1.4　高强混凝土/高性能混凝土的火灾（高温）损伤

高强混凝土（high-strength concrete，HSC）/高性能混凝土（high-performance concrete，HPC）具有强度高、变形小、耐久性好等优点，同时还能减小构件截面，增大使用面积，降低工程造价，特别适用于现代工程结构向大跨、重载、高耸方向发展和承受恶劣环境的需要，因此得到了越来越广泛的应用。然而，随着HSC/HPC在现代混凝土建筑工程中的广泛使用，HSC/HPC结构遭遇火灾（高温）的危险性也日益增加。

为了确保HSC/HPC结构的火灾安全，以及评估这些建筑物火灾（高温）后结构的承载力和安全性，为结构的修复加固提供科学依据，充分了解和研究遭受火灾（高温）作用的HSC/HPC的强度、变形等性能变化，以及比普通混凝土（normal-strength concrete，NSC）脆性更大、更容易发生爆裂的现象等是十分必要的。

1.4.1　火灾（高温）对高强混凝土/高性能混凝土强度的影响

（1）抗压强度（compressive strength of cubes）f_cu

不同温度作用下，HSC/HPC试件强度的变化出现并遵循类似普通混凝土（NSC）的趋势。最初，当作用温度在100～300℃时，与室温下相比，其抗压强度损失15%～20%，随着混凝土强度增加，遭受高温的强度损失也增加；强度初始损失后，HSC/HPC在300～400℃间恢复其强度，达到超过室温强度（8%～13%）的最大值，随着混凝土强度的增加，强度恢复也发生在较高的温度下；400℃以上的高温下，其抗压强度迅速下降，600℃时，下降约50%，800℃时，下降至约室温强度的20%～30%。

加热期间预加荷载有助于减少强度损失，也使强度恢复延迟，而强度恢复幅度较高；但预加荷载试件约在700℃时已不具结构完整性，失去持荷能力；部分试件在一恒定的温度范围内爆裂破坏。混凝土抗压强度随温度变化的情况如图1-21所示。另外，掺钢纤维加强的HPC，高温作用后强度损失率最小而残余强度最大。

对C70、C80和C85三种强度等级的HSC分别进行高温后的力学性能试验（工业电炉，升温速率10℃/min，达到规定温度后恒温3～4h，然后打开炉门冷却1h后，取出试件置于室内自然冷却至室温），得出高温后HSC抗压强度随加热温度的变化规律为式（1-26）：

式中，f_c、f_cr（T）为常温时，温度T作用后混凝土的抗压强度。

高温后约束（配箍筋）HSC的抗压强度损失比无约束HSC小。高温后约束HSC的抗压强度随体积配筋率增大，强度提高幅度也增大；加热温度越高，高温后约束HSC的抗压强度较无约束HSC的抗压强度提高幅度越大。

（2）劈拉强度（splitting tensile strength of cubes）f'_t

室温下，HSC/HPC的劈拉强度f'_t较NSC稍大，随加热温度增加，f'_t连续下降，速率较快。300℃时，与NSC相当接近，之后比NSC下降稍快；800℃时，损失80%左右。

1.4.2　火灾（高温）对高强混凝土/高性能混凝土刚度的影响

（1）弹性模量（Young's modulus）E_c

高温对HSC/HPC弹性模量E_c的影响与NSC极其相似。随加热温度增加，HSC/HPC的E_c单调下降。在100～400℃的温度范围内，E_c下降较少；400℃以上，E_c下降较快；600℃时降低到约室温的25%；600～700℃，E_c变化极小；800℃时，E_c约为室温的20%。HSC/HPC与NSC的E_c随温度变化的曲线形状类似，如图1-22、图1-23所示。

高温后HSC弹性模量随加热温度的变化规律为式（1-27）：

式中，E_c、E_cr（T）为常温时，温度T作用后混凝土的弹性模量。

（2）泊松比（Poisson's ratio）ν_c

泊松比ν_c是另一个刚度参数，它能较好地反映混凝土内部裂缝的开展过程。随加热温度增加，HSC/HPC的ν_c单调下降，400℃以前，ν_c下降较少；400℃以上，ν_c下降较快。HSC/HPC与NSC的ν_c随温度变化的曲线形状类似，但HSC/HPC的ν_c总是较大，如图1-23所示。

