泡沫混凝土和混凝土耐火极限的比较研究

杨小芳，于水军，高 岩，张朋飞

（1.河南理工大学基建处，河南 焦作，454000；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作，454000；3.河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南 焦作，454000）

泡沫混凝土和混凝土耐火极限的比较研究

杨小芳1，于水军2，3，高 岩1，张朋飞2，3

（1.河南理工大学基建处，河南 焦作，454000；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作，454000；3.河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南 焦作，454000）

泡沫混凝土用在建筑节能保温工程中，其耐火性能对提高建筑物的抗火灾能力非常重要。在模拟火灾条件下，通过测定不同密度、不同煅烧时间、不同含水量的泡沫混凝土和混凝土的抗压强度值，比较泡沫混凝土和混凝土的耐火极限的变化规律。结果表明，在火灾条件下，泡沫混凝土和混凝土的抗压强度损失率均随密度的增大而降低；密度为300kg／m3和800kg／m3的泡沫混凝土，在800℃下煅烧20min后，其抗压强度损失率分别为66.3%和25.5%；在同样的煅烧条件下，密度为2200kg／m3和2400kg／m3混凝土的抗压强度损失率分别为18.6%和15.8%；泡沫混凝土和混凝土的含水量越高，耐火极限就越长。泡沫混凝土为具有不燃特性A级保温材料，被用于建筑外墙保温隔热材料时，其抗压强度会因火场可燃材料的高温煅烧而有所降低，但其耐火极限能完全满足《建筑防火设计规范》。

泡沫混凝土；耐火极限；抗压强度损失

0 引言

建筑火灾已成为破坏建筑结构的主要灾害之一。建筑构件在火灾的高温作用下，其结构受力性能将大为削弱。如抗压、抗拉强度等［1－3］。泡沫混凝土除了具有普通混凝土所没有的轻质、保温、隔音、高强度比、高流动性等特点外［4－8］，还具有有机泡沫所没有的不燃特性，使其在建筑节能保温、隔音防火墙、道路加宽和煤矿防灭火等工程中均得到较广应用［9－11］。泡沫混凝土具有高孔隙率和高渗透性的特点，在火灾条件下，其结构性能易发生变化［12，13］。泡沫混凝土在建筑保温工程中的应用越来越广泛，但是对其耐火极限的研究较为滞后。所以，对在火灾条件下泡沫混凝土耐火极限的研究，并与混凝土比较，具有一定的现实意义。在模拟火灾条件下，实验测定了在不同密度、不同煅烧时间、不同含水率情况下，泡沫混凝土和混凝土的抗压强度及其损失率的变化规律；并通过对实验数据的分析，找出火灾条件下泡沫混凝土耐火极限的主要影响因素。

1 试验方法

1.1 原材料与试验仪器

（1）水泥：PC 32.5普通硅酸盐水泥（焦作中晶水泥有限公司），其主要物理指标如表1［14］所示。

表1 普通硅酸盐水泥的主要物理指标Table 1 Main physical index of the ordinary portland cenment

（2）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰（焦作热电厂）。

（3）发泡剂：复合型发泡剂（自制），其基本组成如表2［14］。

（4）纤维：聚丙烯短纤维（市售）。

（5）试模：规格100mm×100mm×100mm。

（6）烘箱：数显电热鼓风干燥箱，型号GZX－9023MBE。

（7）煅烧实验炉：GJL-1型材料耐火性能燃烧试验炉，装置示意图如图1所示，燃气为液化石油气。

（8）液压万能试验机：SKZY-200型压力测试机；CL-03测力显示控制仪。

表2 发泡剂的基本组成Table 2 The elements of the composite foam

图1 GJL-1型材料耐火性燃烧试验炉结构示意图Fig.1 Schematic of GJL-1type of material burning fire resistance test furnace

1.2 泡沫混凝土试块制备

将水泥、粉煤灰、纤维按照80∶40∶0.2的比例均匀混合，加水（水灰比为1∶2）搅拌均匀，制成水泥粉煤灰浆。将复合发泡剂用发泡机制成细密均匀的泡沫，把泡沫与水泥粉煤灰浆按照一定的比例混合，搅拌均匀，制成泡沫混凝土浆，把制得的浆体浇注到规格为100mm×100mm×100mm的标准试模中，进行初期48h静养后，拆模，放入养护池中，养护28d，制得泡沫混凝土标准试块。

