火灾后混凝土材料性能损失统计研究

2015-02-10刘建军张亚明

安徽建筑 2015年6期

刘建军，张亚明

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022）

0 前言

近年来随着建筑物高层化、规模化、功能用途复杂化及密集化程度加剧，火灾的发生因素也随之增加，规模日益扩大。建筑防火作为建筑防火的一个分支，已经引起社会的关注。现在火灾时有发生，造成了巨大的人员死伤与财产损失，也留下了许多过火后的建筑物，钢结构耐火性能差，火灾中的钢结构坍塌较多，钢筋混凝土结构由于其耐火性能较好，灾后多数都能通过加固处理后继续使用。

对灾后钢筋混凝土结构的研究主要着力于结构材料的损伤程度的确定，主要包括构件温度场分布情况，钢筋和混凝土的强度衰减状况。尤其高强度材料在现代建筑中的应用越来越广泛，应该引起注意。对于材料过火后的材性损失的分析与确定，为后续的过火后结构加固与重建工作提供可参考的依据。

1 普通混凝土高温后特性

混凝土的抗压强度是混凝土性能的重要性能参数，尤其在受过高温后，混凝土材料的强度衰减状况，更是灾后受火结构检测、鉴定的重中之重，为后期的结构加固或拆除提供依据。影响高温后混凝土抗压强度的因素主要有：粗骨料种类、混凝土常温强度、高温后冷却方式、最不利温度以及受最不利温度作用时间。正是由于影响因素的不确定性和难以定量化增加了对过火后混凝土强度衰减的研究难度。

混凝土的弹性模量是混凝土另一个重要性能参数，它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，对于判断构件受火灾影响后的延性变化和承载力的降低有着重要的意义。混凝土的抗压强度和弹性模量受高温后的折减情况分别见图1和图2。

图1是高温后混凝土材料抗压强度折减对比曲线，观察曲线可知：

①文献[1]、[2]、[3]、[4]中普通混凝土抗拉强度折减系数分布曲线曲率变化较为接近，但是强度损失点不同，这是由混凝土的材料组成区别造成的。文献[1]中使用的材料是硅酸盐水泥，文献[2]中使用的是两种骨料，分别是石灰石和花岗石。由图中曲线可见花岗石、石灰石骨料混凝土的高温后抗压强度比硅酸盐骨料混凝土高，这与文献[4]中总结的结论是一致的。文献[4]则是总结了当前过火后混凝土材料的强度折减，由该文献提供的数据绘制出图中的曲线，强度的折减并不是迅速的下降，衰减速率忽高忽低，与其他曲线相比，变化不规则不均匀。

②文献[5]则是采用不同冷却方式进行研究，可以看出自然冷却条件下材料强度折减比喷水冷却要高一些。分析原因是喷水冷却使得材料表面与内部受热不均，同时温度急剧下降，材料的组成成分之间的应变差瞬间加剧，形成微裂缝使得材料的强度下降较多。文献[6]同样采用的自然冷却，其混凝土强度折减曲线与文献[5]自然冷却的曲线符合的较好，说明不同冷却方式对高温后混凝土抗压强度会产生一定的影响。

③文献[7]对不同骨料混凝土进行分类研究，由图中曲线可以看出钙质骨料混凝土在高温作用后强度衰减低于硅质骨料，其过火性能较后者要优秀一些。这与有关文献资料的结论有所不同。分析原因是由于试验的方法和原材料的配合比等因素存在差异。

图2中给出了目前过火后混凝土弹性模量折减对比曲线，观察曲线可知。

①文献[1]采用的是不同强度等级的混凝土试件进行的实验，由图中曲线可知高强度混凝土的弹性模量折减明显小于普通混凝土材料。可见材料的强度等级对混凝土的弹性模量影响较大。

