高强混凝土的高温爆裂性能分析

【摘　要】由于高强混凝土本身的材料性能，与传统的普通混凝土相比，高强混凝土在遭受火灾高温时更容易发生剧烈的爆裂现象，所以对高温混凝土高温爆裂性能研究越来越重要。本文介绍了高强混凝土在高温下对建筑物的影响、高强混凝土的高温力学性能、高强混凝土高温爆裂性能研究的前景。

【关键词】高强混凝土；高温；爆裂；力学性能０　前言

近年来，随着建设事业的飞速发展以及城市化进程的不断加快，建筑物越建越高，跨度越伸越大，高强混凝土((High strength concrete，简称HPC)因其具备抗压强度高，耐久性好，渗透性低及变形小等优点，能满足现代工程结构向空间、大跨、地下方向发展的需要，由于其优越的性能在实际工程中已得到越来越广泛的应用，取得了显著的技术经济效益。同时，许多建筑物正向着高强、大跨、高承载力方面发展，高强混凝土成为最有发展的建筑材料之一。但是，在高强混凝土的研究和工程应用过程中，与传统的普通混凝土相比，高强混凝土在高温环境及遭受火灾时更容易发生剧烈的爆裂现象，所以对高温混凝土高温爆裂性能研究越来越重要。

１　高强混凝土高温爆裂对建筑的影响

高温爆裂是一种灾难性的破坏形式，在受火、急热等高温环境下混凝土表面局部或整体发生剥落破坏的现象，同时常伴有啪响亮的爆裂声音，爆裂后混凝土表面出现肉眼可辨的明显“凹坑”。爆裂深度深浅不一，较深的爆裂深度可达75mm[1]。且受热温度越高，混凝土强度等级越高，爆炸发生的几率和剧烈程度越大。并且当遭受高温或火灾时与普通混凝土相比，高强混凝土更易产生剧烈的爆裂现象。显然，这给高强混凝土结构的火灾安全性带来了极大的危害。

２　高强混凝土的高温爆裂力学性能

在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土致密的内部微观结构使其具有高强度和较低的渗透性，以致使其有相对较低变形能力或者说有更高的“脆硬性”。但是高强混凝土这种致密的微观结构在高温（火灾）的情况下呈现出极其不利性。相关的实验结果表明：高强混凝土在高温环境下，与普通混凝土相比，其力学性能呈现出极大不同：高强混凝土在遭受快速升温时，极易胀裂甚至爆裂[2]。

高温（火灾）下，混凝土构件强度受到极大影响，其中混凝土强度的主要影响因素包括：混凝土强度等级、骨料类型、冷却方式等。并且混凝土强度等级越高，高温后混凝土的强度一般越小，所以高强混凝土在高温后强度的影响较大，其强度降幅研究如下：①高强混凝土在500℃高温作用下会发生爆裂现象，且随着受火温度的升高（800℃），爆裂加剧；②随着受火温度的升高，高强混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂拉伸强度逐渐变小；③随着受火温度的升高，高强混凝土的微观结构逐渐变差，主要表现为结晶水丧失、水泥水化物发生分解。当受火温度达到800℃后，其结晶水全部丧失，水泥水化物全部分解，结构变得疏松[3]。

高强混凝土作为一种新的建筑材料，其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低，但是高温下高强混凝土力学性能与普通混凝土进行比较有：①高强混凝土由于微观结构更为致密，高温下内部水蒸气的释放较为困难，蒸汽压力超过混凝土的抗拉强度时易产生剧烈的爆裂现象。②高强混凝土存在脆性高和耐火性能差的缺点，由于温度梯度、内外约束、水泥浆体同骨料热膨胀的不匹配以及温度敏感性等原因会引起材料热开裂，导致混凝土爆裂性破坏。③高温后高强混凝土的抗压强度较高温时下降的更多，较普通混凝土下降更为剧烈。特别是在常温至450℃的范围内，高强混凝土较普通混凝土具有更大的强度损失率。混凝土的刚度随加热温度和暴露时间的增加单调下降，400℃以前，弹性模量和泊松比下降较少，400℃以上两者均下降较快，且随温度变化的曲线形状随龄期增长，弹性模量增加而泊松比降低[4]。