1.3 泡沫混凝土干体积密度和吸水率的测定

取试件一组3块，逐块量取长、宽、高三个方向的轴线尺寸，精确至1mm，计算试件的体积V。

将试件放入电热鼓风干燥箱内，在（60±5）℃下保温24h，然后在（80±5）℃下保温24h，再在（105±5）℃下烘至恒重，试件冷却至常温后，称量其质量M0，精确至1g。泡沫混凝土的干体积密度为：

ρ—试件的干体积密度，kg／m3；M0—试件烘干后质量，g；V—试件体积，mm3。

把试块放入水温为（20±5）℃的恒温水槽内，然后加水至试件高度的1／3，保持24h，再加水至试件高度的2／3，经24h后，加水高出试件30mm以上，保持24h。将试件从水中取出，用湿布抹去表面水分，立即称量每块质量Mg，精确至1g。泡沫混凝土的吸水率为：

L—试件的吸水率，%；M0—试件烘干后的质量，g；Mg—试件吸水达饱和后的质量，g。

1.4 泡沫混凝土试块的煅烧试验

取 密 度 为 300kg／m3、400kg／m3、500kg／m3、600kg／m3、700kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土标准试块各1组3块。煅烧时，将试块放入GJL-1型材料耐火性燃烧试验炉中，热电偶A放于试块下底面，热电偶B垂直插入试块正上部的小孔中，热电偶B的插入深度为试块高度的1／2，用速凝水泥砂浆把热电偶B封固于试块小孔中。液化石油气作为燃气，点燃燃气，调节火焰高度，使火焰的外焰部分刚好与试块下底面接触，火焰外焰处于试块正下方位置，外焰温度控制为800℃，试块煅烧时间依次控制为10min、15min、20min、25min、30min，用热电偶A和B分别测定火焰温度和试块中心的温度变化。把煅烧后的试块测定抗压强度，并计算抗压强度损失率。

1.5 泡沫混凝土抗压强度测定和强度损失率的计算

将试块放于液压万能试验机载物台上，试块的中心与液压万能试验机下压板中心对准，试块的承压面与成型时的顶面垂直。开动试验机，当上压板与试块接近时，调整球座使之接触均匀。以2KN／s的速度连续而均匀的加荷，直至试块破坏，记录破坏载荷。可用（3）式计算试块的抗压强度值：

P—试块的抗压强度值，MPa；F—破坏载荷，N；S—试块受压面积，mm2。

同密度泡沫混凝土在煅烧前后的抗压强度之差与煅烧前的抗压强度之比称为强度损失率，可表示为：

α—抗压强度损失率，%；P1—煅烧前测得试块的抗压强度，MPa；P2—煅烧后测得试块的抗压强度，MPa。

混凝土的试验方法基本同上。选取的是C30的混凝土，配合比如表3所示。

表3 C30混凝土配合比Table 3 C30concrete mix ratio

2 试验结果及分析

2.1 泡沫混凝土与混凝土的耐火极限比较

泡沫混凝土与混凝土的材料组成不同，性质不同，因此二者耐火极限概念的内涵也不同。对于泡沫混凝土而言，是指从受火的作用开始，到其抗压强度值低于规定的最小值为止的这段时间；对于混凝土而言，是指从受到火的作用时起，到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间，均用小时表示。

利用时间－温度标准曲线进行耐火试验，可以确定其耐火极限。利用煅烧试验，计算试件的强度损失率，可以判断火灾作用后构件是否超过了耐火极限。

取干体积密度分别为300kg／m3、400kg／m3、500kg／m3、600kg／m3、700kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土试块各1组3块，按照1.3的试验方法进行煅烧试验，试块的煅烧时间为20min，冷却至常温后测定试块抗压强度（取3次测量结果的平均值），计算强度损失率。

图2 泡沫混凝土强度损失率随密度的变化Fig.2 Strength loss of foam concrete versus density

不同干体积密度的泡沫混凝土煅烧后抗压强度损失率如图2所示。从图2可得：在火灾条件下，随着泡沫混凝土干体积密度增加，其抗压强度损失率减小。在密度为600kg／m3～800kg／m3范围内抗压强度损失率微弱减小，这一特性对建筑防火材料的选用具有一定的借鉴意义。

混凝土的强度损失率变化如图3所示，与泡沫混凝土相比，其强度损失变化斜率较小，说明密度不是主要的影响因素。

泡沫混凝土强度损失率随煅烧时间的变化如图4所示。从图4可以得到：在同一干体积密度下，泡沫混凝土的抗压强度随煅烧时间的增长而降低，降低率逐渐减小并呈现一定的对数关系。这是因为在火灾条件下，泡沫混凝土的内部结构会发生变化，导致气孔壁应力发生变化，从而发生断裂。由于泡沫混凝土的低热传导性，因此在煅烧初期局部温度变化大，产生的局部应力也大，结构破坏较严重。在30min煅烧时间内，抗压强度值趋近某一最小值。因此，提高泡沫混凝土在火灾情况下的抗压强度值，对建筑火灾的防治具有重大意义。

