高强混凝土高温爆裂行为改善措施的研究进展

雪凯旺，苗 苗 ，周 健

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)



高强混凝土高温爆裂行为改善措施的研究进展

雪凯旺，苗 苗 ，周 健

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)

科学技术的进步促进了高强混凝土的广泛应用。但是，由于高强混凝土高密实度、低渗透性的特点，致使其在高温或火灾条件下易出现爆裂现象。本文主要从掺加纤维、调整原材料、涂覆防火材料三个方面对目前高强混凝土高温爆裂行为的改善措施进行了总结。结果表明：通过掺加纤维、调整原材料、涂覆防火材料等措施可以不同程度的提高高强混凝土的耐高温性能。综合利用不同的改善措施可以更好地抑制高强混凝土的高温爆裂行为。

高强混凝土； 爆裂； 改善措施； 综述

1 引 言

混凝土作为世界上最常用的建筑材料，其组成成分一般包括胶凝材料、骨料、水、化学外加剂和矿物掺合料等。在过去几十年中，随着混凝土技术的迅速发展，特别是粉体技术与高性能化学外加剂的发展和应用，高强混凝土，超高强混凝土的制备与应用也变得越来越普及[1,2]。

然而，高强混凝土密实的微观结构虽然可以带来优良的力学性能和耐久性能，但是在高温或火灾条件下却会变为自身的一种缺点从而产生负面效应。大量研究表明[3-6]：在高温或火灾条件下，与普通混凝土相比，高强混凝土由于其自身的密实性，更容易发生破坏，其破坏形式一般是表面剥落或爆裂，且爆裂前没有明显的预兆。混凝土一旦发生表面剥落或爆裂，不仅承载能力将大大降低，而且爆裂产生的裂缝也会加速混凝土内部的碳化，致使钢筋锈蚀，裂缝还为其它侵蚀性介质的进入提供了通道，严重影响了混凝土的耐久性[6-9]。因此，提高混凝土的耐高温性能就显得尤为重要。本文主要从掺加纤维、调整原材料、涂覆防火材料三个方面尝试总结关于高强混凝土高温爆裂行为改善措施的研究进展。

2 掺加纤维

根据掺加纤维的弹性模量的不同，可将其分为低弹性模量纤维和高弹性模量纤维。不同类型的纤维对高强混凝土高温爆裂行为的改善效果也不尽相同[5]。

2.1 掺加低弹性模量纤维

低弹性模量纤维是纤维弹性模量小于基体的纤维，大多是聚合物纤维。通过掺加低弹性模量纤维来改善高强混凝土的高温爆裂行为是基于蒸汽压致爆机理[10-12]。该理论认为混凝土爆裂是由孔隙内物质(空气，水蒸汽和液态水) 的变化引起蒸汽压所致。混凝土在受热的过程中，当基体内部的蒸汽压大于其自身的抗拉强度时，就会出现剥落或爆裂行为。

元成方，Bilodeau等[13-16]研究了聚丙烯纤维混凝土的高温损伤特征，对聚丙烯纤维混凝土的表观和内部损伤以及微观形貌进行了分析。研究认为：聚丙烯纤维可以有效改善混凝土的高温防爆性能，抑制混凝土裂缝的产生和发展，提高混凝土的耐火极限，且可以有效的提高高温后混凝土的动弹性模量及其力学性能。而王静[17]的研究结果表明：虽然掺加聚丙烯纤维可以有效抑制混凝土表面裂缝的产生和发展，但是当温度大于800 ℃时，掺加聚丙烯纤维对混凝土的动弹性模量并没有显著的影响。Guncheol Lee等[18]研究认为：尼龙纤维和聚丙烯纤维对防止高强混凝土受热状态下爆裂都有较好的效果，同时掺加尼龙纤维和聚丙烯纤维时，防爆裂效果更好。国内外学者对于适宜的纤维掺量和纤维尺寸等也做出了大量的研究。常传鹏[13]研究了不同长度和掺量的聚丙烯纤维对不同温度场下(200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃)混凝土防爆裂性能的影响。研究表明：纤维掺量增加有利于试件的抗爆裂性能；当掺量相同时，纤维长度越长抵抗爆裂效果则越好。蒋玉川等[19]研究表明：单掺体积分数为0.05%的网状聚丙烯纤维或PVA纤维可防止高性能混凝土发生高温爆裂，且随着纤维掺量的增大，混凝土的高温损伤程度逐渐减小。Arabi[14]研究了掺加聚丙烯纤维的自密实混凝土在200～600 ℃高温下的行为特点，结果表明：当聚丙烯纤维掺量为0.5%时，经历高温的混凝土试件各项性能仍然较好。谢静[20]的研究结果表明：掺加长度为15 mm，直径为35 μm的聚丙烯纤维对高强混凝土高温性能的改善效果最好。Kalifa等[15]研究认为：长度在10～20 mm之间、直径50～200 μm之间的聚丙烯纤维能够抑制高性能混凝土高温下的爆裂行为，掺量一般为2 kg/m3左右。尹强[21]研究了不同聚丙烯纤维掺量(0.6%，1.2%，1.8%，2.4%)的C60高强混凝土在不同温度条件下(常温，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃)的各项力学性能指标。研究表明：聚丙烯纤维掺量为1.2～1.8 kg/m3时对改善高强混凝土高温后力学性能的效果最佳。Bilodeau[16]的研究也表明：纤维掺量和纤维长度对提高混凝土的耐高温性能都有较大的影响，当选用长度为12.5 mm的聚丙烯纤维时只需掺入1.2 kg/m3就可达到较好的抑制效果；当选用长度为20 mm的聚丙烯纤维时需掺入3.5 kg/m3才能达到较好的抑制效果。

