火災(zāi)后混凝土材料性能損失統(tǒng)計(jì)研究

劉建軍，張亞明

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 前言

近年來隨著建筑物高層化、規(guī)?；⒐δ苡猛緩?fù)雜化及密集化程度加劇，火災(zāi)的發(fā)生因素也隨之增加，規(guī)模日益擴(kuò)大。建筑防火作為建筑防火的一個(gè)分支，已經(jīng)引起社會(huì)的關(guān)注。現(xiàn)在火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的人員死傷與財(cái)產(chǎn)損失，也留下了許多過火后的建筑物，鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差，火災(zāi)中的鋼結(jié)構(gòu)坍塌較多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于其耐火性能較好，災(zāi)后多數(shù)都能通過加固處理后繼續(xù)使用。

對災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要著力于結(jié)構(gòu)材料的損傷程度的確定，主要包括構(gòu)件溫度場分布情況，鋼筋和混凝土的強(qiáng)度衰減狀況。尤其高強(qiáng)度材料在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)該引起注意。對于材料過火后的材性損失的分析與確定，為后續(xù)的過火后結(jié)構(gòu)加固與重建工作提供可參考的依據(jù)。

1 普通混凝土高溫后特性

混凝土的抗壓強(qiáng)度是混凝土性能的重要性能參數(shù)，尤其在受過高溫后，混凝土材料的強(qiáng)度衰減狀況，更是災(zāi)后受火結(jié)構(gòu)檢測、鑒定的重中之重，為后期的結(jié)構(gòu)加固或拆除提供依據(jù)。影響高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度的因素主要有：粗骨料種類、混凝土常溫強(qiáng)度、高溫后冷卻方式、最不利溫度以及受最不利溫度作用時(shí)間。正是由于影響因素的不確定性和難以定量化增加了對過火后混凝土強(qiáng)度衰減的研究難度。

混凝土的彈性模量是混凝土另一個(gè)重要性能參數(shù)，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，對于判斷構(gòu)件受火災(zāi)影響后的延性變化和承載力的降低有著重要的意義。混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量受高溫后的折減情況分別見圖1和圖2。

圖1是高溫后混凝土材料抗壓強(qiáng)度折減對比曲線，觀察曲線可知：

①文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]、[4]中普通混凝土抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)分布曲線曲率變化較為接近，但是強(qiáng)度損失點(diǎn)不同，這是由混凝土的材料組成區(qū)別造成的。文獻(xiàn)[1]中使用的材料是硅酸鹽水泥，文獻(xiàn)[2]中使用的是兩種骨料，分別是石灰石和花崗石。由圖中曲線可見花崗石、石灰石骨料混凝土的高溫后抗壓強(qiáng)度比硅酸鹽骨料混凝土高，這與文獻(xiàn)[4]中總結(jié)的結(jié)論是一致的。文獻(xiàn)[4]則是總結(jié)了當(dāng)前過火后混凝土材料的強(qiáng)度折減，由該文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)繪制出圖中的曲線，強(qiáng)度的折減并不是迅速的下降，衰減速率忽高忽低，與其他曲線相比，變化不規(guī)則不均勻。

②文獻(xiàn)[5]則是采用不同冷卻方式進(jìn)行研究，可以看出自然冷卻條件下材料強(qiáng)度折減比噴水冷卻要高一些。分析原因是噴水冷卻使得材料表面與內(nèi)部受熱不均，同時(shí)溫度急劇下降，材料的組成成分之間的應(yīng)變差瞬間加劇，形成微裂縫使得材料的強(qiáng)度下降較多。文獻(xiàn)[6]同樣采用的自然冷卻，其混凝土強(qiáng)度折減曲線與文獻(xiàn)[5]自然冷卻的曲線符合的較好，說明不同冷卻方式對高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

③文獻(xiàn)[7]對不同骨料混凝土進(jìn)行分類研究，由圖中曲線可以看出鈣質(zhì)骨料混凝土在高溫作用后強(qiáng)度衰減低于硅質(zhì)骨料，其過火性能較后者要優(yōu)秀一些。這與有關(guān)文獻(xiàn)資料的結(jié)論有所不同。分析原因是由于試驗(yàn)的方法和原材料的配合比等因素存在差異。

圖2中給出了目前過火后混凝土彈性模量折減對比曲線，觀察曲線可知。

①文獻(xiàn)[1]采用的是不同強(qiáng)度等級的混凝土試件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，由圖中曲線可知高強(qiáng)度混凝土的彈性模量折減明顯小于普通混凝土材料?？梢姴牧系膹?qiáng)度等級對混凝土的彈性模量影響較大。

