1 引言
隨著經濟的發展，城市的膨脹，居民區人口密度增大等一系列因素，基礎設施建設規模越來越大，建筑高層化、建筑結構復雜化不可避免，30 層以上的商業及住宅樓已很普遍。這種情況下普通混凝土的使用就有了局限性，而高性能混凝土由于其優異的性能，得到了廣泛的應用。近年來，由意外引起的火災案件頻傳。火災發生的頻度居各災種之首，火災造成的損失約為地震災害的5 倍。
我國年均發生火災十幾萬起，年均損失上百億元[1]。混凝土本身作為一種不燃燒的材料，其材料性能會在火災中嚴重劣化，尤其是高性能混凝土在火災下比普通混凝土易于發生爆裂現象，這種爆裂一般沒有先兆，一旦發生，將導致結構完整性的喪失，令結構過早坍塌，給人們的逃生和搶救工作造成困難。因此，研究高性能混凝土的耐火性具有非常重要的現實意義。國外從上世紀80 年代末90 年代初[2,3,4,6]已開始高強混凝土的耐火性研究，在我國近幾年才開始[ 5,7—16]。
本文根據查得的文獻，將現有高性能混凝土耐火性研究進行分析整理，探討了目前需要優先研究的領域。
2 研究高強高性能混凝土耐火性的試驗方法[2]
2. 1 應力試驗
在升溫前對混凝土試件預加荷載（加荷水平一般為室溫混凝土極限抗壓強度的20％到40％），并在升溫過程中不卸載。以恒定速率升溫直至達到目標溫度，并在此溫度下恒溫一段時間以達到熱穩定態。然后以規定的速率增加荷載或應變直至試件破壞。試驗結果通常是在不同溫度下的抗壓強度和彈性模量。這種試驗的數據十分適合于代表柱或梁的受壓區混凝土的耐火性能。
2. 2 無應力試驗
試件在以恒定速率升溫直至試件內達到熱穩定狀態，此過程中不預加荷載。然后以規定速率加荷載或應變直至發生破壞。這種試驗的數據十分適合于代表梁受拉區混凝土的耐火性能，或預受小荷載的構件中的混凝土。
(馬冬花，女，（1976－ ），從事混凝土工程及技術研究。
本文由科技部科研院所技術開發專項資金項目（2003EG131152）和云南省校省院科技合作計劃項目（2004YX31）資助。)
2.3 無應力殘余強度試驗
試件在以恒定速率升溫直至試件內達到熱穩定狀態，此過程中不預加荷載。然后將試件以規定的速率冷卻至室溫。在室溫下對試件加載或應變直至試件破壞。無應力殘余強度試驗與上述所有的試驗方法均不同，其試驗結果非常適用于評估混凝土火災后的殘余性能。
三種方法的升溫加荷關系見圖1[3]。
3 高強高性能混凝土耐火性的試驗研究
3.1 溫度對高強高性能混凝土抗壓強度的影響
不同試驗方法（無應力試驗，無應力殘余強度試驗，以及應力試驗）所得的關系不同。高強混凝土的關系用實線表示，普通混凝土的用虛線表示。
3.1.1 在無應力試驗中，試件在無應力狀態下加熱并在高溫中進行試驗。對無應力試驗，強度與溫度的關系可用三個階段表現（圖2 到3）：
圖2 應力試驗中抗壓強度－溫度的關系（普通骨料混凝土）
1）強度的初始損失階段：對于普通骨料的混凝土，溫度從室溫升至100～200℃，強度損失。對于輕質骨料混凝土，溫度從室溫升至250℃，強度損失。
2）強度的穩定及恢復階段：對于普通重量的混凝土，在100～200℃至400～450℃之間；對于輕質混凝土，在250℃至450℃之間。文獻[5]研究表明高強與普通混凝土不同，C30 在200℃～300℃時強度略有提高，C60 和C80 混凝土在此階段略有下降。文獻[6]中的高強混凝土與普通混凝土相比，強度的恢復期推遲，強度在第二階段達到的峰值比常溫時高出8～13％。
3）強度的永久損失階段：對于普通重量的混凝土，從400～450℃開始；對于輕質混凝土，從
250℃至450℃之間開始。
對于無應力試驗，在25℃到約400℃之間，高強混凝土的強度損失明顯大于普通混凝土，除此之外，高強混凝土的強度與溫度的關系與普通混凝土比較相似。
3.1.2 在無應力殘余強度試驗中，試件在無應力狀態下加熱，并在冷卻至室溫時進行試驗。對
于無應力殘余強度試驗，高強混凝土的強度與溫度的關系可用兩個階段表現（圖4～5）：
圖4 無應力殘余強度試驗中抗壓強度與溫度的關系（普通骨料混凝土）
1）強度的初始微獲得或微損失階段：對于普通重量的混凝土和輕質混凝土：室溫到200℃左右。
文獻[7]中提到，各種高性能混凝土殘余強度從室溫到400℃都基本保持不變甚至有所增加。
2）強度的永久損失階段：對于普通重量的混凝土和輕質混凝土：約從200℃開始。