②文献[8]采用的是两种不同的冷却方式，但是曲线基本重叠，可以看出不同的冷却方式对高温后混凝土的弹性模量折减影响并不大。

③综合全部曲线可以得知混凝土在受热达到700℃时，其弹性模量基本降低至常温下的5%左右，已经丧失承载力。

④文献[9]指出高强度混凝土在高温作用后的弹性模量的变化与普通混凝凝土是极为类似的。400℃是其弹模变化的临界点，400℃之前降低较小，之后则加速衰减，600℃时降为常温下的25%，800℃时只有常温下的20%。虽然衰减的趋势相似，但是高强度混凝土的弹模残余量明显高于普通混凝土。

高温后混凝土结构中混凝土材料的剩余弹性模量直接影响结构的剩余刚度，当弹性模量过低时，结构不具备足够的刚度和承载力去维持结构的正常使用。因此，对混凝土结构中混凝土材料的弹性模量进行研究是非常重要的。

2 过火后普通混凝土材料材性变化趋势拟合

过火后混凝凝土的强度、弹性模量折减拟合曲线是建立在对现有的相关方面试验数据的分类整理基础上的。数据资料均来源于各大高校专业研究文献，经过拟合后得出可信度95%以上的拟合计算公式。

2.1 过火后普通混凝土抗压强度衰减

对过火后混凝土抗压强度衰减按照两种类别进行：一种是按照骨料的种类分类，另一种是按照冷却方式分类，经过这样分组后，得出的拟合结果较为理想，且易于应用在工程实践中应用。

图3、图4是按照这两种分类方法收集的数据绘制的分布图及拟合曲线。

图3、图4中的数据是将收集到的相关文献数据使用数据提取工具提取出实验数据转换成excel表格后，对数据进行分类后得到的试验数据散点图。

图3中混凝土按照骨料类型分类后可以看出，在大量的数据拟合后得到硅质骨料的过火后混凝土抗压强度衰减较钙质骨料要缓慢，但是二者的整体衰减趋势接近，无明显的材性质变点。二者强度衰减差值不超过15%，衰减平缓、均匀。

图4中是按照不同冷却方式对实验数据进行分类的结果，从图中可以看出随着温度的升高，喷水冷却方式对混凝土抗压强度衰减影响越来越大。分析原因是因为温度越高，表面喷水后使得内外的温度差越大，不同截面间的温度应力差越大，混凝土材料中的微裂缝开展越多，整体的强度衰减越严重。

基于上述统计数据，得出过火后混凝土材料抗压强度变化拟合公式如下：

混凝土抗压强度折减系数计算公式：

普通混凝土抗压强度折减计算公式：

硅质骨料：

钙质骨料：

喷水冷却：

自然冷却：

式中：Kfcut——混凝土抗压强度折减系数

fcu,t——混凝土在高温冷却后的抗压强度

fcu——混凝土常温下抗压强度

T——混凝土受火最高温度

2.2 过火后普通混凝土弹性模量衰减

图5是过火后普通混凝土材料弹性模量衰减数据收集与拟合曲线。

由图5拟合曲线可以看出普通混凝土弹性模量随温度衰减状况基本与前述的文献内容吻合，也说明了普通混凝土材料弹性模量变化是具有普遍性的。

基于上述统计数据，得出过火后混凝土材料弹性模量变化拟合公式如下。

混凝土弹性模量折减系数计算公式：

普通混凝土弹性模量折减计算公式：

式中：KEt0——混凝土弹性模量折减系数

Eto——混凝土在高温冷却后的弹性模量

Et——混凝土常温下弹性模量

T——混凝土受火最高温度

3 结论

火灾后钢筋混凝土结构的材料性能在一定程度上均会产生不同程度的降低，这些材性的折损主要受到最不利温度、材料自身强度以及冷却方式的影响。

①钙质骨料混凝土的高温后抗压强度比硅质骨料混凝土低。

②喷水冷却方式对混凝土材料材性降低有明显的影响，相较于自然冷却材性降低速度快、幅度大。

③高强度混凝土的抗高温性能不及普通混凝土。

④普通混凝土弹性模量衰减较为稳定平缓，没有起伏。

文中给出了过火后普通混凝土材料的抗压强度及弹性模量折算公式，希望对火灾后相关混凝土结构的鉴定与加固提供一定的借鉴及依据。

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