冷却方式对不同等级高性能混凝土的影响

王 珍

(河北省廊坊市武警学院消防工程系， 河北廊坊 065000)



冷却方式对不同等级高性能混凝土的影响

王 珍

(河北省廊坊市武警学院消防工程系， 河北廊坊 065000)

以高压水枪喷射模拟消防射水对高温试块进行冷却处理，并与采用自然冷却方式的试块进行加载破坏试验对比研究，总结冷却方式对不同等级HPC (高性能混凝土)残余抗压强度的影响。试验结果表明：自然冷却条件下，HPC残余强度整体呈衰减状态，在300℃时略有升高；在射水冷却条件下，HPC残余抗压强度一直呈衰减状态。相同温度等级条件下， HPC采用射水条件下冷却后其残余强度均低于自然冷却的残余强度，自然冷却的残余抗压强度最高的为射水冷却残余强度的1.3～1.5倍。

冷却方式； 高温； HPC； 残余抗压强度

随着HPC的逐渐推广应用，在研究HPC耐久性的同时其高温耐火性也已引起了建设行业前所未有的高度关注。但是由于影响混凝土的耐热性能的因素较多，试验设备、试验方法及混凝土材料的差异，试验结果不一致，甚至会出现相互矛盾的结论。这些研究主要是以高温后HPC残余抗压强度为主，很少研究现实火灾条件下消防射水对HPC残余抗压强度的的影响因素及其规律；部分研究成果仅停留在定性分析水平上，缺乏具有针对性的实验及理论模拟数据。

基于上述研究现状，通过不同冷却方式对不同等级HPC的影响，科学地诊断火灾后结构的受损程度，确定其残余承载力，判断建筑物结构受火时坍塌的时间，以便受灾人员安全撤离灾场，消防人员进行救护伤亡人员等活动，将火灾造成的损失降低到最少。

1 试验原材料

普通硅酸盐水泥，P.042.5R，密度为2 912 kg/m3；粗骨料采用碎石，粒径为5～20 mm，表观密度为2 719 kg/m3，针片状颗粒质量含量为2.83 %，含泥量为0.54 %，满足级配要求，其他性能满足GB/T 14685中II类粗骨料的要求；细骨料采用河砂，其表观密度为2 632 kg/m3，堆积密度为1 630 kg/m3，含泥量为1.6 %；粉煤灰采用优质I级灰，密度为2 059 kg/m3。外加剂为固体高性能抗蚀防腐剂(泵送型，有减水效果)。

2 试验方法

采用100 mm×100 mm×100 mm的试件，试验前拌合物性能测试按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[1]的规定，采用机械搅拌，振动台振动成型，经标准养护28 d、室内静置1个月后进行试验。本试验的温度范围为20～900℃，炉膛温度可自动控制，根据火灾升温速率快的特点，升温方式采用快速升温取20℃/S，如此模拟火灾场景，升温设定等级取20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃共9个等级。首先将立方体试件放入电炉内加热至预定温度，再恒温2 h。然后以高压水枪喷射冷却模拟消防射水(喷射时间控制在10 min)和自然冷却两种不同方式使试件冷却至常温，如此模拟实际火灾扑灭过程中的情况。最后将射水冷却和自然冷却的试件分别放在自然环境中静置至预定的时间后，使用100 t微机控制电液伺服万能试验机进行强度测定(每组三个试块)，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[2]进行试验。

3 试验结果及分析

HPC的抗压强度是其力学性能中最基本的一项，常常作为基本参量来确定HPC的强度等级和质量标准,并决定抗拉强度、弹性模量、极限应变等其他力学性能。本次试验以工程上常用的C35、C40、C50为例主要研究其火灾后残余抗压强度。

3.1 高温试验现象

各等级HPC高温试验现象基本一致，100～300℃时，颜色无明显变化，温度在300℃时可以观察到炉膛内蒸发出少量的水蒸汽，随着温度升高，有较大量的明显可见的水蒸汽逸出。这主要是因为：随着温度的逐步升高，HPC内部的C-S-H凝胶结晶水开始脱水，HPC中的Ca(OH)2脱水形成氧化物，从而致使游离水在高温下蒸发成水蒸汽[3-5]。400℃时，试件开始呈现灰白色，且表面有少许细微的龟裂纹，此时逸出的水蒸汽量最大，400℃后水蒸汽量逐渐减小；500～700℃时，试件为微褐色，表面有许多细小裂纹，且裂纹长度增加，有时有贯穿裂纹；800℃以后，试件表面为棕红色，且随温度升高，颜色变深，试件表面布满粗裂纹，多数试件表层已成粉末，极易脱落，但是部分试块保持了完整性(图1)。

图1 高温后HPC试块形态

3.2 试验结果分析

以研究C35HPC残余抗压强度与温度的关系曲线为例，随着温度升高，抗压强度逐渐降低，曲线较自然冷却条件下下降幅度较大。这是由于在射水冷却条件下，高温200℃作用后，由于射水冷却，在冷却过程中，试件产生了较大的内外温差，产生温度应力，抵消了HPC试件在高温作用时强度提高的有利因素，造成在高温200℃后，HPC的残余强度没有超过常温时的强度。加热温度达到300℃左右时，硅酸盐水泥浆体中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱水，同时大量水蒸气的外逸冲刷和挤胀作用，又扩大了裂纹和孔隙，使水泥浆体中孔隙平均尺寸和微裂纹迅速增加，HPC的抗压强度迅速下降，因而HPC的残余强度下降幅度较大；在800℃时HPC试块喷水后，大部分试块都已发生爆裂，故本次试验没有进行更高温度等级高温试验。

图2 C35HPC残余抗压强度与温度的关系曲线

从试验结果中可以看出(图2)，不同的冷却方式对高温作用后HPC的残余强度有很大影响，HPC采用射水条件下冷却后其残余强度均低于自然冷却的残余强度，自然冷却的残余抗压强度最高的为射水冷却的HPC试件的残余强度的1.3～1.5倍。

本文试验与实际火灾情况的升温方式不同，采用高温电炉加热，升温速度恒定，而且到达最高温度后保持恒温一段时间，由HPC的热传导特性可知，此时HPC的中心温度与HPC表面温度基本相同，所以造成试验结论与实际火灾情况有一定的差异。

4 结论

在自然冷却条件下，HPC在高温后残余抗压强度分为三个阶段，第一阶段为强度损失阶段，强度损失不大，第二阶段为强度的恢复阶段，强度有所恢复，第三阶段为强度的永久损失阶段，这一阶段高性能混凝上强度的衰减很大；在射水冷却条件下，HPC在高温后残余抗压强度一直呈衰减状态。消防射水对高温作用后HPC的残余强度影响很大，相同温度等级条件下， HPC采用射水条件下冷却后其残余强度均低于自然冷却的残余强度，自然冷却的残余抗压强度最高的为射水冷却残余强度的1.3～1.5倍。

[1] 中华人民共和国建设部. GB/T 50080 2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2] 中华人民共和国建设部. GB/T 50081 2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

[3] 陈改新. 混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势[C]//第七届全国混凝土耐久性学术交流会论文集,2007.

[4] 姚燕,王玲,田培. 高性能混凝土[M]. 北京:化学工业出版社, 2006.

[5] 石明霞,龙广成,张松洪. 水胶比和集料对高性能混凝土力学性能的影响[J].山西建筑,2006,32(16)：3-4.

王珍(1983～)，男，博士，主要从事建筑火灾、防火监督等方面研究。

TU528.31

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[定稿日期]2015-09-30