輕質混凝土耐火性能研究進展
2006-02-27 00:00
摘 要：輕質混凝土重量較輕，可以減小承重構件的尺寸，近年來,已經越來越多地用于梁、柱、組合樓板等建筑構件。輕質混凝土的耐火性能與熱工性能和力學性能有關,國內外已經進行了相關研究,并取得了一些成果。本文將對輕質混凝土耐火性能研究進行回顧,并對未來發展進行展望。
關鍵詞：輕質混凝土； 火災； 高溫
Review of the study on behavior of lightweight concrete in f ire conditions
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
1 引言
輕質混凝土是以天然輕集料(如浮石、凝灰巖等) 、工業廢渣輕集料(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、保溫、隔熱、耐火等優良性能。但由于輕質混凝土與普通混凝土相比,抗壓強度較低,長期以來一直作為非結構材料來使用。隨著建筑技術的不斷發展,輕質混凝土的強度也在不斷提高，應用范圍也逐步向結構材料擴展。目前，日本、挪威和美國等發達國家對于輕質混凝土的研究和應用都取得了重要進展，CL50 -CL60 輕質混凝土已在工程中大量使用，輕質結構混凝土的抗壓強度最高可達到70MPa。與國外相比，我國輕質混凝土發展和應用相對較晚，但隨著對建筑節能和建筑物功能性要求的提高，高強輕質混凝土、輕質結構混凝土在我國的研究和應用也得到了迅速發展。例如，湖北宜昌生產的高強陶粒，可以配制出強度等級為CL30～CL60 或更高的輕質混凝土；鐵道部大橋局橋梁科技研究所將CL40 粉煤灰陶粒混凝土成功應用于金山公路跨度為22m 的箱形預應力橋梁，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 輕質結構混凝土在永定新河大橋得到應用；珠海國際會議中心20 層以上部位全都采用輕質混凝土；阜新22 層的商業大廈以及本溪20 層建溪大廈都是以自燃煤矸石為輕集料配制的輕質結構混凝土[1 ] 。
火災中鋼筋混凝土結構倒塌的情況并不鮮見，例如，南昌萬壽宮商城，底部兩層框架是商場，上部7 層是住宅，1993 年5 月13 日在火災中倒塌；衡陽永興綜合樓，底層是鋼筋混凝土框架結構，上面為磚混結構的住宅，2003 年11 月3 日凌晨，在火災中倒塌。隨著鋼筋混凝土結構在火災中嚴重破壞甚至倒塌的案例增多，輕質混凝土的耐火性能也引起了人們高度重視，國內外對此進行了一些相關研究，下面進行簡要回顧。
2 輕質混凝土熱功能研究進展
2.1 礦物摻合料對熱工性能參數的影響
火災對建筑結構造成危害的原因是火災產生的高溫。火場可燃物燃燒產生的熱量通過對流、輻射傳到構件表面，再通過熱傳導，向構件內部傳遞，導致整個構件內溫度不均勻升高。構件溫度不均勻升高將會產生三個方面的影響。首先，高溫會使材料彈性模量降低，結構剛度下降；其次，高溫使材料強度降低，導致結構承載能力下降； 再就是構件內部不均勻升溫，會使構件內部及整個結構中產生不均勻熱膨脹，從而使構件內部及整個結構中產生很大的附加應力。
為了研究輕質混凝土結構在火災中的行為，必須首先了解火災下構件內溫度場的分布規律，因此要首先了解輕質混凝土的熱工性能參數。混凝土的熱功性能和金屬材料有很大的不同，這是因為混凝土是由水泥、粗細集料及各種化學摻合料等組成的復合材料，各種材料受高溫作用后性質會發生不同的變化，另外混凝土為非結晶材料，結構中沒有像金屬材料那樣有規則的晶體排列，所以混凝土受高溫作用后情況變得更為復雜。
輕質混凝土的特點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速率降低，并且當溫度上升時，物質內分子的振動更加劇烈，熱傳導的速率就越大。對于密度較小的輕質混凝土而言，其熱傳導速率受溫度的影響比普通集料混凝土小很多，孔隙率越大的輕質混凝土的隔熱效果越好[2 ] 。
為了研究礦物摻合料對輕質混凝土熱傳導系數的影響，有學者對比了當礦物摻合料取代量在0～80 %之間時，輕質中空混凝土墻板熱傳導系數的相應變化范圍。當水灰比為0.5 時，熱傳導系數介于0.256～0.299 之間；當水灰比為0.6 時，熱傳導系數介于0.243～0.275 之間；當水灰比為0.7 時，熱傳導系數介于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，輕質中空混凝土墻板熱傳導系數逐漸降低。此外，所摻加的礦物摻合料的密度也影響輕質混凝土的熱傳導系數，密度越大，熱傳導系數越大[3] 。
2.2 水分對熱工性能參數的影響