上述研究都表明：在高强混凝土中适量掺入以聚丙烯纤维为代表的低弹性模量纤维，依靠纤维融化时形成的孔隙可以有效缓解混凝土基体内部的蒸汽压，从而有效抑制了混凝土的高温爆裂行为。

2.2 掺加高弹性模量纤维

高弹性模量纤维是纤维弹性模量大于基体的纤维，常用的有钢纤维、碳纤维等。通过掺加高弹性模量纤维来改善高强高性能混凝土的高温爆裂行为基于热应力致爆机理[6,22-24]。该理论认为：混凝土在受热过程中，其自身的热惰性会导致混凝土内部热量传导不均匀，产生很大的温度梯度，进而产生两向或三向的热应力。随着温度的升高，热应力不断累积，当其值大于混凝土自身的抗拉强度时，就会出现剥落或爆裂行为。乱向分布于混凝土内部的钢纤维、碳纤维不仅可以很好地传递热量，缓解基体内部的热应力；其自身又可以和基体产生一定的锚固作用，增大了混凝土的抗拉强度，从而有效抑制混凝土的高温爆裂行为[25,26]。

段旭杰，Olutoge 等[27-30]的研究结果表明：掺加钢纤维或碳纤维可以显著提高混凝土在不同温度和加载速率下的动态抗压强度，提高混凝土的抗高温性能，且能降低混凝土高温后渗透性的增长幅度和强度损失率。Sideris K[34]研究认为：掺加钢纤维只能提高混凝土发生爆裂的初始温度或延长发生爆裂的初始时间，但不能阻止爆裂的发生。此外，对于适宜的纤维掺量和纤维尺寸，国内外学者也做出了大量的研究[31-33]。段旭杰[27]研究表明：掺加体积掺量为0.8%的钢纤维(长度为30 mm，直径为50 μm)即可阻止混凝土发生高温爆裂，增加掺量至1.2%、1.5%皆能抑制爆裂的发生，且混凝土高温后渗透性的增大幅度随钢纤维体积掺量的增大而降低。范飞林[28]对不同碳纤维掺量(体积掺量分别为0，0.1%，0.2%，0.3%)的混凝土在不同温度(常温，200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃)下的冲击力学性能进行了研究。研究认为：碳纤维的长度为6 mm直径为7 μm相对掺量为0.1%时最有利于提高混凝土的耐高温性能。Olutoge等[29]的研究结果表明：掺加体积掺量为1%的钢纤维，混凝土的劈裂抗拉强度可增加79%。秦李林[30]研究表明：掺加2%～3%的钢纤维(平均长度为13 mm，直径为200～220 μm)可有效抑制活性粉末混凝土高温条件下爆裂的发生，且同时能够提高试件常温及高温后的立方体抗压强度。刘红彬等[32]的研究表明：试件中心温度为250℃左右时，活性粉末混凝土会发生爆裂，而掺加2%的钢纤维可使试件爆裂破坏程度显著降低。陈炜等[33]通过抗压强度试验及超声波检测，研究了不同温度作用后碳纤维碱激发粉煤灰矿渣混凝土的损伤特征。研究结果表明：掺入长度为6 mm直径为7 μm的碳纤维可以减缓高温对试件声波波形形态引起的畸变，对高温后的抗压性能也具有一定的增强效果。

上述研究表明：在高强混凝土中适量掺入以碳纤维，钢纤维为代表的高弹性模量纤维，依靠纤维优良的导热性能，可以有效缓解混凝土基体内部的热应力，从而有效抑制了混凝土的高温爆裂行为。