热应力机理认为由于混凝土的热惰性，使得高温在混凝土内部热量传导不均匀，混凝土内部引起了温度梯度，温度梯度在混凝土内部产生了两向或者三向热应力，而且热应力随着温度的升高而增长，在达到某一值时形成比混凝土自身抗拉强度更高的拉应力而导致爆裂的发生。伴随温度梯度而产生的热应力最终引发了爆裂[5]。高强混凝土在温度荷载作用下的性能劣化是一个包含化学、物理变化的过程，其爆裂是一个复杂的非线性问题，需要从材料科学和力学的角度进行系统、深入地研究。

混凝土爆裂的原因错综复杂，但可以通过改变材料性质，如添加粉煤灰；通过控制混凝土内部含水率提高其抗爆性；此外采用掺入纤维等措施也可较好的防治其爆裂[6]。

３　高强混凝土高温爆裂性能研究的前景

普通混凝土在200度以上的高温作用下，混凝土内部会发生一系列物理化学变化，轻则导致混凝土开裂，降低承载力，重则发生爆裂，致使混凝土整体破坏。配制耐高温混凝土，可以根据混凝土承受的不同温度，分别采取选择耐高温水泥、耐高温骨料，结合降低用水量、降低硅酸盐水泥用量等技术措施来实现，使混凝土在规定的高温环境下能够保持设计要求的承载力。

高强混凝土的高温爆裂破坏过程是由试验条件、材料性能等诸多因素共同作用的结果，实际情况可能比较复杂，材料因素中的强度等级、湿含量和集料种类，温度因素中的升温速度和最高温度，试件的几何形状和钢筋分布等，都可能对爆裂的发生有所影响[7]。总结目前的研究情况，我国高强混凝土爆裂性能的研究应注意从以下几个方面进行实践研究和理论创新：

（1）进一步研究高强混凝土高温爆裂的机理，从根本上掌握高强混凝土分子结构与其高温性能的关系，为制定抗火灾高温爆裂的具体措施提供理论依据。

（２）爆裂现象是高强混凝土在特殊情况下的“低性能”,因此可以从材料配合比设计和结构构造措施等方面进行系统的研究。

（3）到目前为止，大多数学者认为，掺加聚丙烯纤维方式简单，是防止高强混凝土发生高温爆裂最为有效的措施，应对此技术进行深入研究，增强其技术指导作用，才能使聚丙烯纤维高强混凝土的实质性应用扩大。

（4）在高强混凝土中掺加橡胶粉，当前来说也是一种抑制高强混凝土爆裂的新方法。但橡胶粉的掺入会引起抗压强度降低，而且随着橡胶粉掺量的增加降速加快。但在当前资源紧缺的形势下，具有一定的优越性和必要性。

（5）采用掺加钢丝网或钢纤维来增强抗爆裂效果研究结果有很大的离散，目前还存在很多的争议，深入研究高温抗爆裂性能显得更为重要，而且施工生产成本高、施工机械还需要进一步研究解决[8]。

（6）如果能研制出一种外加剂从微观结构方面改善高强混凝土的高温性能，那将是高强混凝土抗高温爆裂研究的一次飞跃。

（7）在今后的研究中，基于微细观的力学分析方法，利用扫描电子显微镜、X射线衍射等无损检测技术，将有益于进一步探明混凝土的内部细观变化和爆裂机理，促进高强高性能混凝土高温性能和抗爆裂的研究与工程推广应用。

【参考文献】

［１］PHAN L T，CARINO N J.Review of mechanical properties of HSC at elevated temperature[J].Journal of Materials in Civil Engineering-AS—CE，1998，10（1）：58-64.

［２］何振军，宋玉普.高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能[J]．力学学报，2008，40（3）：364-373．

［责任编辑：王迎迎］