②文獻(xiàn)[8]采用的是兩種不同的冷卻方式，但是曲線基本重疊，可以看出不同的冷卻方式對高溫后混凝土的彈性模量折減影響并不大。

③綜合全部曲線可以得知混凝土在受熱達(dá)到700℃時(shí)，其彈性模量基本降低至常溫下的5%左右，已經(jīng)喪失承載力。

④文獻(xiàn)[9]指出高強(qiáng)度混凝土在高溫作用后的彈性模量的變化與普通混凝凝土是極為類似的。400℃是其彈模變化的臨界點(diǎn)，400℃之前降低較小，之后則加速衰減，600℃時(shí)降為常溫下的25%，800℃時(shí)只有常溫下的20%。雖然衰減的趨勢相似，但是高強(qiáng)度混凝土的彈模殘余量明顯高于普通混凝土。

高溫后混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土材料的剩余彈性模量直接影響結(jié)構(gòu)的剩余剛度，當(dāng)彈性模量過低時(shí)，結(jié)構(gòu)不具備足夠的剛度和承載力去維持結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，對混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土材料的彈性模量進(jìn)行研究是非常重要的。

2 過火后普通混凝土材料材性變化趨勢擬合

過火后混凝凝土的強(qiáng)度、彈性模量折減擬合曲線是建立在對現(xiàn)有的相關(guān)方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類整理基礎(chǔ)上的。數(shù)據(jù)資料均來源于各大高校專業(yè)研究文獻(xiàn)，經(jīng)過擬合后得出可信度95%以上的擬合計(jì)算公式。

2.1 過火后普通混凝土抗壓強(qiáng)度衰減

對過火后混凝土抗壓強(qiáng)度衰減按照兩種類別進(jìn)行：一種是按照骨料的種類分類，另一種是按照冷卻方式分類，經(jīng)過這樣分組后，得出的擬合結(jié)果較為理想，且易于應(yīng)用在工程實(shí)踐中應(yīng)用。

圖3、圖4是按照這兩種分類方法收集的數(shù)據(jù)繪制的分布圖及擬合曲線。

圖3、圖4中的數(shù)據(jù)是將收集到的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)提取工具提取出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成excel表格后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖。

圖3中混凝土按照骨料類型分類后可以看出，在大量的數(shù)據(jù)擬合后得到硅質(zhì)骨料的過火后混凝土抗壓強(qiáng)度衰減較鈣質(zhì)骨料要緩慢，但是二者的整體衰減趨勢接近，無明顯的材性質(zhì)變點(diǎn)。二者強(qiáng)度衰減差值不超過15%，衰減平緩、均勻。

圖4中是按照不同冷卻方式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的結(jié)果，從圖中可以看出隨著溫度的升高，噴水冷卻方式對混凝土抗壓強(qiáng)度衰減影響越來越大。分析原因是因?yàn)闇囟仍礁撸砻鎳娝笫沟脙?nèi)外的溫度差越大，不同截面間的溫度應(yīng)力差越大，混凝土材料中的微裂縫開展越多，整體的強(qiáng)度衰減越嚴(yán)重。

基于上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出過火后混凝土材料抗壓強(qiáng)度變化擬合公式如下：

混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算公式：

普通混凝土抗壓強(qiáng)度折減計(jì)算公式：

硅質(zhì)骨料：

鈣質(zhì)骨料：

噴水冷卻：

自然冷卻：

式中：Kfcut——混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)

fcu,t——混凝土在高溫冷卻后的抗壓強(qiáng)度

fcu——混凝土常溫下抗壓強(qiáng)度

T——混凝土受火最高溫度

2.2 過火后普通混凝土彈性模量衰減

圖5是過火后普通混凝土材料彈性模量衰減數(shù)據(jù)收集與擬合曲線。

由圖5擬合曲線可以看出普通混凝土彈性模量隨溫度衰減狀況基本與前述的文獻(xiàn)內(nèi)容吻合，也說明了普通混凝土材料彈性模量變化是具有普遍性的。

基于上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出過火后混凝土材料彈性模量變化擬合公式如下。

混凝土彈性模量折減系數(shù)計(jì)算公式：

普通混凝土彈性模量折減計(jì)算公式：

式中：KEt0——混凝土彈性模量折減系數(shù)

Eto——混凝土在高溫冷卻后的彈性模量

Et——混凝土常溫下彈性模量

T——混凝土受火最高溫度

3 結(jié) 論

火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料性能在一定程度上均會(huì)產(chǎn)生不同程度的降低，這些材性的折損主要受到最不利溫度、材料自身強(qiáng)度以及冷卻方式的影響。

①鈣質(zhì)骨料混凝土的高溫后抗壓強(qiáng)度比硅質(zhì)骨料混凝土低。

②噴水冷卻方式對混凝土材料材性降低有明顯的影響，相較于自然冷卻材性降低速度快、幅度大。

③高強(qiáng)度混凝土的抗高溫性能不及普通混凝土。

④普通混凝土彈性模量衰減較為穩(wěn)定平緩，沒有起伏。

文中給出了過火后普通混凝土材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量折算公式，希望對火災(zāi)后相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定與加固提供一定的借鑒及依據(jù)。

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