消防射水對(duì)火災(zāi)后高性能混凝土剩余抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

時(shí)啟獻(xiàn)

(山東省菏澤市公安消防支隊(duì)，山東菏澤 274000)

高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，建筑物的材料性能嚴(yán)重劣化，特別是消防射水撲救后結(jié)構(gòu)性能大大削弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同程度的損傷和承載力的下降。受火災(zāi)破壞的建筑物能否繼續(xù)使用，是否可以通過(guò)修復(fù)加固措施恢復(fù)建筑物的使用功能，就必須科學(xué)地判斷建筑物結(jié)構(gòu)的受損程度，研究消防射水對(duì)建筑物剩余承載力的影響［1］。

因此，深入研究火災(zāi)后消防射水對(duì)高性能混凝土性能影響的衰減規(guī)律，科學(xué)地診斷火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的受損程度，確定其殘余承載力，從而延長(zhǎng)建筑物結(jié)構(gòu)受火時(shí)坍塌的時(shí)間，以便受災(zāi)人員安全撤離災(zāi)場(chǎng)，消防人員救護(hù)傷亡人員等活動(dòng)。將火災(zāi)造成的損失降低到最少，這已成為各國(guó)建筑結(jié)構(gòu)及材料科研人員和工程技術(shù)人員共同關(guān)注的新課題。

1 混凝土配合比

本試驗(yàn)配制的C40 高性能混凝土，配合比以每1 m3混凝土中各項(xiàng)材料的質(zhì)量表示，如表1 所示。

表1 C40 高性能混凝土配合比

2 試驗(yàn)方法

采用100 mm×100 mm×100 mm 的試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、室內(nèi)靜置1個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)。加熱爐溫度范圍為20～900℃，爐膛溫度可自動(dòng)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(shè)定等級(jí)取20 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃9個(gè)等級(jí)。首先將立方體試件放入電爐內(nèi)加熱至預(yù)定溫度，再恒溫2 h。然后以噴淋冷卻模擬消防射水(噴淋時(shí)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(shí)際火災(zāi)撲滅過(guò)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(huán)境中靜置至預(yù)定的時(shí)間后，使用100 t 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定(每組三個(gè)試塊，抗壓強(qiáng)度取算術(shù)平均值，舍去差異超過(guò)中間值15 %的強(qiáng)度值)，參考GBJ 81－85《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［2］進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究火災(zāi)后消防射水對(duì)HPC 剩余強(qiáng)度的影響程度，本文對(duì)高溫作用后的HPC 進(jìn)行了自然環(huán)境下冷卻和射水冷卻兩種方式。

圖1 C40HPC 剩余抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度變化、強(qiáng)度折減系數(shù)與溫度關(guān)系曲線

由圖1 中可以明顯看出:

(1)在自然冷卻狀態(tài)下，高溫作用200 ℃后，C40HPC 的剩余強(qiáng)度有所提高，比常溫條件下大約提高1.3%;隨著溫度的進(jìn)一步升高，混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，400 ℃以前，C40HPC 試件的剩余強(qiáng)度下降較緩，500 ℃后混凝土強(qiáng)度下降非常迅速。這是由于當(dāng)溫度到達(dá)200 ℃時(shí)，溫度提供了增進(jìn)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(xù)水化，水化產(chǎn)物繼續(xù)增加，同時(shí)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(kāi)始失去穩(wěn)定，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)主要是由于水分的蒸發(fā)使得C－SH 凝膠發(fā)生脫水反應(yīng)，生成短的而強(qiáng)度高、表面能大的硅氧烷，這樣使水泥漿體產(chǎn)生緊縮，化學(xué)結(jié)合力、粘結(jié)強(qiáng)度提高，孔隙大小重新分布。溫度達(dá)到500 ℃的時(shí)候，混凝土內(nèi)部凝膠開(kāi)始脫水分解，此時(shí)層間水和化學(xué)結(jié)合水排除，氫氧化鈣大量分解，使得原本結(jié)晶完整的片層結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度下降明顯。同時(shí)，隨著大量蒸發(fā)水的蒸發(fā)，HPC 內(nèi)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(qiáng)度曲線一直呈下降趨勢(shì)，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(guò)程中，C40HPC 試件產(chǎn)生了較大的內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，致使混凝土內(nèi)部和表面產(chǎn)生較多裂縫，抵消了混凝土試件在高溫作用時(shí)強(qiáng)度提高的有利因素，造成在高溫200℃后，混凝土的剩余強(qiáng)度沒(méi)有超過(guò)常溫時(shí)的強(qiáng)度。加熱溫度達(dá)到300 ℃左右時(shí)，硅酸鹽水泥漿體中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣開(kāi)始脫水，同時(shí)大量水蒸氣的外逸沖刷和擠脹作用，又?jǐn)U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(qiáng)度迅速下降，因而混凝土的殘余強(qiáng)度下降幅度較大［4、5］。

4 數(shù)據(jù)擬合

有關(guān)HPC 高溫后剩余抗壓強(qiáng)度與溫度之間關(guān)系的計(jì)算模型。國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者提出計(jì)算模型。比較典型的有李衛(wèi)［6］、謝狄敏［7］等人提出了基于立方體的高溫后抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型，其中，李衛(wèi)提出的計(jì)算模型為:

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

利用Origin7.5 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(qiáng)度折減系數(shù)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(jí)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與溫度關(guān)系二元回歸曲線

5 結(jié)論

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

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

(3)通過(guò)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(qiáng)度與火場(chǎng)溫度之間的二元線性回歸公式。發(fā)生火災(zāi)后，可根據(jù)溫度及火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)滅火方式迅速估計(jì)出火災(zāi)后HPC 的強(qiáng)度值，用于結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)價(jià)以及高層建筑火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)估和修復(fù)等，都具有重要的理論和工程價(jià)值。

［1］李敏.高強(qiáng)混凝土受火損傷及其綜合評(píng)價(jià)研究［D］.東南大學(xué)，2005

［2］GBJ 81－85 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］

［3］呂天啟，趙國(guó)藩，林志伸，等.高溫后靜置混凝土的微觀分析［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，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(wèi)，過(guò)鎮(zhèn)海.高溫下混凝土的強(qiáng)度和變形性能試驗(yàn)研究［J］建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1993，14(1):8－16

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