輕質(zhì)混凝土耐火性能研究進(jìn)展

摘　要：輕質(zhì)混凝土重量較輕，可以減小承重構(gòu)件的尺寸，近年來(lái),已經(jīng)越來(lái)越多地用于梁、柱、組合樓板等建筑構(gòu)件。輕質(zhì)混凝土的耐火性能與熱工性能和力學(xué)性能有關(guān),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究,并取得了一些成果。本文將對(duì)輕質(zhì)混凝土耐火性能研究進(jìn)行回顧,并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)混凝土； 　火災(zāi)； 　高溫

 

WA N G Qing1 ，　L IU Yong2jun2 ，　L IU Lei1

(1.School of Material Science and Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China ； 2.School of Civil Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China)

 

Abstract ： Structural lightweight concrete can reduce the dead load of a structure and the size of load bearing elements. Over the past few years ,structural lightweight concrete was more and more used for beams ,columns ,composite slabs on steel desk. Fire behavior of structural lightweight concrete includes both the mechanical and thermal properties. Some research was conducted and many achievements were obtained. Some important aspects of advance are reviewed and prospects about the further studies of lightweight concrete in fire conditions are provided.

Key words ： lightweight concrete ； fire ； high temperature

 

      輕質(zhì)混凝土是以天然輕集料(如浮石、凝灰?guī)r等) 、工業(yè)廢渣輕集料(如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造輕集料(頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等) 取代普通集料所制成的混凝土材料,具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、耐火等優(yōu)良性能。但由于輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比,抗壓強(qiáng)度較低,長(zhǎng)期以來(lái)一直作為非結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用。隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展,輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度也在不斷提高，應(yīng)用范圍也逐步向結(jié)構(gòu)材料擴(kuò)展。目前，日本、挪威和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于輕質(zhì)混凝土的研究和應(yīng)用都取得了重要進(jìn)展，CL50 -CL60 輕質(zhì)混凝土已在工程中大量使用，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到70MPa。與國(guó)外相比，我國(guó)輕質(zhì)混凝土發(fā)展和應(yīng)用相對(duì)較晚，但隨著對(duì)建筑節(jié)能和建筑物功能性要求的提高，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土在我國(guó)的研究和應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。例如，湖北宜昌生產(chǎn)的高強(qiáng)陶粒，可以配制出強(qiáng)度等級(jí)為CL30～CL60 或更高的輕質(zhì)混凝土；鐵道部大橋局橋梁科技研究所將CL40 粉煤灰陶?；炷脸晒?yīng)用于金山公路跨度為22m 的箱形預(yù)應(yīng)力橋梁，使橋梁的自重降低了20 %以上；天津市政工程研究院研究的CL50 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土在永定新河大橋得到應(yīng)用；珠海國(guó)際會(huì)議中心20 層以上部位全都采用輕質(zhì)混凝土；阜新22 層的商業(yè)大廈以及本溪20 層建溪大廈都是以自燃煤矸石為輕集料配制的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土^{[1 ]} 。

 

      火災(zāi)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌的情況并不鮮見(jiàn)，例如，南昌萬(wàn)壽宮商城，底部?jī)蓪涌蚣苁巧虉?chǎng)，上部7 層是住宅，1993 年5 月13 日在火災(zāi)中倒塌；衡陽(yáng)永興綜合樓，底層是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上面為磚混結(jié)構(gòu)的住宅，2003 年11 月3 日凌晨，在火災(zāi)中倒塌。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中嚴(yán)重破壞甚至倒塌的案例增多，輕質(zhì)混凝土的耐火性能也引起了人們高度重視，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了一些相關(guān)研究，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧。

 

2.1 　礦物摻合料對(duì)熱工性能參數(shù)的影響

      火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成危害的原因是火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?；饒?chǎng)可燃物燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流、輻射傳到構(gòu)件表面，再通過(guò)熱傳導(dǎo)，向構(gòu)件內(nèi)部傳遞，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件內(nèi)溫度不均勻升高。構(gòu)件溫度不均勻升高將會(huì)產(chǎn)生三個(gè)方面的影響。首先，高溫會(huì)使材料彈性模量降低，結(jié)構(gòu)剛度下降；其次，高溫使材料強(qiáng)度降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降； 再就是構(gòu)件內(nèi)部不均勻升溫，會(huì)使構(gòu)件內(nèi)部及整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不均勻熱膨脹，從而使構(gòu)件內(nèi)部及整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。

 

