消防射水对火灾后高性能混凝土剩余抗压强度影响试验研究

时启献

(山东省菏泽市公安消防支队，山东菏泽 274000)

高层建筑一旦发生火灾，建筑物的材料性能严重劣化，特别是消防射水扑救后结构性能大大削弱，导致结构不同程度的损伤和承载力的下降。受火灾破坏的建筑物能否继续使用，是否可以通过修复加固措施恢复建筑物的使用功能，就必须科学地判断建筑物结构的受损程度，研究消防射水对建筑物剩余承载力的影响［1］。

因此，深入研究火灾后消防射水对高性能混凝土性能影响的衰减规律，科学地诊断火灾后结构的受损程度，确定其残余承载力，从而延长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，消防人员救护伤亡人员等活动。将火灾造成的损失降低到最少，这已成为各国建筑结构及材料科研人员和工程技术人员共同关注的新课题。

1 混凝土配合比

本试验配制的C40 高性能混凝土，配合比以每1 m3混凝土中各项材料的质量表示，如表1 所示。

表1 C40 高性能混凝土配合比

2 试验方法

采用100 mm×100 mm×100 mm 的试件，经标准养护28 d、室内静置1个月后进行试验。加热炉温度范围为20～900℃，炉膛温度可自动控制，升温方式采用正常升温5 ℃/S 即把混凝土从20 ℃加热到900 ℃，升温设定等级取20 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃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。然后以喷淋冷却模拟消防射水(喷淋时间控制在30 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两种情况。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，抗压强度取算术平均值，舍去差异超过中间值15 %的强度值)，参考GBJ 81－85《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

为了研究火灾后消防射水对HPC 剩余强度的影响程度，本文对高温作用后的HPC 进行了自然环境下冷却和射水冷却两种方式。

图1 C40HPC 剩余抗压强度、强度变化、强度折减系数与温度关系曲线

由图1 中可以明显看出:

(1)在自然冷却状态下，高温作用200 ℃后，C40HPC 的剩余强度有所提高，比常温条件下大约提高1.3%;随着温度的进一步升高，混凝土的抗压强度均呈下降趋势，400 ℃以前，C40HPC 试件的剩余强度下降较缓，500 ℃后混凝土强度下降非常迅速。这是由于当温度到达200 ℃时，温度提供了增进水化所需的激活能，使得在水泥浆体中未水化的水泥颗粒继续水化，水化产物继续增加，同时表面能增加、孔隙和裂纹形状的改变，加速了水泥水化的速度，水泥浆体开始失去稳定，在这个温度范围内主要是由于水分的蒸发使得C－SH 凝胶发生脱水反应，生成短的而强度高、表面能大的硅氧烷，这样使水泥浆体产生紧缩，化学结合力、粘结强度提高，孔隙大小重新分布。温度达到500 ℃的时候，混凝土内部凝胶开始脱水分解，此时层间水和化学结合水排除，氢氧化钙大量分解，使得原本结晶完整的片层结构破坏，强度下降明显。同时，随着大量蒸发水的蒸发，HPC 内的蒸汽压力急剧增加，引起HPC 爆裂［3、4］。

(2)在射水冷却条件下，C40HPC 的剩余强度曲线一直呈下降趋势，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，C40HPC 试件产生了较大的内外温差，产生温度应力，致使混凝土内部和表面产生较多裂缝，抵消了混凝土试件在高温作用时强度提高的有利因素，造成在高温200℃后，混凝土的剩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，混凝土的抗压强度迅速下降，因而混凝土的残余强度下降幅度较大［4、5］。

4 数据拟合

有关HPC 高温后剩余抗压强度与温度之间关系的计算模型。国内外很多专家学者提出计算模型。比较典型的有李卫［6］、谢狄敏［7］等人提出了基于立方体的高温后抗压强度计算模型，其中，李卫提出的计算模型为:

fcu为混凝土在常温下的抗压强度，单位MPa;fcu，T混凝土受高温T 后的抗压强度，单位MPa;T为高性能混凝土所受的温度，单位℃。

利用Origin7.5 数据处理软件对试验结果进行线性二元回归，得出C40HPC 在自然冷却条件下及射水冷却条件下抗压强度折减系数与温度之间的二元回归曲线公式(图2):

(1)C40HPC 在自然冷却条件下的二元回归曲线公式:

(2)C40HPC 在射水冷却条件下的二元回归曲线公式:

图2 各等级高性能混凝土抗压强度折减系数与温度关系二元回归曲线

5 结论

(1)在自然冷却条件下，HPC 在高温后剩余抗压强度分为三个阶段，第一阶段—强度损失阶段，强度损失不大，第二阶段—强度的恢复阶段，强度有所恢复，第三阶段—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;在个射水冷却条件下，HPC 在高温后剩余抗压强度一直呈衰减状态。

(2)消防射水对高温作用后HPC 的剩余强度影响很大，HPC 采用射水条件下冷却后其剩余强度低于自然冷却的剩余强度。在射水条件下，随着温度的逐渐升高，C40HPC 试块开裂严重，抗压强度急剧下降。

(3)通过回归分析建立了在自然冷却条件下及消防射水冷却条件下C40HPC 剩余强度与火场温度之间的二元线性回归公式。发生火灾后，可根据温度及火灾现场灭火方式迅速估计出火灾后HPC 的强度值，用于结构可靠度评价以及高层建筑火灾后结构损伤程度的评估和修复等，都具有重要的理论和工程价值。

［1］李敏.高强混凝土受火损伤及其综合评价研究［D］.东南大学，2005

［2］GBJ 81－85 普通混凝土力学性能试验方法标准［S］

［3］吕天启，赵国藩，林志伸，等.高温后静置混凝土的微观分析［J］.建筑材料学报，2003(2)

［4］Hammer TA.High Strength Concrete Phase 3.SP6:Fire Resistance Report 6.1.Compressive Strength and E－Modulus at Elevated Temperatures，Structures and Concrete，1995，28(2):20

［5］M.Saad，S.A.Abo－EI－Enein，et.al.Effect of Temperature on Physical and Mechanical Properties of Concrete Containing Silica Fume.Cem.Concr.Res.1996，26(5):669－675

［6］李卫，过镇海.高温下混凝土的强度和变形性能试验研究［J］建筑结构学报，1993，14(1):8－16

［7］谢狄敏，钱在兹.高温(明火)作用后混凝土强度与变形试验研究［J］.工程力学，1996(A2):54－58