混凝土在火災(zāi)中的變化機(jī)理

混凝土在火災(zāi)中的變化機(jī)理研究摘要：本文分析了在高溫過程中，混凝土的溫度場及其影響因素；混凝土受熱的外觀、顏色、強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)的變化，及其各種變化的影響因素。進(jìn)而探討了這些變化的內(nèi)在規(guī)律和聯(lián)系。關(guān)鍵詞：混凝土、變化、強(qiáng)度、高溫前言：混凝土有多種分類方法，原料的來源不同可分為普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)，水泥的性質(zhì)和它的礦物組成之間存在著一定的關(guān)系。通常認(rèn)為混凝土的一般組成水泥和粗細(xì)骨料兩部分，混凝土的性能由其組分和它們的界面決定?；炷涟韬臀镏凶钪匾慕M分之一就是波特蘭水泥，波特蘭水泥的水化物中含有不定型的水化硅酸鈣，即從水泥組分中C3S及C2S中演化出來的凝膠體體C-S-H（C表示CaO,S表示SiO2,H表示H2O）,凝膠體約占水化漿體全部總重的70%;另一種主要組分是氫氧化鈣Ca(OH)2,用C-H表示,它以晶體形式混合于凝結(jié)體中,其約占全部重量的20%。另外，工業(yè)上制造水泥常含有黏土和白云石雜質(zhì)。黏土中含有Al、Fe等元素。目前我國大部分建筑都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從建筑結(jié)構(gòu)安全角度考慮，混凝土的強(qiáng)度很重要，所以有很多關(guān)于高溫情況下混凝土的強(qiáng)度及其性能變化的研究。從火災(zāi)原因調(diào)查角度考慮，在建筑火災(zāi)嚴(yán)重?zé)龤У幕馂?zāi)現(xiàn)場中，金屬和混凝土建筑構(gòu)件在火災(zāi)中變形、斷裂或倒塌，將可燃物幾乎全部燒盡，原始痕跡物證大部分毀滅，現(xiàn)場勘查難度大。而混凝土則不會被全部燒盡在現(xiàn)場能找到殘骸。因此，在火災(zāi)現(xiàn)場勘查中，可以根據(jù)火場混凝土的物理性質(zhì)和化學(xué)組成的變化程度去判斷火災(zāi)現(xiàn)場中不同部位的溫度[1，2]。根據(jù)不同部位的溫度判斷火勢傳播的方向和路線，最終查明起火點和起火原因。１、溫度場及其影響因素混凝土跨中截面不同位置點的實測溫度-時間曲線如圖1[5]圖1中左面兩圖為150×300×2400(mm)試件跨中截面不同位置點的實測溫度-時間曲線，右面兩圖為250×300×1600(mm)試件跨中截面不同位置點的實測溫度-時間曲線從以上曲線可以看出，試件內(nèi)部不同點的升溫速度各不相同，靠近受火面的點(如圖1中y＝2.5cm之點)開始升溫速度較快，而后隨爐溫的穩(wěn)定，升溫速度也逐漸減小，有向某一(恒溫)趨近之勢，曲線無明顯平臺。遠(yuǎn)離受火面的點，升溫速度較慢，在爐溫穩(wěn)定后，仍基本上維持原速上升，且在整個加溫過程中未趨穩(wěn)定。反映了沿截面高度溫度傳遞的時差較大，遠(yuǎn)離受火面的溫度-時間曲線有一明顯的平臺。此外，在各曲線中發(fā)現(xiàn)非常重要的現(xiàn)象，就是所有曲線在140℃--200℃之間都有一明顯的拐點，這正是混凝土脫去自由水而引起的?；炷猎诟邷叵聹囟葓龅挠绊懸蛩赜校海ǎ保?、混凝土梁內(nèi)部溫度與尺寸有很大的關(guān)系，離表面距離相同的點，小尺寸截面上點的溫度比大截面尺寸截面上點的溫度要高。（２）、混凝土齡期，一般情況下，含水率大的混凝土，因?qū)嵝阅芎?