图3 混凝土强度损失率随密度变化Fig.3 Strength loss of concrete versus density

图4 泡沫混凝土强度损失率随煅烧时间的变化Fig.4 Strength loss of foam concrete versus calcination time

2.2 含水量对泡沫混凝土和混凝土耐火极限的影响

取干体积密度分别为400kg／m3、600kg／m3、800kg／m3的泡沫混凝土试块各5块，称取试块质量。将试块放入水温为25℃的恒温水槽中浸泡，每隔1h取各密度试块1块，试块从水中取出后，用吸水布抹去表面水珠，即刻称取试块质量，计算试块的吸水率。不同密度试块浸泡不同时间质量增加百分比见图5。每个试块煅烧20min，冷却至常温后，测试试块抗压强度。测试结果如图6所示。不同含水率的试块，其抗压强度损失率测试结果如图7所示。

从图5、图6中可以看出：不同密度的泡沫混凝土试块在浸泡相同时间时，密度大的试块煅烧后抗压强度也大，但是抗压强度变化规律差别较大。密度为400kg／m3的试块随着浸泡时间的增长，吸水率先快速增加，然后趋于平衡，抗压强度也逐渐增加。密度为600kg／m3的试块随着浸泡时间增长，湿度较快增加，然后缓慢增加，但抗压强度逐渐减小。密度为800kg／m3的试块，随着浸泡时间的增加，湿度缓慢增加，抗压强度先快速增加，然后增速减小。上述现象与泡沫混凝土内部气孔结构有关，泡沫混凝土吸水后气孔内空气湿度增加，在煅烧时，内部湿空气温度上升，产生复杂的湿度应力场和空气膨胀力；孔壁含水量增加，在高温条件下同样会产生复杂的应力，所用材料本身的性质在高温下也会发生剧烈变化。三处产生的应力集中在一起构成了复杂的受力场，在这种力场作用下，泡沫混凝土内部结构发生很大变化，抗压强度值也变化较大。

从图7（a）可以看出，随着含水率的增大，不同密度的泡沫混凝土试块的强度均减小。密度为400kg／m3的试块随着含水率的增大，其强度的损失率有一个明显的下降，然后趋于平缓；密度为600kg／m3和800kg／m3的试块随着含水率的增大，其强度损失率明显下降，说明含水量对泡沫混凝土强度损失有较大的影响。

从图7（b）可以看出，随着含水率的增大，不同密度的C30混凝土试块的强度损失率均减小。与泡沫混凝土相比，其含水率较小，这是因为，混凝土内部致密，吸水性弱。从本图也可以看出，水对混凝土的耐火极限也有影响。需要说明的是，不同强度等级的混凝土有一个最佳含水量要求，若含水量太大，内部有气孔，直接影响混凝土的强度。

从事建筑火灾防治研究时，通常用耐火极限表示建筑构件的耐火性能。从泡沫混凝土耐火极限的概念可以看出，其判定条件较单一，即受火作用后，只要其抗压强度低于规定的最低值，就认为其达到了耐火极限。因为常作为非承重构件，所以其破坏是局部的，而不是整体的。密度不同，泡沫混凝土构件的耐火极限有所不同，300kg／m3、400kg／m3的耐火极限可以用大于等于1.5h和大于等于2.0h表示。500kg／m3～900kg／m3的耐火极限可达2.7小时。

图5 不同密度试块浸水后的吸水率变化Fig.5 Water contents for samples with different densities after soaking

图6 不同浸泡时间下泡沫混凝土抗压强度损失率Fig.6 Loss rate of the compressive strength of foamed concrete for different immersion time

从混凝土耐火极限的定义可以总结出三个判定条件：稳定性、完整性、隔热性。构件所处的部位不同，使用的判定条件不同，需要具体问题具体分析。比如混凝土承重梁，就可以利用稳定性来判定其耐火极限，《建筑防火设计规范》就规定梁的耐火极限是1.5小时。在本文所述试验条件下，混凝土构件含水率为4%、6%和8%时，耐火极限分别大于1.6h、1.8h、2.1h。混凝土构件常作为承重构件，所以其破坏是整体的，后果是严重的。

图7 泡沫混凝土与混凝土强度损失率随含水率的变化Fig.7 Strength loss of foam concrete and concrete versus water content

