轻质混凝土耐火性能研究进展

摘　要：轻质混凝土重量较轻，可以减小承重构件的尺寸，近年来,已经越来越多地用于梁、柱、组合楼板等建筑构件。轻质混凝土的耐火性能与热工性能和力学性能有关,国内外已经进行了相关研究,并取得了一些成果。本文将对轻质混凝土耐火性能研究进行回顾,并对未来发展进行展望。

关键词：轻质混凝土； 　火灾； 　高温

 

WA N G Qing1 ，　L IU Yong2jun2 ，　L IU Lei1

(1.School of Material Science and Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China ； 2.School of Civil Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168 ,China)

 

Abstract ： Structural lightweight concrete can reduce the dead load of a structure and the size of load bearing elements. Over the past few years ,structural lightweight concrete was more and more used for beams ,columns ,composite slabs on steel desk. Fire behavior of structural lightweight concrete includes both the mechanical and thermal properties. Some research was conducted and many achievements were obtained. Some important aspects of advance are reviewed and prospects about the further studies of lightweight concrete in fire conditions are provided.

Key words ： lightweight concrete ； fire ； high temperature

 

      轻质混凝土是以天然轻集料(如浮石、凝灰岩等) 、工业废渣轻集料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造轻集料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等) 取代普通集料所制成的混凝土材料,具有轻质、保温、隔热、耐火等优良性能。但由于轻质混凝土与普通混凝土相比,抗压强度较低,长期以来一直作为非结构材料来使用。随着建筑技术的不断发展,轻质混凝土的强度也在不断提高，应用范围也逐步向结构材料扩展。目前，日本、挪威和美国等发达国家对于轻质混凝土的研究和应用都取得了重要进展，CL50 -CL60 轻质混凝土已在工程中大量使用，轻质结构混凝土的抗压强度最高可达到70MPa。与国外相比，我国轻质混凝土发展和应用相对较晚，但随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高，高强轻质混凝土、轻质结构混凝土在我国的研究和应用也得到了迅速发展。例如，湖北宜昌生产的高强陶粒，可以配制出强度等级为CL30～CL60 或更高的轻质混凝土；铁道部大桥局桥梁科技研究所将CL40 粉煤灰陶粒混凝土成功应用于金山公路跨度为22m 的箱形预应力桥梁，使桥梁的自重降低了20 %以上；天津市政工程研究院研究的CL50 轻质结构混凝土在永定新河大桥得到应用；珠海国际会议中心20 层以上部位全都采用轻质混凝土；阜新22 层的商业大厦以及本溪20 层建溪大厦都是以自燃煤矸石为轻集料配制的轻质结构混凝土^{[1 ]} 。

 

      火灾中钢筋混凝土结构倒塌的情况并不鲜见，例如，南昌万寿宫商城，底部两层框架是商场，上部7 层是住宅，1993 年5 月13 日在火灾中倒塌；衡阳永兴综合楼，底层是钢筋混凝土框架结构，上面为砖混结构的住宅，2003 年11 月3 日凌晨，在火灾中倒塌。随着钢筋混凝土结构在火灾中严重破坏甚至倒塌的案例增多，轻质混凝土的耐火性能也引起了人们高度重视，国内外对此进行了一些相关研究，下面进行简要回顾。

 

2.1 　矿物掺合料对热工性能参数的影响

      火灾对建筑结构造成危害的原因是火灾产生的高温。火场可燃物燃烧产生的热量通过对流、辐射传到构件表面，再通过热传导，向构件内部传递，导致整个构件内温度不均匀升高。构件温度不均匀升高将会产生三个方面的影响。首先，高温会使材料弹性模量降低，结构刚度下降；其次，高温使材料强度降低，导致结构承载能力下降； 再就是构件内部不均匀升温，会使构件内部及整个结构中产生不均匀热膨胀，从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。

 

      为了研究轻质混凝土结构在火灾中的行为，必须首先了解火灾下构件内温度场的分布规律，因此要首先了解轻质混凝土的热工性能参数。混凝土的热功性能和金属材料有很大的不同，这是因为混凝土是由水泥、粗细集料及各种化学掺合料等组成的复合材料，各种材料受高温作用后性质会发生不同的变化，另外混凝土为非结晶材料，结构中没有像金属材料那样有规则的晶体排列，所以混凝土受高温作用后情况变得更为复杂。

 

