●周冬林

(北京西城區(qū)消防支隊，北京 100032)

當前，標新立異的高層、超高層及有特殊建筑結構要求的建筑物層出不窮，新建筑材料為其提供了持久性的有效保證。高性能混凝土由于其優(yōu)異的持久性能，得到了快速發(fā)展，但是，高性能混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，結構密實，脆性更大，滲透性低，因而造成其抗火性能差，尤其是火災發(fā)生時，頻頻在高溫狀態(tài)下發(fā)生爆裂現(xiàn)象。因此，近年來眾多研究人員通過大量的實驗驗證，試圖找到提高高性能混凝土耐火性能的途徑，本文通過討論高性能混凝土材料在高溫下的性能，提出兩種提高高性能混凝土耐火性能的技術途徑。

一、高性能混凝土材料在高溫下的性能

(一)強度

火災下高性能混凝土強度隨溫度的變化規(guī)律大體上可以分為三個階段，但劃分標準目前有兩種，即按強度損失的特點劃分和按溫度段劃分。按強度損失特點分，國外文獻一般采用:第一階段，強度的初始損失階段。在溫度從室溫升到100～300℃期間，高性能混凝土強度隨溫度升高而衰減，且混凝土強度越高衰減損失越大。進入第二階段，強度的恢復階段。在強度初始損失到一定階段，由于混凝土內的水泥膠體失去自由水而收縮，加強了膠體同骨料間的咬合力致使強度有所回升，有時甚至超過混凝土在室溫時的原始強度。這種回升一般在400℃左右達到頂峰。緊接著就進入了第三階段，強度的永久損失階段。這一階段高性能混凝土強度的衰減及宏觀表現(xiàn)按溫度段劃分，即 200～400℃、400～800℃、800℃以上三個范圍。高溫下，高性能混凝土的彈性模量值隨溫度呈持續(xù)衰減趨勢，沒有回升階段。一般來說，溫度在200℃下，高性能混凝土的彈性模量值與室溫相比沒有太大差別;溫度在200～400℃，高性能混凝土的彈性模量值略有下降;到了400℃以上，高性能混凝土的彈性模量值有了顯著的衰減。

(二)脆性

脆性一般指材料在外力作用下，無明顯的塑性變形而突然破壞的性能或趨勢?，F(xiàn)以特征長度lch作為脆性參數(shù)，來評價混凝土的脆性，lch是一個組合了能量、剛度和強度參數(shù)的綜合性脆性參數(shù)，lch值越大，混凝土脆性越大。隨加熱溫度增加，lch單調增加，600℃時較室溫下增加6倍之多。暴露在高溫中的高強度混凝土，其應力－應變曲線與低強混凝土形狀基本一致，但比普通混凝土更陡，更接近線性，并且這種差異保持到約800℃左右。高性能混凝土的應力－應變曲線的下降段要陡于普通混凝土，即應力隨應變增大而降低的速率要大于普通混凝土，也表明高性能混凝土試件比普通混凝土試件更易發(fā)生脆性破壞。

(三)爆裂現(xiàn)象及機理

爆裂指混凝土構件在高溫(火災)作用下，達到一定溫度時，在沒有任何預兆的情況下表面混凝土突然發(fā)生剝落的現(xiàn)象。爆裂深度深淺不一，較深的可達75mm。根據(jù)文獻有關實驗資料，可確定在適當?shù)脑囼灄l件下，高強高性能混凝土尤其是含有硅灰的密實性高強高性能混凝土更易發(fā)生爆裂破壞。目前關于高性能混凝土爆裂機理的觀點有兩種逐漸突出，即蒸汽壓機理與熱應力機理。蒸汽壓機理是指高溫(火災)下高性能混凝土體內所含的水分受熱蒸發(fā)成水蒸氣。水蒸氣無法及時擴散排出混凝土的表面而在混凝土內部產(chǎn)生了蒸汽壓，當這種蒸汽壓達到一定數(shù)值時，即引發(fā)了爆裂。熱應力機理是指高溫(火災)時由于混凝土的熱惰性使得熱量傳導不均勻引起混凝土內部的溫度梯度，伴隨溫度梯度而產(chǎn)生的熱應力最終引起混凝土的爆裂。

二、提高高性能混凝土耐火性的技術途徑

(一)混摻聚丙烯纖維和鋼纖維

改善高性能混凝土抗火性能的最佳途徑是:以適當?shù)膿搅吭诟咝阅芑炷林谢鞊骄郾├w維和鋼纖維兩種纖維。其中聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的高溫爆裂，鋼纖維則能提高高性能混凝土經(jīng)歷高溫后的殘余力學性能。但是只有聚丙烯纖維和鋼纖維的摻量合適才能體現(xiàn)這種效果，否則混摻纖維不僅起不到改善高性能混凝土高溫爆裂的作用，而且還會降低高性能混凝土高溫前后的力學性能。在高性能混凝土中單摻體積分數(shù)為0.1%的聚丙烯纖維即可明顯改善其抗爆裂性能，但是并不能提高其高溫后的殘余抗壓強度。根據(jù)有關試驗結果表明，在高性能混凝土中混摻體積分數(shù)為0.1%的聚丙烯纖維和80kg·m－3的鋼纖維后，在一定的含濕量條件下，高性能混凝土不會發(fā)生爆裂，并且經(jīng)歷高溫作用后試件還能夠保持較高的殘余力學性能和完整的外觀形貌，即能較好地保持混凝土的完整性。高溫后仍能承受較高荷載，在800℃高溫下，混雜纖維混凝土的抗折強度剩余率為10%左右;爆裂抗拉強度剩余率為20%左右。但是，高溫下混雜纖維混凝土中聚丙烯纖維熔化后留下若干孔洞，形成高壓蒸汽的排出通道，阻止了爆裂的產(chǎn)生，但也因此削弱了混凝土強度，并形成了外部介質入侵的連通性通道，從而大大降低了混凝土的耐久性。

(二)外加減水劑及骨料

外加減水劑及骨料對高性能混凝土的影響有:(1)雙摻礦粉、粉煤灰能夠有效提高混凝土經(jīng)高溫處理后的殘余強度。(2)對相同水灰比的試樣，聚羧酸高效減水劑比萘系高效減水劑對混凝土的高溫力學性能更有利，加入引氣劑后能夠有效的防止混凝土的爆裂現(xiàn)象。(3)在相同條件下，采用玻璃渣作骨料的混凝土經(jīng)高溫處理后的力學性能明顯好于采用普通砂石作骨料的混凝土。

綜上所述，高性能混凝土是一種低滲透性、低空隙率、含水量小的脆性材料，在現(xiàn)代高層、超高層及大空間建筑內得到了普遍應用，但是，其耐火性能并不比普通混凝土具有優(yōu)勢，相反的，由于其具有低滲透性，往往更易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，導致混凝土表面保護層的爆裂性破壞，使鋼筋暴露于火中。而且，可能導致混凝土橫截面顯著減小而降低混凝土的承載能力，從而使耐火時間大大降低。并且，在超過400℃高溫作用下，高性能混凝土強度損失較普通的混凝土下降更多，下降更劇烈。因此，對于有防火要求的重要結構，混雜纖維、外加減水劑及骨料等手段能提高高性能混凝土的耐火性能，并且混雜纖維混凝土能對火災后鋼筋繼續(xù)起到保護作用。

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