3 结论

（1）火灾条件下，泡沫混凝土和混凝土的耐火极限均随干密度的增大而升高。

（2）泡沫混凝土在火灾条件下，同一密度的泡沫混凝土的强度随煅烧时间的增长而降低，呈现对数关系，并且在一定时间范围内趋向某一最小值。混凝土的抗压强度随煅烧时间的延长而呈现直线变化。

（3）含水量对同密度泡沫混凝土的耐火极限影响较大，且对不同密度泡沫混凝土影响不同。300kg／m3、400kg／m3的耐火极限分别大于1.5h和2.0h，500kg／m3～900kg／m3泡沫混凝土的耐火极限可达2.7h。混凝土构件含水率为4%、6%和8%时，耐火极限分别大于1.6h、1.8h、2.1h。相同干体积密度的泡沫混凝土和混凝土的含水量越大，强度损失率越小，其耐火极限就越高，但它们的变化趋势不同。

［1］郭进军，刘忠，张雷顺.混凝土高温损伤研究评述［J］.四川建筑科学研究，2007，33（5）：130-132.

［2］Sakr K，Hakim EE.Effect of high temperature or fire on heavy weight concrete properties［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（3）：590-596.

［3］Tanacan L，Ersoy HY，Arpacioglu U.Effect of high temperature and cooling conditions on aerated concrete properties［J］.Construction and Building Materials，2009，23（3）：1240-1248.

［4］Guoqiang Li，Venkata D.Muthyala.A cement based syntactic foam［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，478（1-2）：77-86.

［5］李永肖，赵风清，张志国，等.承重型泡沫混凝土的研制［J］.粉煤灰综合利用，2009，（5）：52-55.

［6］Nanbiar EKK，Ramamurthy K.Air-void characterisation of foam concrete［J］.Cement and Concrete Research，2007，37（2）：221-230.

［7］Just A，Middendorf B.Microstructure of high-strength foam concrete［J］.Materials Characterization，2009，60（7）：741-748.

［8］Ahmed RM，Takach NE，Khan UM，et al.Rheology of foamed cement［J］.Cement and Concrete Research，2009，39（4）：353-361.

［9］Cox L，Van Dijk S.Foam concrete for roof slopes and floor leveling［J］.Concrete Society，2003，37（2）：37-39.

［10］闫振甲.泡沫混凝土发展状况与发展趋势［J］.混凝土世界，2009，（11）：48-55.

［11］于水军，余明高，谢锋承，等.无机发泡胶凝材料防治高冒区托顶煤自燃火灾［J］.中国矿业大学学报，2010，39（2）：173-177.

［12］傅秀新，潘志华，王冬冬.泡沫混凝土用作防火型保险柜柜壁隔热填充材料［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2009，31（3）：106-110.

［13］蒋冬青.泡沫混凝土应用新进展［J］.中国水泥，2003，（3）：46-48.

［14］杨小芳，闫松，龚健，等.泡沫混凝土的抗火灾性能研究［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2011，（2）：211-214.

Comparison of the fire resistance limits of foamed concrete and concrete

YANG Xiao-fang1，YU Shui-jun2.3，GAO Yan1，ZHANG Peng-fei2.3

（1.Capital Construction Department，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China；
2.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China；
3.Henan Provincial Key Laboratory of Gas and Fire Prediction and Prevention in Mines，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan，454000，China）

Foamed concrete is used in architectural energy conservation and thermal insulation engineering，and its fire performance is very important for the fire resistant ability of building.In simulated fire conditions，the compressive strength values of foamed concrete and concrete were measured and compared in different densities，calcining time，and water contents，in order to investigate the fire resistance limit of foamed concrete.The results show that the compressive strength and the loss rate both decrease with foam density.When the foamed concrete was calcined at 800℃for 20min，the compression strength loss rates were respectively 66.3%and 25.5%for foam densities of 300kg／m3and 800kg／m3，and the values were 18.6%and 15.8%for densities of 2200kg／m3and 2400kg／m3，respectively.Higher water content leads to longer fire resistance limit for both foamed concrete and concrete.When the foamed concrete is used for building external wall material and is subject to fires，its compressive strength will decrease due to high-temperature calcination.However，the fire resistance limit of this material can meet the standard"Code of Design on Building Fire protection and prevention".

Foamed concrete；Fire resistance limit；Strength loss

TU55＋1.33；X932

A

1004-5309（2012）-0078-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.02.05

2011-10-18；修改日期：2011-11-24

河南省重点科技攻关（082102230032）；河南省教育厅自然科学基金（2008B560005）

杨小芳（1967-），男，河南焦作人，工程师，主要从事火灾防治理论与技术方面的研究。