通過試驗分析和數值模擬發現水分對于混凝土熱功能有明顯影響。當混凝土澆筑并完成水化后，內部多余的水分將形成毛細管孔，這些毛細管孔的體積主要是由水膠比控制，水膠比越大，形成的毛細管孔就越大，孔隙就越多，其抗壓強度也相對較低。但由于空氣的良好絕緣特性和空氣的熱傳導能力較低等原因，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，其熱傳導系數也就越小，熱功能也就越好[4 ]。
3 高溫下輕質混凝土力學性能研究進展
輕質混凝土的應力應變曲線較普通混凝土更接近直線，因為輕質混凝土在降服破壞以前，其受力主要由水泥砂漿承擔，而水泥砂漿為均質材料，故應力- 應變曲線呈線性發展，而普通混凝土受力主要由集料承擔。當輕質混凝土受力超過極限而破環時，水泥漿體承受力量迅速傳至集料，將因集料強度無法承受而迅速破壞，所以輕質混凝土的破壞更具脆性[2 ]。
近年來，國內外學者通過試驗研究高溫下輕質混凝土的力學性能，取得了一定的成果。臺灣學者陳凱勛對比了三種配比的輕質混凝土磚在高溫下試件的殘余強度與所承受的高溫溫度之間的關系，得到了一些有益的結論。從試驗數據中可以看出[2 ]，三組配比在承受200℃高溫后，平均抗壓強度大約為室溫下28d 抗壓強度的90 %左右，顯示出輕質混凝土磚在承受200℃高溫后的強度損失并不大。三組配比在承受400℃高溫后的平均抗壓強度大約為室溫下28d抗壓強度的71 %左右，顯示出輕質混凝土磚在承受400℃高溫后的強度損失開始明顯增加，水泥漿體的C - S- H 凝膠中的凝膠水此時開始釋放，這是導致強度損失的主要原因。三組配比在承受600℃的高溫后，平均抗壓強度大約為室溫下28d抗壓強度的47.5 %左右，顯示出輕質混凝土磚在承受600℃高溫后的強度損失嚴重。三組配比在承受800℃的高溫后的平均抗壓強度大約為室溫下28d抗壓強度的37%左右，而一般混凝土與高性能混凝土在承受800℃高溫后抗壓強度只有原來的10 %～20 %。造成這一差異的主要原因就在于集料的種類不同，上述研究所采用的輕集料是水庫淤泥經1200℃高溫燒制而成的人造輕集料，在800℃的溫度下，集料的性質變化不大。
4 輕質混凝土構件的耐火性能研究
研究輕質混凝土構件的耐火性能，主要是把握火災現場的溫度隨時間的變化歷程以及在高溫下相關的各個因素對于輕質混凝土構件的定量影響規律，從而為正確評估輕質混凝土的耐火性能和混凝土結構構件的損傷評估提供科學的依據。研究輕質混凝土構件的耐火性能主要有兩條途徑：試驗研究和數值模擬。試驗研究具有直接可靠的優點，可以較好地把握輕質混凝土構件受火災影響后相關各因素的定性變化趨勢，并且利用試驗數據可以建立一些經驗或半經驗的定量變化模型，可以為數值模擬結果的檢驗提供依據。
一般為了比較輕質和普通混凝土結構構件在安全防火性能上的差異，研究者一般以標準升溫曲線對輕質和普通混凝土結構構件加熱，以比較其兩者的耐火性能。耐火加溫曲線依據CNS 12514 的耐火標準加熱溫度- 時間曲線圖，以判定各試件的耐火時效，耐火試驗所用的試件主要有樓板，墻體，梁等。試驗時，爐內的溫度是按照CNS 12154 的標準升溫曲線，在三十分鐘時，爐內的溫度應升至840℃，一小時則升至925℃，燃燒后觀察試件外觀的變化及破壞的情況。
依據CNS 12514 的定義，材料的阻熱性是指在標準耐火試驗條件下，測試的試件其一面受火時，能在一定時間內，其非加熱面溫度不超過規定值的能力。也就是：試件背火面在耐火測試時，溫度不能超過規范所規定的最高溫度或平均溫度。如CNS 12514 即規定任一點的溫度不得大于210 ℃，所有測點的平均溫度不得大于170 ℃。
試驗結果表明：當干燥的混凝土構件受到火害侵襲時，在低強度(20MPa) 時，受841 ℃火害后，輕質混凝土構件的抗壓強度要比同強度等級的普通混凝土高出38 % ，在高強度時更是高出50 % ，其耐火性能明顯優于普通混凝土[2 ]。
5 結束語
與普通混凝土相比，輕質混凝土具有較佳的耐火性能，應用在建筑結構中，可增加耐火時間，提高建筑結構的安全水平，因此，輕質混凝土具有十分廣闊的發展前景。隨著輕質混凝土應用范圍的擴大以及人們對結構物耐火問題的重視，與輕質混凝土耐火性能有關的下列問題迫切需要研究：
(1) 由于火災產生的高溫會使構件內的水分汽化，產生很大孔隙壓力，使輕質混凝土發生剝落甚至爆裂，直接影響建筑結構的安全，因此，需要研究防止剝落和爆裂發生的方法；
(2) 高溫下輕質混凝土的本構模型是預測建筑結構在火災中的力學性能的基礎，目前單軸本構很少，多軸本構關系還未見報道，需要進一步深入研究。
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