，故?nèi)部溫度高。但如果把齡期考慮在內(nèi)，齡期短時，含水率雖大，內(nèi)部溫度反而偏低。這一現(xiàn)象的原因有二：一是混凝土齡期長時，失水多，但密實度大，有利于導(dǎo)熱；二是混凝土齡期短時，因其含水量大，水轉(zhuǎn)化為水蒸氣需要大量的蒸發(fā)熱，在脫去自由水分時，其溫度不會升高。（３）加溫時間，加溫時間對混疑土內(nèi)部溫度有很大的影響。表面溫度雖高，而加熱時間較短的混凝土內(nèi)部溫度比表面溫度較低，但加溫時間長的混凝土內(nèi)部溫度要低得多。以上是關(guān)于溫度場的定性的分析，關(guān)于溫度場的定量的計算也有人嘗試過，但火災(zāi)下混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的溫度場隨時間而變化。而且混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容和密度等熱工參數(shù)都是溫度的非線性函數(shù)，溫度場分析成為一個非線性的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，所以一般只能借助于數(shù)值方法求解，例如采用沿時間步長遞推的有限元算法。由于實際火災(zāi)的溫度－時間關(guān)系的不確定性，影響結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的因素很多，混凝土組成材料的成分復(fù)雜且離散性大，熱工參數(shù)很難準(zhǔn)確地給定，也可采用一些更近似的假定和簡化方法進(jìn)行分析。有些國家或?qū)W術(shù)組織的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計規(guī)程或有關(guān)設(shè)計手冊中，根據(jù)試驗結(jié)果和理論計算給出了構(gòu)件溫度場的多種計算圖表和數(shù)據(jù)，可供直接應(yīng)用。２、外觀變化２.１高溫下混凝土的顏色變化用普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊，模擬實際火災(zāi)升溫曲線對試塊進(jìn)行灼燒試驗[7]，試驗結(jié)果見表1[7]表1混凝土外觀變化與溫度的關(guān)系茅加熱時間拼（璃mi繭n烈）引最高溫度（錫℃徑）叨普通水泥井（倒P侄）尋礦渣水泥展（逐K勇）毒火山灰水柱（毯H跑）暫顏色穗外形變化執(zhí)顏色沖外形變化耕顏色蘇外形變化扁不加熱挎15擦淺灰燦無負(fù)深灰體無慰淺粉紅蜂無沒10豪658煮微紅宜無鳳紅效無鹽紅頑無暗20歡761參粉紅鉗無窗粉舟無哥粉紅奴無移30傻822筐灰紅級無療深灰白錢無擇橙麻無稠40-60匯925滋灰白黃挑表面有裂紋禾，平放置不粉化，城角有脫落綠灰白捧與普通水泥相母同阻灰紅白刷與普通水泥相粘同斧70-80隨968御淺黃白扭裂紋加大，放碰置時角脫落加淺黃滲與普通水泥相裳同蝶淺黃欣與普通水泥相昏同捎9睡0搏以上堪100按0沃以上曬淺黃喚粉化，各面脫掉落毛淺黃鞋與普通水泥相洗同黑淺黃適與普通水泥相臣同混凝土變成粉紅色是由于骨料中含有砂和鐵鹽，因此，受火災(zāi)時，混凝土所經(jīng)受的最高溫度和剩余強(qiáng)度可以從顏色上加以估計，一般地說，混凝土的表面顏色中出現(xiàn)粉紅色后，其剩余強(qiáng)度就值得懷疑了，表面顏色變成灰白色后，混凝土就可能變脆變得多孔，其強(qiáng)度值已降低一半以上了。