超高性能混凝土的火灾爆裂研究

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　　摘 要 随着社会经济的发展，我国对混凝土的应用十分广泛，超高性能混凝土（UHPC），以其突出的优点如超高强度与超高耐久性等，符合可持续发展战略，是混凝土科技发展的主要方向之一。近年来，UHPC的火灾高温性能吸引了广泛关注。由文献综述可知，高温会引发UHPC的爆裂和力学强度变化。爆裂主要由蒸汽压机理控制，蒸汽来源于内部游离水，高的内部湿含量往往导致剧烈的高温爆裂，有效的抑制措施是掺加聚合物纤维如聚丙烯（PP）纤维。关于钢纤维对UHPC抗高温爆裂性的影响，还存在争议。高温作用后UHPC的残余强度在常温至300℃或400℃范围内有所增长，而在更高的温度下则为单调下降。残余强度增长是高温促进混凝土内部的一系列化学变化所引起。最新研究发现，组合养护是有效改善UHPC火灾高温性能的新方法，可避免爆裂发生。
　　关键词 火灾;爆炸荷载;结构安全;影响作用;加固修复
　　1 超高性能混凝土的火灾爆裂研究
　　法国研究人员开展了一种超高性能混凝土的火灾爆裂性能的试验研究。介绍了一种超高性能混凝土在火灾下的性能。通过混合聚丙烯纤维和粉末或丙烯酸纤维等具有合成添加剂的多种组合物来制备样品。对棱镜试样的喷灯试验表明，小的聚丙烯纤维在耐火方面更有效。加热后的扫描电子显微镜观察，揭示了聚丙烯纤维和丙烯酸纤维在蒸发过程中的显著行为差异。在350℃加熱循环之后的压汞孔隙度研究表明，混凝土孔隙度不是确定给定材料成分是否具有抵抗火灾爆裂性能的充分参数。研究提出了与孔径分布有关的临界因子，并估算其临界值，在该临界值下，材料易发生火灾爆裂的概率非常高[1]。
　　2 UHPC火灾高温研究的主要关注点
　　当UHPC建造的建筑结构遭受火灾时，确保火灾安全性的一个重要前提是混凝土不能发生高温爆裂。如果发生严重的高温爆裂，其后果往往是构件或结构物在高温下发生灾难性垮塌，对人身财产的危害极大。因此，UHPC高温爆裂的现象、影响因素、规律乃至机理，正在成为国内外研究关注的焦点。此外，UHPC的强度在高温下也并不像普通混凝土或高性能混凝土那样呈现简单的单调下降趋势，而是既有升高、也有降低的复杂变化趋势。虽然混凝土材料的火灾高温研究涉及强度下降、爆裂、开裂、变形等内容，但就UHPC而言，主要关注点是高温爆裂和强度变化。
　　3 火灾与爆炸对混凝土结构构件的破坏机理
　　①火灾与爆炸对混凝土柱的影响。在火灾事故中，柱构件外表变黑、局部混凝土脱落，清洗表面可发现柱身的裂缝。由于混凝土的特性，在高温下混凝土受热膨胀使之产生裂缝、粉化剥落、露筋等现象。在爆炸事故中，柱身开裂，局部混凝土脱落露筋，造成柱构件损伤与爆炸源的距离有关，且由于混凝土柱为竖向构件且四周通透，爆炸产生的能量对柱的作用面较小，但其瞬时的荷载迅速而猛烈，致使混凝土柱产生开裂、露筋等现象。②火灾与爆炸对混凝土梁的影响。在火灾事故中，梁底表面呈浅黄色，有明显粗裂缝网，且出现大面积的粉化露筋。由于混凝土的特性，在高温下混凝土受热膨胀，使之产生裂缝、粉化剥落、露筋等现象。在梁钢筋较多区域，混凝土对钢筋的握裹能力较弱，故该区域的开裂露筋现象尤为显著。在爆炸事故中，靠近爆炸源的梁直接被摧毁，而远离爆炸源的梁裂缝总是从受力点向下延伸至支座处，呈斜向45度角。说明在爆炸破坏中，发生了剪切作用使混凝土先发生破坏。爆炸作用产生的弯矩尚未使梁受压区混凝土压缩破坏，剪力所带来的斜压作用已使梁产生剪切破坏。③火灾与爆炸对混凝土板的影响。在火灾事故中，板底表面呈黄色且露筋严重，楼板挠度变形明显。由于混凝土的特性，在高温下混凝土受热膨胀，且钢筋的保护层较薄，使楼板产生的裂缝、露筋等现象较为明显。在爆炸事故中，爆炸源四周的楼板直接炸碎，而远离爆炸源的楼板出现龟裂和碎片脱落。由于爆炸产生的能量迅速而猛烈且与楼板的作用面较大，使楼板产生的开裂、露筋等现象较为明显。
　　4 UHPC火灾高温性能的改善
　　关于UHPC火灾高温性能的改善，研究报道颇为有限，一般改善抗高温爆裂性的措施均为掺加聚合物纤维，尤以PP纤维为主;改善残余强度的措施为采用多种矿物掺和料。2016年笔者提出了一种新颖的养护方法，即“组合养护”，其可显著改善UHPC的抗高温爆裂性，同时可显著提高常温力学性能。所提出的组合养护，由常温保湿养护、90℃热水养护和200～250℃干热养护构成，所制得的UH-PC具有优异的抗高温爆裂性，同时可使抗压强度从对比组试件的150MPa提高到200MPa。组合养护改善UHPC火灾高温性能的机理在于：组合养护促进了UHPC内部的一系列化学变化，如残余未水化水泥颗粒继续水化，矿物掺和料发生火山灰反应，部分前期水化形成的CSH凝胶转化为水化硅酸钙晶体，这些化学变化使微观结构得到了强化，更为重要的是水化与火山灰反应消耗了可观数量的内部游离水，致使UHPC内部游离水含量大幅降低。这样，当遭受火灾高温作用时，UHPC内部不再出现较高的蒸汽压，高温爆裂也就不再发生。
　　5 火灾与爆炸后混凝土受损结构构件的加固处理
　　①混凝土柱加固。对基本丧失结构承载能力的混凝土柱，采用混凝土置换的方法进行加固;对结构承载能力受到损失的混凝土柱，采用裂缝灌注胶对裂缝进行封闭修复，然后再外包角钢的方法进行加固;对结构承载能力基本保持的混凝土柱，可不进行结构加固处理。②混凝土梁加固。对基本丧失结构承载能力的混凝土梁，采用混凝土置换的方法进行加固;对结构承载能力受到损失的混凝土梁，采用裂缝灌注胶对裂缝进行封闭修复，然后再外包碳纤维布或粘贴钢板加固;对结构承载能力基本保持的混凝土梁，可不进行结构加固处理。
　　6 结束语
　　综上所述，火灾与爆炸对混凝土构件会呈现出不同的破坏形态，因其影响因素和作用特点不同，从而对混凝土构件造成的损伤存在明显差异。因此，在针对火灾与爆炸事故后进行现场查勘时，应根据火灾与爆炸各自的现场实际情况选用合理的检测手段和方法，客观采集现场数据，保证数据的完整有效，从而准确地判断各构件的损伤程度和剩余承载能力，以便后期对混凝土结构构件的加固选取合理的修复方案。
　　参考文献
　　[1] 王孔藩，许清风，刘挺林.火灾后混凝土结构损伤的鉴定和对策[J].施工技术，2005，（8）：9-11.
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