（3）变形

高温对HSC荷载-变形行为的影响，全部试验温度下大致与NSC相同。在100～200℃范围内，HSC峰值荷载下的变形较常温下没有明显变化，在300～400℃之间，相应于峰值荷载的变形稍微增加。然而，当温度在500～800℃间变化时，峰值荷载下变形明显增加。在800℃，变形是室温下变形的3～4倍，如图1-24所示。图1-25为高温下NSC的荷载-变形行为。

高温后HSC峰值应变随加热温度的变化规律为式（1-28）：

　　（1-28）

式中，ε₀、ε_0r（T）为常温、温度T作用后混凝土的峰值应变。

高温后HSC的应力-应变曲线形状与NSC的基本一致，但HSC的应力-应变曲线的下降段陡于NSC，这主要是由于HSC脆性较大，进入下降段后能量释放比较突然和集中。高温后HSC的无量纲应力-应变曲线可以用式（1-29）描述：

　　（1-29）

式中，x=ε/ε_0r（T）；y=σ/f_cr（T）；σ、ε为应力、应变。

1.4.3　火灾（高温）对高强混凝土/高性能混凝土断裂能的影响

断裂能（fracture energy）G_F定义为断裂面积上消耗的能量，它可以通过三点弯曲试验中荷载-位移曲线下面积（即根据力所做的功）来计算。HSC与NSC的G_F随温度变化的曲线形状类似。G_F随温度增加而增大，300℃时达最大值，HSC比未加热时的值约增大60%，NSC约增大50%，然后下降。600℃时，G_F下降到接近初始值，HSC高于初始值约20%，NSC低于初始值约15%，如图1-26所示。

1.4.4　火灾（高温）对高性能混凝土/高强混凝土脆性的影响

脆性一般定义为材料在外力作用下，无明显的塑性变形而突然破坏的性能或趋势。相反，韧性表示材料抵抗断裂的能力。不同的脆性或韧性指标用来评价混凝土的脆性，包括能量指标、变形指标以及综合性指标等。Hillerborg等人提出特征长度（characteristic lengch）l_ch作为一个脆性参数，l_ch=G_FE_c/，这里f_t是混凝土的抗拉强度，可由代替。由于l_ch是能量、刚度和强度参数的组合，因此被认为是一个综合性的脆性参数。l_ch值越大，混凝土的脆性越小或越坚韧。随加热温度增加l_ch单调增加，HSC/HPC增加较快，600℃时较室温下上升6倍之多，而NSC只有2倍，如图1-27所示。

1.4.5　重量损失W

通常HSC/HPC的重量损失W随加热温度增加而增加，存在三个典型阶段。第一阶段，200℃以前，W随加热温度增加，W由混凝土内可以自由逃逸的宏观毛细水蒸发引起，这个阶段可被看作主要是一个物理过程；第二阶段，200℃之后，W以较小的、稳定的速率缓慢增加，直到400℃，W主要由细观凝胶水的蒸发引起，由于凝胶水从较小尺寸的凝胶孔中逃逸较困难，这时蒸发速率变小，因此W增加缓慢，这个阶段可描述为一个物理-化学过程；第三阶段，在400℃以上，W随加热温度增加再次快速增加，W主要是由坚硬水泥浆体和骨料的脱水及分解引起，由于微观的化学结合水的蒸发，这个阶段主要体现为化学过程。

W随暴露时间增加而增加，随养护龄期增加而下降。W与各性能指标的关系见表1-6。

1.4.6　影响高强混凝土/高性能混凝土火灾（高温）性能的因素

（1）含水量

水分不仅占据了混凝土体积的一部分，而且它在通过水泥颗粒的逐渐水化决定混凝土性质和影响混凝土性能方面起着主要的作用。在20～450℃范围内，含水量对混凝土的火灾（高温）性能有明显影响。在100～300℃范围内，浆体孔隙充满水分，明显存在三轴应力状态，导致混凝土强度降低。随温度增高，吸附水排除，水泥凝胶体变硬或使凝胶颗粒间的表面力增加，强度增加即恢复。之后300～400℃强度变化不大，主要与孔隙率有关。混凝土强度越高，密实度越大，吸附水逃逸慢，使强度恢复延迟。100～400℃，由于自由水和吸附水被逐除，E_c轻微减少。400℃以上，水泥浆体脱水趋于收缩，而骨料膨胀，骨料和浆体之间的黏着被削弱，因此强度逐渐降低，E_c降低迅速。600～800℃，石灰石骨料煅烧，吸收热量，减缓了试件内的温度升高，强度损失减慢，E_c变化也很小。