對于無應力殘余強度試驗中，高強混凝土的殘余強度和溫度的關系在整個溫度范圍內與普通混
凝土有些相似。
3.1.3 在應力試驗中，試件在應力狀態下加熱并在高溫中進行強度試驗?；谟邢薜膽υ囼灒?/DIV>
高性能混凝土的強度和溫度的關系可用三個階段表現（圖6～7）：
圖6 應力試驗中抗壓強度與溫度的關系（普通骨料混凝土）
1）強度的初始損失階段：對于普通骨料的混凝土，是在室溫到100℃左右。對于輕質高強混凝
土，缺乏有關應力試驗的數據。
2）強度的穩定及恢復階段：對于普通骨料的混凝土，在100～400℃之間。
3）強度的永久損失階段：對于普通骨料的混凝土，從400 至700℃左右。
基于文獻的試驗統計，認為下列因素對高強混凝土的強度與溫度的關系有影響。
1）初始抗壓強度
2）骨料種類（硅質、鈣質、輕骨料）
3）試驗方法（有應力，無應力，無應力殘余強度）
3.2 溫度對高強高性能混凝土彈性模量的影響[4]
對無應力試驗，彈模與溫度的關系見圖8，對于無應力殘余強度試驗，二者的關系見圖9，應力試驗沒有關于二者的關系的數據。
從圖8 可以看出，對于無應力試驗，普通重量高強混凝土（實細線）、普通混凝土（虛線）、以及輕質高強混凝土（實粗線），三者的溫度和彈性模量之間的關系沒有明顯的差異。
從圖9 看出，無應力殘余強度試驗，普通重量的高強混凝土和普通混凝土的彈性模量差異也不
明顯。但是，數據表明輕質高強混凝土的彈性模量與溫度的關系與前兩者有明顯差異。
試驗數據表明，影響彈性模量與溫度關系的因素是：骨料的重量等級（普通骨料和輕骨料）和
試驗方法。由于沒有關于應力試驗中彈性模量和溫度關系的數據，故不知道預加荷載（應力試驗）對這種關系的影響程度。
3.3 溫度對高強高性能混凝土應力－應變關系（本構關系）的影響
對暴露在高溫中的混凝土，有關應力－應變報道不多，但這些關系對發展高強混凝土本構模型是必需的?？偟膩碚f，高強混凝土的應力－應變曲線與低強混凝土的形狀基本一致，但比普通混凝土更陡、更接近線性，并且這種差異保持到約800℃左右。典型的高強混凝土和普通混凝土荷載－變形關系如圖10[2]所示。從圖10 可以看出，高強混凝土的應力－應變曲線的下降段要陡于普通混凝土，即應力隨應變增大而降低的速率要大于普通混凝土。也表明高強混凝土試件比普通混凝土試件更易發生脆性破壞。這與我國學者[8,9]的結論一致。
文獻[8,9]中的研究表明，高溫后高強混凝土的峰值應力和峰值應變與普通混凝土的變化規律基
本一致，即隨著溫度的升高，峰值應力逐漸減小，峰值應變則增大。
3.4 溫度對高強高性能混凝土抗拉強度的影響
抗拉強度對混凝土的開裂影響至關重要，但目前的研究中溫度對高強混凝土的抗拉強度影響研究的數據很少。文獻[2]的統計分析中，只有2 份研究（Felicetti（1996）和Noumowe（1996））報道了有關高強混凝土抗拉強度的數據。從Noumowe 的無應力殘余強度試驗研究（包括直接抗拉試驗和劈拉試驗）結果，可以看出高強混凝土和普通混凝土的抗拉強度與溫度的關系曲線形狀相似（圖11）。
Felicetti 報道了高強混凝土（95 MPa 和72MPa）抗拉應力－應變關系。這兩種高強混凝土的抗拉應力－應變關系沒有明顯差異（圖12 和圖13）。
3.5 高溫中高強混凝土的爆裂現象及抑制措施
3.5.1 爆裂現象
目前，對高溫下高性能混凝土的爆裂機理的觀點并不是十分統一，主要認為有兩種：蒸汽壓機理和熱應力機理[10]。Gary R. Consolazio 等人的研究[3]指出：孔蒸汽壓是爆裂發生的主要因素，但熱應力對爆裂的發生也有顯著影響。文獻[11]研究認為孔蒸汽壓是導致高強混凝土爆裂的最重要因素。文獻[12]研究認為由溫度急劇變化所引起的熱應力不是造成高性能混凝土在高溫下表面崩裂甚至爆裂的主要原因。
根據文獻[13] 對目前一些高性能混凝土抗火性研究的試驗結果的整理以及文獻[9，14]可以得出： 并不是所有的試驗中都觀察到了高強高性能混凝土在高溫時的爆裂現象。在材料試驗和結構構件試驗過程中，有一半左右報道了爆裂。同樣，在同一試驗中，相同配比的不同試件有的發生爆裂有的并不發生[9]。盡管結論不一致，仍可確定在適當的試驗條件下，高強高性能混凝土尤其是含有硅灰的密實性高強高性能混凝土更易發生爆裂破壞。從混凝土材料本身的角度講，下列因素對高性能混凝土爆裂現象有影響[2]：