2.3 复合掺加高弹性模量纤维和低弹性模量纤维

复合掺加高弹性模量纤维和低弹性模量纤维在抑制混凝土爆裂方面可以起到比单掺更加显著的效果。这种复合化的技术思路对材料高性能化有重要意义，可用公式1+1>2来表示。王正友，Bentz等[35-38]的研究结果表明：在高性能混凝土中复合掺入碳纤维和钢纤维在某种程度上能够抑制混凝土内部裂缝的产生和扩展，但是会造成高温时基体内部的孔隙压力得不到缓解，最终会加剧混凝土的破坏程度。而复合掺加聚丙烯纤维和钢纤维或聚丙烯纤维和碳纤维则可以有效抑制混凝土在受热状态下的爆裂行为，提高混凝土的耐高温性能，并且保证混凝土经历高温后仍能承受较高的荷载[39-41]。李海艳等[37]研究认为：单掺2%的钢纤维或单掺0.3%的聚丙烯纤维都可以有效抑制活性粉末混凝土发生爆裂，而复合掺加两种纤维(2%的钢纤维和0.1%的聚丙烯纤维)的抑制效果更优。张秀芝[39]等在不同温度下，对C35和C70纤维增强混凝土试件进行了试验研究。结果表明：复合掺加体积百分数为0.1%的聚丙烯纤维与0.5%的钢纤维可以有效降低混凝土高温后的强度损失率。高丹盈等[41]的研究结果表明：复合掺加钢纤维(长度为32 mm直径为560 μm)和聚丙烯纤维(长度为19 mm直径为48 μm)的高强混凝土在800 ℃高温的条件下仍未发生爆裂。

3 调整原材料

大量研究表明：高强混凝土在高温状态下的爆裂行为与其原材料的种类和品质有着密不可分的关系[42-45]。李友群等[42]研究了粗骨料种类对高强混凝土高温爆裂性能的影响，结果表明：粗骨料的品种是影响高强混凝土高温性能的主要因素之一，所以应严格选择粗骨料的品种；以石灰石为骨料的高强混凝土在高温条件下可明显推迟裂缝出现的时间，并提高裂缝出现的温度[46-49]；铁元素或其他金属矿物含量高的骨料会加快混凝土的传热速度，使混凝土发生爆裂的温度明显降低。Kodur等[43]认为：高温条件下，碳质骨料高强混凝土的最大爆裂程度可以达截面面积的40%，而硅质骨料高强混凝土的最大爆裂程度只有截面面积的10%。谢一飞等[44]用废玻璃取代40%的天然砂制备玻璃砂混凝土。研究表明：废玻璃部分取代混凝土的天然砂，可有效抑制混凝土在高温状态下裂缝的产生和发展；且制备的玻璃砂高强混凝土高温后的强度下降小于天然砂高强混凝土。刘锋等[45]研究表明：掺入粒径为0.42 mm的橡胶粉对高强混凝土的高温爆裂行为有明显的抑制作用；掺入橡胶粉的高强混凝土，其强度会有所下降，但其脆性却可以得到较好的改善，且橡胶粉粒径为0.42 mm，掺入量为1%(5.6 kg/m3)时，高强混凝土的抗压性能最好。F.Hernandez-Olivaresa等[46]的研究结果表明：加入橡胶颗粒能有效改善高强混凝土的高温爆裂行为，减小爆裂破坏的深度，还能有效改善混凝土的耐磨性能。王建民等[47]研究了陶粒混凝土经过高温加热并自然冷却后，抗压强度，弹性模量等相关参数的变化规律。结论表明：与普通混凝土相比，陶粒混凝土的立方体和棱柱体残余抗压强度明显较大，而弹性模量的下降幅度明显较小，具有良好的潜在的防火性能。除了调整骨料的种类和品质外，掺加矿物掺合料或化学外加剂也是提高高性能混凝土高温性能的重要措施。钟祥凰[48]研究表明：双掺矿粉、粉煤灰有利于提高混凝土的高温抗爆性能，且能够有效提高混凝土经高温作用后的残余强度；在水灰比相同的条件下，掺加聚羧酸高效减水剂的混凝土试件的高温力学性能优于掺加萘系高效减水剂的混凝土试件，且加入引气剂后能够有效抑制混凝土的高温爆裂行为。贾福萍等[49]研究表明：粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土的爆裂性能影响较大，50%掺量的粉煤灰混凝土的抗爆裂性能要优于30%和40%掺量的粉煤灰混凝土，而对于掺加硅灰的大掺量粉煤灰混凝土，其抗爆裂性能变化不明显。Poon等[50]的试验也表明粉煤灰掺合料有助于抑制混凝土的高温爆裂行为。

上述研究表明：调整原材料也是抑制混凝土高温爆裂行为的重要途径之一。可以通过调整骨料种类，严格控制骨料品质，用陶粒、玻璃、橡胶粒等取代或部分取代骨料，掺加粉煤灰等掺合料，加入高效减水剂、引气剂等途径有效提高混凝土的耐高温性能。