但是強(qiáng)調(diào)一下，也有例外的情況。一般硅酸鹽類骨料混凝土以及輕骨料混凝土很少出現(xiàn)，而且在火焰進(jìn)一步作用下或冷卻后其顏色還會發(fā)生變化。另外需要指出的是，混凝土表面顏色變化除受溫度影響外，混凝土組成材料(特別是骨料、水泥成分)，火災(zāi)時燃料物種類、混凝土氧化程度及滅火方式等都將在不同程度上影響其顏色的變化，故以顏色變化來確定混凝土表面層火災(zāi)溫度及損傷程度只能是粗略的。值得注意的是，不能將該方法推論到評估內(nèi)層混凝土，這是因為混凝土內(nèi)外氧化條件相差極大。即使內(nèi)外溫度很接近，顏色也會相差甚遠(yuǎn)。抹２屢.側(cè)２混凝土的剝燈落嚴(yán)在火災(zāi)實驗和庭實際火災(zāi)中，紋均存在著混凝合土剝落的現(xiàn)象完，火災(zāi)中剝落禽大多發(fā)生在火畫災(zāi)過程中，也邊有很多發(fā)生在享冷卻階段，混觀凝土剝落通常掙分為兩種：爆婆裂和表層脫落金，當(dāng)應(yīng)力和焓辨濕量在某個極棚限范圍內(nèi)時，膨爆裂一般出現(xiàn)誓在柱、主梁和艷次梁中，爆裂限在受汁火腿3張0慘分鐘后產(chǎn)生一漂系列的急劇開身裂，每次開裂慚都將局部淺層周混凝土移去；箏另一種剝落，搜是一種逐漸分疾離的過程，它烤主要出現(xiàn)在柱京子和梁的邊緣洋上。剝落使混洪凝土深層的溫譜度有所提高，盒同時加快了熱攏量在深層混凝泡土的交換，因精而使鋼筋的溫卻度有了很大提兇高。２.３開裂選高溫時，混凝潮土的幾類裂縫掃的產(chǎn)生原因和亮位置如下：蕉（１）是由于裂水泥沙漿與骨歲料之間的膨脹躺不同所引起的慢應(yīng)力造成的，臥且膨脹系數(shù)隨修溫度的升高而侍增大，蛛導(dǎo)致混凝土騾在陜10穿0徐℃困時出現(xiàn)裂縫，何并且裂縫隨溫腫度的升高而加蛇大。這種裂縫吊與強(qiáng)度直接相絡(luò)關(guān)，在截面深乏處很少發(fā)現(xiàn)；宜（２）鋼筋混賴凝土之間的膨右脹系數(shù)不同所柿產(chǎn)生的應(yīng)力一辯般側(cè)在石40杏0途℃甩（對于一般的柱混凝土，輕骨匪料混凝土的溫昨度要低些）出漲現(xiàn)。這種裂縫里出現(xiàn)在鋼筋附墊近；劑（３）因為截著面尺寸和形狀摸引起的溫度梯蓮度產(chǎn)生的應(yīng)力收，這種裂縫一鉤般出現(xiàn)在截面瓣的角部及邊沿腸；病析（４）在冷卻垂過程中的收縮返受限而產(chǎn)生的蓮應(yīng)力而導(dǎo)致的顛裂縫可以延伸劇到整個截面，愿也可以限制在無內(nèi)部；陵（５）消防用殿水的突然冷卻鑄效應(yīng)產(chǎn)生的裂兇縫一般出現(xiàn)在叉表面附近；鍛（６）由于截戀面內(nèi)部的溫度君梯度的非線形臥產(chǎn)生的應(yīng)力，膝這種裂縫不是鳳由機(jī)械荷載引覽起的，主要在狐截面內(nèi)部產(chǎn)生躬和發(fā)展，但機(jī)伙械荷載對其產(chǎn)膜生和發(fā)展有很此大影響?？芮八姆N裂縫隨局結(jié)構(gòu)的冷卻和遷重新變形而減萍小，但不可能張完全閉合。獄雖然裂縫有以以上廳6挎種，但第一種旅裂縫是主要的巾，該裂縫是由鋒于水泥沙石與浴骨料之間的膨流脹不同所引起承的應(yīng)力造成的恨，加熱過程中語水泥石長度變帥化情況如潛圖備2碎[3]垃圖撲2權(quán)加熱過程中水熟泥石長度變化芹圖中的縱坐標(biāo)載為水泥石長度忽變化的百分率泥，橫坐標(biāo)為加匹熱溫度。