和普通混凝土在快速升溫方式下高溫后的力學性能，發現在常溫及450℃時力學性能明顯不同，但當溫度達到450℃以上時，兩者差異減小。Zhang等[8]發現普通混凝土與高強混凝土的斷裂能隨溫度變化的曲線形狀基本相似：隨溫度增加，斷裂能增大；溫度達到300℃時，斷裂能達到最大值，然后下降；600℃高溫作用后，高性能混凝土的斷裂能仍高于常溫下的斷裂能的20%，而普通混凝土則低于常溫下的斷裂能的15%。

此外，Sukontasukkul等[9]分析了高溫作用下混凝土的荷載撓度曲線，常溫時峰值荷載為13，溫度達到400 ℃時無明顯變化，而當溫度達到600 ℃、800 ℃時分別下降24%與45%，同時波峰所對應撓度由0.1 mm逐漸增加到0.3 mm，曲線彈性變形部分的斜率變小，如圖2所示。

圖2 符合ASTM E119-98的溫度-時間曲線

吳佩剛等[10]對通過研究發現：水灰比越小，含水率越大，混凝土發生的爆裂越多。在此基礎上，沈蓉等[11]通過研究發現：當混凝土強度低于60 MPa 時，即使混凝土在飽水狀態也不發生爆裂，當混凝土強度高于60 MPa后，隨著混凝土含水率的增加，爆裂的情況也逐漸增多。

2 輕骨料混凝土耐火性能研究進展

國內外對輕骨料混凝土耐火性能的研究進展如下：

曹萬智等[12]等對砂輕混凝土、全輕混凝土、陶砂陶粒混凝土、普通陶粒混凝土以及普通混凝土在經歷1 000 ℃高溫作用后的殘余抗壓強度進行了對比研究，結果表明：在1 000 ℃高溫作用后，普通混凝土抗壓強度完全損失，砂輕混凝土與普通陶粒混凝土的殘余抗壓強度為20.5%，全輕混凝土與陶砂陶粒混凝土的殘余抗壓強度為21%。

孫洪梅等[13]也對陶砂陶粒混凝土、普通陶粒混凝土以及采用高鋁水泥的普通混凝土進行高溫后強度與耐久性對比研究，結果表明：在1 000 ℃高溫作用后，陶砂陶粒混凝土和普通陶粒混凝土的殘余抗壓強度仍有33%～50%的殘余，高出普通混凝土的17%。放置一段時間后，陶砂陶粒混凝土和普通陶粒混凝土仍然有30%的抗壓強度殘余，而普通混凝土的抗壓強度已經喪失殆盡。蔣玉川等[14]也對頁巖陶粒輕骨料混凝土的高溫性能進行研究，結果表明：經1 000 ℃高溫處理后，輕骨料混凝土仍然有20%的抗壓強度殘余，高出普通骨料混凝土10%。

Sancak等[15]采用浮石配制輕骨料混凝土，經歷800 ℃高溫作用，普通骨料混凝土僅有13%～16%的抗壓強度殘余，而輕骨料混凝土仍有28%～38%的抗壓強度殘余。同樣溫度條件下，Tanyildizi等[16]發現浮石輕骨料混凝土有18%的劈裂抗拉強度殘余。

蔣文婷等[17]采用工業污泥陶粒配制的輕骨料混凝土，在800℃高溫作用后，輕骨料混凝土仍有46.9%的抗壓強度殘余，以及約40%的劈裂抗拉強度殘余。同樣溫度條件下，王建民等[18]發現工業污泥陶粒所制輕骨料混凝土的初始彈性模量和峰值變形模量下降到常溫狀態下的20.2%和18.4%，其下降幅度小于普通混凝土。

Turkmen等[19]采用膨脹珍珠巖取代了25%天然砂，制作了輕骨料砂漿，在800 ℃高溫作用后，輕骨料砂漿仍有38%的抗壓強度殘余以及23%的抗折強度殘余。

此外，一些學者還對輕骨料混凝土高溫爆裂情況進行了如下研究：

Copier[20]通過研究，發現了輕骨料混凝土高溫爆裂現象的主要影響因素：①蒸汽壓，主要受混凝土滲透性以及含水量影響;②毛細孔中水分無法溢出;③混凝土溫度應力。在此基礎上，蔣玉川等[14]研究了600℃高溫后不同濕含量(質量分數)頁巖陶粒混凝土的爆裂情況研究結果表明：當溫度達到600℃時，對普通混凝土，含水量低于飽水狀態的75%時，不會發生高溫爆裂現象；而對全輕混凝土，當含水量低于飽水狀態 25%時，不會發生爆裂現象，飽水狀態時全輕混凝土的爆裂率達到67%。

3 結論與展望

近些年來，我國輕骨料混凝土行業取得了較快的發展，國內學者雖對其做了大量研究工作，但與發達國家相比較，我國輕骨料混凝土無論是在技術水平上還是在實際應用量上，都存在較大的差距，還需要在該領域開展更為深入的科研工作。

目前國內多數研究陶砂陶粒混凝土、工業污泥陶粒輕骨料混凝土以及浮石輕骨料混凝土，前兩者在經歷1 000 ℃高溫作用后殘余強度分別為33%～50%、46.9%，后者在經歷800 ℃高溫作用后殘余強度為28%～38%，而普通混凝土強度基本已經喪失，由此可以看出輕骨料混凝土抗火性能的優越性。此外，輕骨料混凝土目前主要應用于圍護結構與隔墻，而將其應用到實際受力構件中的性能研究還比較缺乏，今后應多注重在此方面的研究，以促進輕骨料混凝土在我國更進一步的推廣應用。