      轻质混凝土的特点是含有较多的孔隙且密度较小，而热量在空气中的传递速率要比在固体中传递的速率慢，因此孔隙的存在使得混凝土整体的热传导速率降低，并且当温度上升时，物质内分子的振动更加剧烈，热传导的速率就越大。对于密度较小的轻质混凝土而言，其热传导速率受温度的影响比普通集料混凝土小很多，孔隙率越大的轻质混凝土的隔热效果越好^{[2 ]} 。

 

      为了研究矿物掺合料对轻质混凝土热传导系数的影响，有学者对比了当矿物掺合料取代量在0～80 %之间时，轻质中空混凝土墙板热传导系数的相应变化范围。当水灰比为0.5 时，热传导系数介于0.256～0.299 之间；当水灰比为0.6 时，热传导系数介于0.243～0.275 之间；当水灰比为0.7 时，热传导系数介于0.226～0.256 之间。由此可以看出：随着矿物掺合料取代量的增加，轻质中空混凝土墙板热传导系数逐渐降低。此外，所掺加的矿物掺合料的密度也影响轻质混凝土的热传导系数，密度越大，热传导系数越大^[3]  。

 

2.2 　水分对热工性能参数的影响

      通过试验分析和数值模拟发现水分对于混凝土热功能有明显影响。当混凝土浇筑并完成水化后，内部多余的水分将形成毛细管孔，这些毛细管孔的体积主要是由水胶比控制，水胶比越大，形成的毛细管孔就越大，孔隙就越多，其抗压强度也相对较低。但由于空气的良好绝缘特性和空气的热传导能力较低等原因，材料的吸水率越大，水胶比越大，代表着孔隙的含量越多，密度越小，其热传导系数也就越小，热功能也就越好^{[4 ]}。

 

3 　高温下轻质混凝土力学性能研究进展

      轻质混凝土的应力应变曲线较普通混凝土更接近直线，因为轻质混凝土在降服破坏以前，其受力主要由水泥砂浆承担，而水泥砂浆为均质材料，故应力- 应变曲线呈线性发展，而普通混凝土受力主要由集料承担。当轻质混凝土受力超过极限而破环时，水泥浆体承受力量迅速传至集料，将因集料强度无法承受而迅速破坏，所以轻质混凝土的破坏更具脆性^{[2 ]}。

 

      近年来，国内外学者通过试验研究高温下轻质混凝土的力学性能，取得了一定的成果。台湾学者陈凯勋对比了三种配比的轻质混凝土砖在高温下试件的残余强度与所承受的高温温度之间的关系，得到了一些有益的结论。从试验数据中可以看出^{[2 ]}，三组配比在承受200℃高温后，平均抗压强度大约为室温下28d 抗压强度的90 %左右，显示出轻质混凝土砖在承受200℃高温后的强度损失并不大。三组配比在承受400℃高温后的平均抗压强度大约为室温下28d抗压强度的71 %左右，显示出轻质混凝土砖在承受400℃高温后的强度损失开始明显增加，水泥浆体的C - S- H 凝胶中的凝胶水此时开始释放，这是导致强度损失的主要原因。三组配比在承受600℃的高温后，平均抗压强度大约为室温下28d抗压强度的47.5 %左右，显示出轻质混凝土砖在承受600℃高温后的强度损失严重。三组配比在承受800℃的高温后的平均抗压强度大约为室温下28d抗压强度的37%左右，而一般混凝土与高性能混凝土在承受800℃高温后抗压强度只有原来的10 %～20 %。造成这一差异的主要原因就在于集料的种类不同，上述研究所采用的轻集料是水库淤泥经1200℃高温烧制而成的人造轻集料，在800℃的温度下，集料的性质变化不大。

 

4 　轻质混凝土构件的耐火性能研究

      研究轻质混凝土构件的耐火性能，主要是把握火灾现场的温度随时间的变化历程以及在高温下相关的各个因素对于轻质混凝土构件的定量影响规律，从而为正确评估轻质混凝土的耐火性能和混凝土结构构件的损伤评估提供科学的依据。研究轻质混凝土构件的耐火性能主要有两条途径：试验研究和数值模拟。试验研究具有直接可靠的优点，可以较好地把握轻质混凝土构件受火灾影响后相关各因素的定性变化趋势，并且利用试验数据可以建立一些经验或半经验的定量变化模型，可以为数值模拟结果的检验提供依据。

 