（2）火灾（高温）作用时间

较低温度时，f_cu随作用时间的增加轻微下降，然后恢复；对于较高温度（400℃以上），较长的作用时间始终导致较低的残余强度并且不再恢复。

f'_t一般随作用时间的增加单调减少，并且不再恢复。

E_c与v_c随作用时间的增加单调减少。

一般随作用时间增加，l_ch增加，脆性降低。

（3）混凝土养护龄期

通常所有强度参数、G_F随混凝土养护龄期增加而增加，由于龄期增加，水泥浆体进一步水化，28d内强度增加显著，90d时趋于稳定。因此为了避免龄期的影响，研究HSC/HPC的热性能，特别是残余强度，理想的养护龄期至少应为90d。

E_c随养护龄期增加而增加，28d较快，90d趋于稳定，HSC的E_c绝对值一般较大。28d内ν_c减少较快，90d趋于稳定，HSC的ν_c一般较NSC小。

较长的养护龄期，可轻微增大脆性，28d后逐渐趋于稳定，所有龄期HSC的l_ch与NSC相比，室温下稍大，加热300℃后更大。

（4）冷却方式

冷却方式对混凝土的影响如图1-28所示。当温度不超过400℃时，空气冷却的试件的抗压强度几乎保持不变。而同样的温度范围，喷水冷却的试件，由于冷却过程中经历了热振荡，其抗压强度严重退化。

1.4.7　高强混凝土/高性能混凝土的高温爆裂及消除爆裂的途径

现代技术已使制作超高强混凝土（>250MPa）、高性能混凝土成为可能，然而，混凝土密实的内部结构、较低的渗透性可能导致火灾（高温）抵抗力降低，以致引起混凝土非常突然甚至爆炸性破坏。在一些案例和文献中已有报道，其中一例是1996年一欧洲隧道内单节机动有轨车发生火灾期间，当救援和消防灭火工作正在进行时，隧道的混凝土衬砌由于爆裂引起许多危险，来自消防部门及火灾跟踪的调研报告表明HPC的高温性能需要进一步研究；本书作者也已观测到高温作用下的HSC试件爆裂破坏。HSC/HPC抵抗高温的能力很大程度上被爆裂所牵制。本书作者曾在特制的高温炉中基本按照ISO 834标准升温曲线对80MPa饱水状态的HSC梁（100mm×100mm×515mm）进行加热，试件严重爆裂，最大爆裂深度约40mm，爆裂体积约25%，而同样的试件60℃烘干10h后再加热则没有发生爆裂现象。

（1）爆裂机理探讨

爆裂指混凝土构件在火灾（高温）作用下，达到一定温度时，在没有任何先兆的情况下表面混凝土突然发生剥落的现象。爆裂深度深浅不一，较深的可达75mm。关于HSC/HPC高温爆裂的机理有不同的解释。观点之一认为主要是蒸汽压引发爆裂；另一观点认为热应力储存能量的释放是热爆裂主要的驱动力，孔压力只是HSC爆裂的触发器。笔者认为蒸汽压机理更接近实际情况，即水分是关键问题，由含水量协同一个或多个有害因素是爆裂的原因，许多实验已证实热爆裂只发生在水分过饱和的湿混凝土中。图1-29是模型预测的HSC柱遭受ASTM E 119火灾不同时间时的孔压力分布。

混凝土受火灾（高温）作用时，热流进入混凝土内部，当孔隙水达到足够高的温度开始蒸发时，产生蒸汽压，导致孔压力增加，加之液相热膨胀也增加孔压力，因此在蒸发区和在混凝土内部较深处与其外表面的较低压力区域之间形成一个压力梯度。蒸汽沿压力梯度迁移，它逸出进入大气，或者向混凝土内部较冷区域迁移并凝结。随着蒸发-迁移-凝结这个循环继续，混凝土表面附近形成一个干燥区，内部由于孔隙水的积累，就在较冷区域形成一个完全饱和层（completely saturated front，或moisture clog）。一旦这个饱和层形成，水蒸气被严格阻止向混凝土内部迁移，取而代之的是被迫迁移通过干燥区以逸进大气层。由于HSC/HPC明显的高密实度和低渗透率，在快速升温的（火灾）高温作用下，水蒸气不能及时逃逸，而产生较大的孔压力，当孔压力协同固态骨架产生的热应力超过混凝土的抗拉强度时，爆裂就发生了。爆裂发生在结晶水和化学结合水释放期间，其温度范围，未加荷载的HPC试件为240～280℃之间，预加荷载的HSC试件爆裂发生在320～360℃之间。爆裂发生的厚度一般在距表面36～72mm深度之间。HSC/HPC高温（火灾）爆裂过程示意图如图1-30所示。图1-31是两组试件加热过程中质量随时间变化的情况。图1-32为快速加热下混凝土不同部位的瞬时温度。