由上顏圖知：水泥石寒開始加熱后首穩(wěn)先產(chǎn)生膨脹，陜當(dāng)獵C銀—員S艱—呢H詠脫水時，產(chǎn)生虜收縮與熱膨脹削相平衡，盜在蕉30鐵0單℃追左右，膨脹率白為０，而后，丑隨擴(kuò)著夕C譜—漿S耐—到H植進(jìn)一步脫水和遼其它水化物脫烈水，收縮進(jìn)一售步加大并占主繭導(dǎo)地位，特別鉆是核C繼—測H侍開始脫水后致都使收縮更加增燭大。同時，在隙加熱過程，集朵料則表現(xiàn)為不缺斷膨脹。以石晶英的砂子和礫杏石作為集料為依例，石英鐵在朋57酸3想℃粉時會由若α個型向繼β沖型晶系轉(zhuǎn)變衡，禾β統(tǒng)一石英的體積松比性a損一石英體積大狂０滾.拍８５％，產(chǎn)生反較大的膨脹力案。由此可見，旋在混凝土升溫懂降溫過程中，粘水泥石為收縮脅，集料為膨脹慮，兩者間這種轎反差造成的內(nèi)滴應(yīng)力，使混凝澤土在火災(zāi)過程產(chǎn)中，內(nèi)部砂漿妥－集界面、表中面開裂，強(qiáng)度擾下降，特別是哲溫度高畝于乏50牛0倦℃堆最為明顯。駐兩者間的反差癥造成內(nèi)應(yīng)力，采使混凝土內(nèi)部興產(chǎn)生開裂，強(qiáng)撿度下降。３、強(qiáng)度變化蜘３載.葉１派高溫下混凝土望的強(qiáng)度與溫度快關(guān)系艱水泥制成的混粱凝土在高溫作浪用下會產(chǎn)生強(qiáng)學(xué)度督下降奶，飯聞30課0犁℃懶以下的溫度，贊混凝土強(qiáng)度變噴化不大。當(dāng)溫舉度高鍬于勾30育0廁℃快時，混凝土的代強(qiáng)度隨著溫度噸升高而降低。極當(dāng)溫度升形到踐60居0糊℃足左右奔時葉混凝土的強(qiáng)度費下降屑約坑50春%嘴。飯高溫下混凝土箏內(nèi)部的水分變緊化及其對強(qiáng)度隙的變化有很大挽影響，智10竹0帝～電15痕0殿℃各時，混凝土通螞過自蒸作用失持去自由水，導(dǎo)瞞致類Ca(OH)荒2工晶體進(jìn)一步結(jié)貪晶，未水化的嫂進(jìn)一步水化，那使混凝土硬而向致密，強(qiáng)度增盜加竹。筆16悅0煤～曲37擔(dān)0普℃紋。混凝土失去鎮(zhèn)水化硅酸鈣所曲吸附的物理水遼和水化鋁酸鈣爽中的水，使混煙凝土收縮。因隨此，混凝土受風(fēng)熱溫度低彎于脫30健0夫℃敲，溫度升高對典混凝土強(qiáng)度影側(cè)響不大，甚至拼使強(qiáng)度增強(qiáng)；怎受熱溫度高太于秀30帝0鋪℃般，混凝土的脫煌水收縮超過熱脂膨脹，混凝土酸體積縮小，而嘴砂子、石子等面骨料受熱時不果斷膨脹。兩者煤相反作用的結(jié)們果，使混凝土洋發(fā)生龜裂，強(qiáng)惹度下降冠；廣40白0療～俯60劈0殃℃運，由分于禿Ca(OH)頌2序晶體失水，發(fā)畏生晶體破壞，奴使混凝土失成去如"勉骨狠架悼"終，并且骨料中蠟的石英想在裕56炊0辰℃越左右叮由低溫型相變自為高溫型，體幕積突然膨脹，鑄使混凝土裂縫妨變大塵（裂縫原因如山前所述）匆，強(qiáng)度急劇下頁降。普通混凝甘土都經(jīng)不壘起稠60囑0來℃樹高溫長時間作亦用，通常受把料60犬0而℃享稱為混凝土破露壞性溫度死。抵70伍0觀～杏90客0暖℃繼混凝土中電的煙CaCO華3恥發(fā)生分解，使遠(yuǎn)混凝土粉化，管強(qiáng)度喪失殆盡股。玩３漏.哈２顯微結(jié)構(gòu)形銹貌特征的變化博由前分析高溫田后混凝土的強(qiáng)丘度降低主要是覆由于水泥石在景高溫作用下的梁分解和混凝土耽內(nèi)部各組分的方熱變形不相容醒造成的。高溫餓混凝土的熱分伸解和熱變形的梯內(nèi)在原因則是杠高溫下混凝土?xí)竦膬?nèi)部微觀結(jié)急構(gòu)發(fā)生變化。