      為了研究輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為，必須首先了解火災(zāi)下構(gòu)件內(nèi)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，因此要首先了解輕質(zhì)混凝土的熱工性能參數(shù)?；炷恋臒峁π阅芎徒饘俨牧嫌泻艽蟮牟煌?，這是因?yàn)榛炷潦怯伤唷⒋旨?xì)集料及各種化學(xué)摻合料等組成的復(fù)合材料，各種材料受高溫作用后性質(zhì)會(huì)發(fā)生不同的變化，另外混凝土為非結(jié)晶材料，結(jié)構(gòu)中沒(méi)有像金屬材料那樣有規(guī)則的晶體排列，所以混凝土受高溫作用后情況變得更為復(fù)雜。

 

      輕質(zhì)混凝土的特點(diǎn)是含有較多的孔隙且密度較小，而熱量在空氣中的傳遞速率要比在固體中傳遞的速率慢，因此孔隙的存在使得混凝土整體的熱傳導(dǎo)速率降低，并且當(dāng)溫度上升時(shí)，物質(zhì)內(nèi)分子的振動(dòng)更加劇烈，熱傳導(dǎo)的速率就越大。對(duì)于密度較小的輕質(zhì)混凝土而言，其熱傳導(dǎo)速率受溫度的影響比普通集料混凝土小很多，孔隙率越大的輕質(zhì)混凝土的隔熱效果越好^{[2 ]} 。

 

      為了研究礦物摻合料對(duì)輕質(zhì)混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響，有學(xué)者對(duì)比了當(dāng)?shù)V物摻合料取代量在0～80 %之間時(shí)，輕質(zhì)中空混凝土墻板熱傳導(dǎo)系數(shù)的相應(yīng)變化范圍。當(dāng)水灰比為0.5 時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)介于0.256～0.299 之間；當(dāng)水灰比為0.6 時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)介于0.243～0.275 之間；當(dāng)水灰比為0.7 時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)介于0.226～0.256 之間。由此可以看出：隨著礦物摻合料取代量的增加，輕質(zhì)中空混凝土墻板熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸降低。此外，所摻加的礦物摻合料的密度也影響輕質(zhì)混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)，密度越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越大^[3]  。

 

2.2 　水分對(duì)熱工性能參數(shù)的影響

      通過(guò)試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)水分對(duì)于混凝土熱功能有明顯影響。當(dāng)混凝土澆筑并完成水化后，內(nèi)部多余的水分將形成毛細(xì)管孔，這些毛細(xì)管孔的體積主要是由水膠比控制，水膠比越大，形成的毛細(xì)管孔就越大，孔隙就越多，其抗壓強(qiáng)度也相對(duì)較低。但由于空氣的良好絕緣特性和空氣的熱傳導(dǎo)能力較低等原因，材料的吸水率越大，水膠比越大，代表著孔隙的含量越多，密度越小，其熱傳導(dǎo)系數(shù)也就越小，熱功能也就越好^{[4 ]}。

 

3 　高溫下輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

      輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)較普通混凝土更接近直線(xiàn)，因?yàn)檩p質(zhì)混凝土在降服破壞以前，其受力主要由水泥砂漿承擔(dān)，而水泥砂漿為均質(zhì)材料，故應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(xiàn)呈線(xiàn)性發(fā)展，而普通混凝土受力主要由集料承擔(dān)。當(dāng)輕質(zhì)混凝土受力超過(guò)極限而破環(huán)時(shí)，水泥漿體承受力量迅速傳至集料，將因集料強(qiáng)度無(wú)法承受而迅速破壞，所以輕質(zhì)混凝土的破壞更具脆性^{[2 ]}。

 

      近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究高溫下輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能，取得了一定的成果。臺(tái)灣學(xué)者陳凱勛對(duì)比了三種配比的輕質(zhì)混凝土磚在高溫下試件的殘余強(qiáng)度與所承受的高溫溫度之間的關(guān)系，得到了一些有益的結(jié)論。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出^{[2 ]}，三組配比在承受200℃高溫后，平均抗壓強(qiáng)度大約為室溫下28d 抗壓強(qiáng)度的90 %左右，顯示出輕質(zhì)混凝土磚在承受200℃高溫后的強(qiáng)度損失并不大。三組配比在承受400℃高溫后的平均抗壓強(qiáng)度大約為室溫下28d抗壓強(qiáng)度的71 %左右，顯示出輕質(zhì)混凝土磚在承受400℃高溫后的強(qiáng)度損失開(kāi)始明顯增加，水泥漿體的C - S- H 凝膠中的凝膠水此時(shí)開(kāi)始釋放，這是導(dǎo)致強(qiáng)度損失的主要原因。三組配比在承受600℃的高溫后，平均抗壓強(qiáng)度大約為室溫下28d抗壓強(qiáng)度的47.5 %左右，顯示出輕質(zhì)混凝土磚在承受600℃高溫后的強(qiáng)度損失嚴(yán)重。三組配比在承受800℃的高溫后的平均抗壓強(qiáng)度大約為室溫下28d抗壓強(qiáng)度的37%左右，而一般混凝土與高性能混凝土在承受800℃高溫后抗壓強(qiáng)度只有原來(lái)的10 %～20 %。造成這一差異的主要原因就在于集料的種類(lèi)不同，上述研究所采用的輕集料是水庫(kù)淤泥經(jīng)1200℃高溫?zé)贫傻娜嗽燧p集料，在800℃的溫度下，集料的性質(zhì)變化不大。