4 涂覆防火材料

大量研究表明：涂覆防火材料可以有效提高高强混凝的耐高温性能[51-54]。根据高温下涂层厚度变化的不同，可将常用的防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两种。膨胀型防火涂料涂层的厚度一般是3～7 mm，又称为薄型防火涂料。该防火涂料在遇火以后，自身会发泡膨胀，形成多空碳质层，其厚度也会增加十几倍甚至几十倍，所以可以有效的阻挡外部高温对基材的传热，从而可以有效抑制高强混凝土在高温状态下的爆裂行为，提高混凝土的耐高温性能。非膨胀型防火涂料涂层厚度一般为8～50 mm，因此又称为厚型防火涂料。该防火涂料耐火极限较高，本身具有良好的隔热性，所以可对混凝土的高温性能起到良好的改善作用[55,56]。

曹伟军[52]研究表明：在600 ℃的高温条件下恒温加热1 h后，涂有防火涂料的混凝土试块的抗压强度与常温下混凝土的抗压强度相近，且远大于同样条件下未涂防火涂料的混凝土试块的抗压强度。周鹏等[52]研究表明：在高强混凝土表面涂覆20 mm厚的非膨胀型防火涂料，可以有效抑制高温爆裂的发生，且该防火涂料具有防火隔热性能，可使高强混凝土柱的耐火极限提高40%～350%。钱春香，游有鲲[53,54]研究认为：可选用含有N-P-C化学阻燃成分的厚型防火涂料对混凝土的高温爆裂行为进行改善。吴波等[56]研究了涂覆不同厚度防火涂料层(15 mm、20～25 mm、大于30 mm)的C80高强混凝土试件在高温作用后氯离子的渗透情况，结果表明：当防火涂料厚度为15 mm时，高温后氯离子的渗透性相对较高；涂料厚度为20～25 mm时，高温后氯离子的渗透性低于常温下C50混凝土的氯离子的渗透性；涂料厚度大于30 mm时，高温后氯离子的渗透性基本不变。分析认为，在高强混凝土表面涂覆20 mm厚的防火涂料层即可同时起到降低高温作用后氯离子的渗透性和抑制爆裂的双重作用。

除材料方面以外，一般还可以通过优化设计和构造等方面来提高混凝土的耐高温性能。常用的方法有：适当增加保护层厚度，对构件施加侧向约束，改变箍筋的绑扎形式等。李远哲[57]认为：钢筋的保护层厚度也是引起混凝土爆裂的原因之一。保护层越薄火灾时的热量越易传到钢筋表面，由于钢筋与混凝土的热膨胀率不同。钢筋受热膨胀后会对周围混凝土进行“挤压”，在加上基体的孔压力，混凝土更易出现高温爆裂现象，所以适当增加保护层厚度有助于改善混凝土的高温性能。吴波等[58]研究表明：高强混凝土柱的耐火极限随着截面尺寸的增大而增大，且总体上随配筋率的增大而缓慢增大。袁广林等[59]研究认为：采用钢丝网水泥砂浆加固混凝土梁，可以有效提高其抗火能力。

5 结 论

本文主要从掺加纤维、调整原材料和涂覆防火材料三个方面回顾总结了国内外在抑制高强混凝土高温爆裂发面的研究成果，得到了如下结论：

(1)掺加以聚丙烯纤维为代表的低弹性模量纤维，或是以钢纤维、碳纤维为代表的高弹性模量纤维均能有效改善高强混凝土的高温抗爆性能，且复合掺加时抗爆性能更优；

(2)通过选用硅质骨料，适量掺加粉煤灰等矿物掺合料，掺加引气剂等途径均可以较好地提高高强混凝土的耐高温性能；

(3)涂覆防火材料也是提高高强混凝土抗火能力的重要措施之一。

除此之外，合理增加保护层厚度，对构件施加侧向约束或改变箍筋的绑扎形式等构造措施也为抑制高强混凝土的高温爆裂行为提供了新的思路。

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Improvement Measures of High Temperature Explosive Spalling of High Strength Concrete

XUEKai-wang,MIAOMiao,ZHOUJian

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

With the advancement of science and technology,the high strength concrete has been widely used in the construction of high-rise buildings,bridges,etc.However,due to its high density and low permeability,high strength concrete tends to burst in high temperature or fire conditions.In this paper,some improvement measures of explosive spalling of high strength concrete are summarized from three aspects of adding fibers,adjusting raw materials,and coating fire protection materials.The results show that the high temperature resistance of high strength concrete can be improved by adding fibers,adjusting raw materials,and coating the fireproof material.The explosive spalling of high strength concrete can be effectively suppressed by the comprehensive utilization of different improvement measures.

high strength concrete;explosive spalling;improvement measure;review

中央高校基本科研业务费(CDJZR13130029)；高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题 (20130191120019)

雪凯旺(1992-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土方面的研究.

苗 苗，讲师.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3209-06