（2）影响爆裂的因素

在HSC/HPC中掺加混合材，特别是硅灰，使得混凝土密实度提高，孔隙率降低。致密的内部微结构提高了混凝土强度，但同时也使内部水蒸气传递和释放困难，从而发生爆裂的概率较高。

高温爆裂显示明显的尺寸效应。试件尺寸对水分失去的速度和实验时的含水量有直接的影响，较小的试件提供了加热期间水分逃逸的较短路径，因此可减少爆裂。引气剂对爆裂有一定影响。

（3）消除爆裂的途径

根据以上分析可知，加热速率、含水量和混凝土的渗透率是决定能否发生爆裂的主要因素。降低含水量或增大孔隙率均有助于改善或避免HSC/HPC高温爆裂现象的发生。一个有效的办法是在混凝土搅拌期间往混凝土中掺加少量聚丙烯纤维。这些纤维均匀分布在整个混凝土中，它们约在165℃时熔化，从而在整个混凝土中留下孔隙空间，增加渗透性以调节蒸汽压增长。试验研究了不同类型混凝土所需聚丙烯纤维的最佳掺量、混凝土爆裂后曝露给火灾的高强、高伸长率钢筋的残余性能以及HSC的残余强度，结果表明，HSC/HPC中，聚丙烯纤维的掺加减少了快速升温时混凝土的爆裂，而对混凝土的残余强度影响不大。

1.4.8　高强混凝土/高性能混凝土的火灾损伤机理

近年来HSC/HPC在建筑工程中得到了广泛的应用，在许多火灾现场发现的高强混凝土火灾损伤特征与普通强度的混凝土有所不同，尤其是高强混凝土受高温灼烧时，表层混凝土爆裂现象较严重。因此目前有关HSC/HPC混凝土火灾损伤机理的研究也是国际范围的热点。

火灾下HSC/HPC混凝土强度损失随温度的变化大致分为三个阶段：

第一阶段——强度的初始损失阶段，在温度从室温升到100～300℃期间，随温度上升，HSC/HPC混凝土的强度衰减程度比普通混凝土要多，且HSC/HPC混凝土随混凝土强度的增加而衰减损失增大；

第二阶段——强度的恢复阶段，HSC/HPC混凝土与普通混凝土一样，在强度初始损失到一定阶段，强度有所回升，甚至超过混凝土在室温时的原始强度。这种回升一般在400℃左右达到顶峰，HSC/HPC混凝土所达到峰值比普通混凝土要高，且HSC/HPC混凝土的峰值随强度的升高而升高，有的峰值可达113%之多。

第三阶段——强度的永久损失阶段，一旦HSC/HPC混凝土强度回升达到峰值，紧接着就进入了第三阶段。在此阶段HSC/HPC混凝土的衰减与普通混凝土相差很大。HSC/HPC混凝土受到高温时，“爆裂”损伤缺陷比普通混凝土多。爆裂深度深浅不一，较深的爆裂深度可达75mm。高温下爆裂机理的各种观点中，有两种观点逐渐突出，即蒸汽压机理（the vapor pressure mechanism）与热应力机理（the thermal stress mechanism）。

蒸汽压机理是指高温（火灾）下混凝土体内所含的水分受热蒸发成水蒸气，水蒸气无法及时扩散排出混凝土的表面而在混凝土内部产生了蒸汽压，当这种蒸汽压达到一定数值时，即引发了爆裂。热应力机理是指高温（火灾）时由于混凝土的热惰性使得热量传导不均匀引起混凝土内部的温度梯度，伴随温度梯度而产生的热应力最终引起混凝土的爆裂。

降低含水量或增大孔隙率都有助于避免混凝土爆裂现象的发生；高强混凝土的水灰比很低，自由水含量较低，高温时混凝土的化合水也会分解，同样会导致高温时某一区域的完全饱和，加上高强混凝土的致密性，使得高强混凝土比普通混凝土更容易引发爆裂。