廁因此，通過對斯不同溫度作用善后混凝土的微越觀結(jié)構(gòu)的觀察徒就能進(jìn)一步從均微觀上揭示混港凝土在高溫后渣強(qiáng)度降低的原再因。以下是高司溫后混凝土在歡掃描電鏡下的贊介紹：己由于混凝土結(jié)式構(gòu)的組成在不制同溫度下其物吵相將會發(fā)生不玉同程度的變化耐，這就為采用舍電子顯微鏡觀械察法創(chuàng)造了條現(xiàn)件。用掃描電司子顯微鏡觀察控混凝土斷口結(jié)賣構(gòu)在不同溫度烤下的顯微結(jié)構(gòu)驅(qū)形貌特征，通謠過對比不抵同溫度形貌特胃征的不同，分著析混凝土強(qiáng)度墊降低原因的方販法稱為掃描電股鏡分析法，結(jié)腥果見下表２裳[6]柔：章表２不同溫度簡在掃描電鏡下獨顯微結(jié)構(gòu)形貌各特征計常溫杰，蹦10臣0范℃萌，登20槐0價℃缸，被30婚0惑℃紅水泥漿體密集逗，連續(xù)性好柏，移C僚—霜H沿晶型完好，石種英晶體完整現(xiàn)40休0跡℃商水泥漿體中硅已酸二鈣開始脫毯水，編但貧灰C躬—甲H腎仍完好份50披0減℃鉗硅酸二鈣已脫火水，水泥石的盡晶體輕微破壞守，漿體開始出竊現(xiàn)疏松，但仍姑較緊密，連續(xù)標(biāo)性較好傳，殲C充—與H獎晶型缺損，破蒼壞或裂紋，石背英晶體出現(xiàn)微申細(xì)裂紋穿60歐0求℃后水泥漿體脫水抱并收縮成疏松蚊體籃，頂C咳—妙H圈已經(jīng)脫水分解步，生成少申量灰Ca肯O暈，石英晶體出妥現(xiàn)較多、較深沈明顯裂縫柿70謹(jǐn)0足℃拴水泥漿體脫水那并收縮成團(tuán)聚懇體，漿體疏松哲有孔隙吳，蘋C-嫩H駝大量分解生恢成籮Ca獻(xiàn)O干，療C夫—檔H熊殘余晶型已大骨大減少跟80證0飲℃吊苗，館90給0隊℃慚水泥漿體成為因不連續(xù)的團(tuán)塊歲狀，空隙很大蕉，元Ca孝O裝的數(shù)量增加，雖石英晶體裂縫渡很大，但晶體敢仍較完整返100黎0炎℃竊漿體脫水、收撫縮后空隙更大矩，石英晶體已鴨開始出現(xiàn)不完燥整示上表表明：混返凝土常溫下結(jié)柏構(gòu)相對比較完共整，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)殲緊密蠶，薄30帳0垮℃淚～扎40療0滿℃返以后出現(xiàn)缺陷悉，隨溫度升高歌漿體脫水收縮吵逐漸加強(qiáng)，從霉疏松體直至分驕散的團(tuán)塊狀且攜空隙很大扯；照喉Ca(OH)許2姿形貌馬在艙50乘0匯℃細(xì)以前變化不大背，牧50臟0瞧℃醋以后形貌出現(xiàn)塌明顯的殘缺不碧全，以后，托Ca(OH)猾2濾的殘形不斷減瀉少；而石英晶撓體跟從晨60容0玉℃懼開始由于膨脹仇作用出現(xiàn)裂紋式。這些形貌變河化與以上的分芳析基本一致。跡３鑼.興３彈性模量巴在火災(zāi)過程中離及火災(zāi)結(jié)束后肆，混凝土的彈蹦性模量均有較予大程度的降低碼，溫度達(dá)肯到禾300培℃樸時約降蹦低歇40睡%枕，溫度達(dá)怒到花600士℃粱時約降削低客85猛%襯，由于其他原胖因，單是彈性際模量的降低并景未引起很大的谷彈性變形。?。碀?jì).廊４水冷卻強(qiáng)度變與自然冷卻強(qiáng)棋度的比較怕水冷卻強(qiáng)度與港自然冷卻強(qiáng)度扭相比較時，水然冷卻強(qiáng)度下降姻幅度較大。水賀冷卻強(qiáng)度低于雄自然冷卻的原筆因也有兩點；顆一、高溫下混慌凝土突然受冷摘水作用使混凝欣土內(nèi)外產(chǎn)生較屆大的內(nèi)應(yīng)力差污，二識、框C-媽H許脫水生成知的族Ca帆O蔬遇到滅火用水忠時會再反應(yīng)生雹成茶C-鎖H弄，產(chǎn)生體積