 

4 　輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的耐火性能研究

      研究輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的耐火性能，主要是把握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度隨時(shí)間的變化歷程以及在高溫下相關(guān)的各個(gè)因素對(duì)于輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的定量影響規(guī)律，從而為正確評(píng)估輕質(zhì)混凝土的耐火性能和混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷評(píng)估提供科學(xué)的依據(jù)。研究輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的耐火性能主要有兩條途徑：試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。試驗(yàn)研究具有直接可靠的優(yōu)點(diǎn)，可以較好地把握輕質(zhì)混凝土構(gòu)件受火災(zāi)影響后相關(guān)各因素的定性變化趨勢(shì)，并且利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以建立一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的定量變化模型，可以為數(shù)值模擬結(jié)果的檢驗(yàn)提供依據(jù)。

 

      一般為了比較輕質(zhì)和普通混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安全防火性能上的差異，研究者一般以標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)對(duì)輕質(zhì)和普通混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加熱，以比較其兩者的耐火性能。耐火加溫曲線(xiàn)依據(jù)CNS 12514 的耐火標(biāo)準(zhǔn)加熱溫度- 時(shí)間曲線(xiàn)圖，以判定各試件的耐火時(shí)效，耐火試驗(yàn)所用的試件主要有樓板，墻體，梁等。試驗(yàn)時(shí)，爐內(nèi)的溫度是按照CNS 12154 的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)，在三十分鐘時(shí)，爐內(nèi)的溫度應(yīng)升至840℃，一小時(shí)則升至925℃，燃燒后觀(guān)察試件外觀(guān)的變化及破壞的情況。

 

      依據(jù)CNS 12514 的定義，材料的阻熱性是指在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件下，測(cè)試的試件其一面受火時(shí)，能在一定時(shí)間內(nèi)，其非加熱面溫度不超過(guò)規(guī)定值的能力。也就是：試件背火面在耐火測(cè)試時(shí)，溫度不能超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的最高溫度或平均溫度。如CNS 12514 即規(guī)定任一點(diǎn)的溫度不得大于210 ℃，所有測(cè)點(diǎn)的平均溫度不得大于170 ℃。

 

      試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)干燥的混凝土構(gòu)件受到火害侵襲時(shí)，在低強(qiáng)度(20MPa) 時(shí)，受841 ℃火害后，輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度要比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土高出38 % ，在高強(qiáng)度時(shí)更是高出50 % ，其耐火性能明顯優(yōu)于普通混凝土^{[2 ]}。

 

5 　結(jié)束語(yǔ)

      與普通混凝土相比，輕質(zhì)混凝土具有較佳的耐火性能，應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中，可增加耐火時(shí)間，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全水平，因此，輕質(zhì)混凝土具有十分廣闊的發(fā)展前景。隨著輕質(zhì)混凝土應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及人們對(duì)結(jié)構(gòu)物耐火問(wèn)題的重視，與輕質(zhì)混凝土耐火性能有關(guān)的下列問(wèn)題迫切需要研究：

 

       (1) 由于火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會(huì)使構(gòu)件內(nèi)的水分汽化，產(chǎn)生很大孔隙壓力，使輕質(zhì)混凝土發(fā)生剝落甚至爆裂，直接影響建筑結(jié)構(gòu)的安全，因此，需要研究防止剝落和爆裂發(fā)生的方法；

 

      (2) 高溫下輕質(zhì)混凝土的本構(gòu)模型是預(yù)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的力學(xué)性能的基礎(chǔ)，目前單軸本構(gòu)很少，多軸本構(gòu)關(guān)系還未見(jiàn)報(bào)道，需要進(jìn)一步深入研究。

 

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