      一般为了比较轻质和普通混凝土结构构件在安全防火性能上的差异，研究者一般以标准升温曲线对轻质和普通混凝土结构构件加热，以比较其两者的耐火性能。耐火加温曲线依据CNS 12514 的耐火标准加热温度- 时间曲线图，以判定各试件的耐火时效，耐火试验所用的试件主要有楼板，墙体，梁等。试验时，炉内的温度是按照CNS 12154 的标准升温曲线，在三十分钟时，炉内的温度应升至840℃，一小时则升至925℃，燃烧后观察试件外观的变化及破坏的情况。

 

      依据CNS 12514 的定义，材料的阻热性是指在标准耐火试验条件下，测试的试件其一面受火时，能在一定时间内，其非加热面温度不超过规定值的能力。也就是：试件背火面在耐火测试时，温度不能超过规范所规定的最高温度或平均温度。如CNS 12514 即规定任一点的温度不得大于210 ℃，所有测点的平均温度不得大于170 ℃。

 

      试验结果表明：当干燥的混凝土构件受到火害侵袭时，在低强度(20MPa) 时，受841 ℃火害后，轻质混凝土构件的抗压强度要比同强度等级的普通混凝土高出38 % ，在高强度时更是高出50 % ，其耐火性能明显优于普通混凝土^{[2 ]}。

 

5 　结束语

      与普通混凝土相比，轻质混凝土具有较佳的耐火性能，应用在建筑结构中，可增加耐火时间，提高建筑结构的安全水平，因此，轻质混凝土具有十分广阔的发展前景。随着轻质混凝土应用范围的扩大以及人们对结构物耐火问题的重视，与轻质混凝土耐火性能有关的下列问题迫切需要研究：

 

       (1) 由于火灾产生的高温会使构件内的水分汽化，产生很大孔隙压力，使轻质混凝土发生剥落甚至爆裂，直接影响建筑结构的安全，因此，需要研究防止剥落和爆裂发生的方法；

 

      (2) 高温下轻质混凝土的本构模型是预测建筑结构在火灾中的力学性能的基础，目前单轴本构很少，多轴本构关系还未见报道，需要进一步深入研究。

 

[参考文献]

[ 1 ]高性能轻集料混凝土的现状及发展趋势[J ] . 金祖权. 河南建材，2002 ,(2) ：20 - 22.

[ 2 ]张德育. 轻质骨材混凝土耐火与隔热性能研究[D] . 台湾中兴大学土木工程系硕士论文,2004.

[ 3 ]陈凯勋. 无细轻质混凝土砖耐火性能之探讨[D] . 台湾中兴大学土木工程系硕士论文,2004.

[ 4 ]朱惠英. 英国混凝土技术现状及研究动态简介[J ] . 混凝土,2002 ,(6) ：16 - 19.

[ 5 ]仲晓林. 混凝土技术的回顾与展望[J ] . 化工施工技术,2000 ，(1) ：11 - 12.

[ 6 ]吴晓泉. 继往开来,与时俱进- 国内混凝土技术的现状与发展[J ] .混凝土,2001 ，(11) ：39 - 41.

[ 7 ]张政丰. 高性能混凝土热传导性质之研究[D] . 台湾工业技术学院硕士论文,1995.

[ 8 ]龚洛书. 高强陶粒与高强轻集料混凝土[M] . 北京：中国建材工业出版社,1996.

[ 9 ]李建华. 国外轻骨料混凝土应用[M] . 北京：中国建筑工业出版社,1998.

[ 10 ]丁建彤. 结构轻集料混凝土的现状和发展趋势- 第二届结构轻集料混凝土国际会议介绍[J ] . 混凝土,2002 ，(12) ：15 - 18.

[ 11 ]林仪丰. 混合粒径轻质混凝土砖耐火性能之探讨[D] . 台湾中兴大学土木工程系硕士论文,2004.

[12 ] P. K. metha. Building durable structures in 21st century[J ] . Concrete international ,2001 ，(3) ：5 - 8.

[ 13 ] T. D. Lin and Sam Chou. Concrete fire test programs in Taiwan[J ] . NIST Special Publication ,1997 ，(1) ：55 - 58.

[14 ]Michael Spearpoint . Predicting the temperatures of steel members in the Cardington fire tests using the thermal finite element model [J ] . Fire Technology ,2001 ，(2) ：109 - 128.

[ 15 ]A.Bouguerra ,Effect of microstructure on the mechanical and thermal properties of lightweight concrete prepared from clay ，cement ，and wood aggregates[J ] . Cement and Concrete Research ,2001 ，(8) ：1179- 1190.