1）初始抗壓強度,初始抗壓強度越高，高溫時越易發生爆裂。
2）混凝土的濕含量，
文獻[11]研究表明，強度等級高于60MPa 的混凝土，當含濕量高于某一門檻值時，爆裂現象受含濕量的影響顯著。測得HPC70、HPC100、HPC120D 的門檻值分別是88%、63%、63%。
3）混凝土的密實性，混凝土在摻加了硅灰后，孔隙率降低，密實性增加，抗滲性提高，但在高
溫中混凝土會更易發生爆裂現象[2]。
4）升溫速率
5）試件尺寸和形狀
6）骨料的種類：輕骨料混凝土比普通骨料混凝土更易發生爆裂現象。
3.5.2 爆裂現象的抑制措施
通過對文獻的分析與統計，目前從以下幾方面進行高強混凝土的耐火性改進研究：
1）摻加纖維,文獻[7]研究表明，在高性能混凝土中摻加鋼纖維可明顯改善混凝土的高溫后殘余
力學性能，這是由于[12]鋼纖維有橋接和阻裂作用，限制混凝土在溫度急劇變化和高溫地環境下產生的體積變化，減輕混凝土內部微缺陷的引發和擴展。
2）摻加聚丙烯纖維、鋼纖維和混雜纖維（聚丙烯纖維和鋼纖維）均能提高高溫作用后高性能混凝土的殘余劈裂抗拉強度，其中以鋼纖維的作用最為顯著。但聚丙烯纖維的摻入對高溫后混凝土的殘余抗壓強度無明顯影響[7,12]。文獻[11，14，15，16]研究表明，加入聚丙烯纖維能防止高強混凝土的爆裂。聚丙烯纖維在高溫時融化，可增加毛細孔，有效緩解和釋放毛細孔中的蒸汽壓。
3）關于引氣劑的研究[11,14]表明，加入引氣劑對高性能混凝土抗爆裂性能影響不明顯，其機理
尚需研究。
4 現有規范與高性能耐火性研究：耐火試驗方法以及高溫混凝土的性質
目前的耐火試驗方法，包括ISO834，ASTM E119，以及JIS A1304。三種試驗方法的標準升溫曲線基本相似，如圖14 所示。ISO834 標準升溫曲線與ASTM E119、以及JIS A1304 稍有不同，ISO834標準允許溫度隨著暴露時間連續上升，沒有確定的上限。ASTM E119 規定了溫度上升至480 分鐘，在此之后溫度恒定在1260℃。JIS A1304 的暴露試件限制是240 分鐘，對應的耐火等級是“4 小時”。
文獻[2,4]指出，現有的Eurocode 標準和CEB 標準推薦的混凝土抗高溫曲線，包括強度－溫度
和彈性模量－溫度設計曲線，對高強高性能混凝土是偏于不安全的。目前作為建議和意見的試驗數據來自于普通混凝土（NSC）。大多數試驗是在1960s 和1970s 完成的。最大室溫抗壓強度約50MPa。
因此，將這些設計建議和意見用于高強混凝土耐火設計時必須通過實驗驗證。
5 總結
5.1 結論
本文通過對高強混凝土高溫性能的研究文獻進行總結，可得到三條重要結論：
1）高強混凝土在高溫中比普通混凝土更易發生爆裂破壞。
2）在100℃到450℃之間，高強混凝土的強度損失率大于普通混凝土。
3）現有的標準規范，比如CEN Eurocode 和 CEB 關于暴露于火中的設計曲線不適用于高強混
凝土。
5.2 建議
基于現有文獻關于高性能混凝土高溫性能的研究現狀，可以明確尚有以下需優先研究的領域：
1）實驗研究：
以關于高強混凝土高溫中的基本性能的更完整的數據體系，數據體系的建立對發展和確定數字模型（能夠預測高強混凝土受高溫時的水遷移以及突然爆裂）非常必要。實驗研究應當由材料試驗（受高溫高強混凝土試件）和構件試驗（受高溫高強混凝土梁、柱、板、以及墻）構成。
2）分析研究
應用從材料研究獲得的試驗數據發展材料模型，用來預測高強混凝土構件受高溫時的性能。
3）標準規范的發展
應當將實驗數據和分析數據綜合起來，用于標準規范的編寫，為高強混凝土構件受火設計提供
指導。
4）所提出的改善高性能混凝土耐火性的方法尚需進一步研究。對高性能混凝土在高溫中性能衰減規律和機理還需進一步研究，以便提出更好的改進方法。
5）對工程應用中高性能混凝土的耐火性評估還沒有統一的性能指標
隨著高性能混凝土的推廣應用，用于住宅、辦公等的混凝土設計單位在設計時，就應明確標出高強高性能混凝土耐火性檢測，均應測試其耐火性，并對此提出評定方法或評定指標，以做到防患于未然。
參 考 文 獻
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