（材料学专业论文）高温作用后混凝土力学性能及无损检测的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 高温作用后混凝土力学性能及无损检测的试验研究 专业：材料学 硕士生：孟宏睿 指导教师：尚建丽教授 摘要 火灾( 高温) 作用后，材料的强度及构件的残余承载力的判定是进行结构修复 加固的基础，对钢筋混凝土结构残余承载能力的分析必须考虑混凝土的力学性能与 温度之间的关系：为了准确、快速的评定混凝土的残余强度就需要进行无损检测方 法的研究以及适用性的分析计算。本文在火灾( 高温) 作用后混凝土材料的性能以 及残余强度的无损检测分析方面进行了较为系统的研究： 采用单因素分析方法研究了普通强度等级( c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 ) 混凝土在不同温度、 不同冷却方式、不同高温作用时间后的混凝土抗压强度的变化规律。利用e x c e l 建 立强度等级相同的混凝土强度与温度的关系曲线以及高温作用温度相同的混凝土强 度与高温作用时间的关系；分析了混凝土的强度等级、高温作用温度、冷却方式、 高温作用时间对高温后混凝土强度影响的规律。 采用单因素分析方法研究了普通强度等级( c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 ) 的混凝土在不同 蒿温温度作用后的混凝土残余抗压强度与回弹值、声速值之间的变化规律。利用 e x c e l 的一元线性回归、二元线性回归、二元非线性回归，分析了回弹、超声一回弹 检测高温作用后混凝土残余强度方法的适用性，并且建立高温后混凝土强度与回弹 值、声速值之间的回归方程。 通过对高温后混凝土残余抗压强度与高温作用时间之间关系的分析，结合对受 火灾作用后钢筋混凝土结构的评估，分析了现有评定火灾现场结构构件灼着温度的 方法，提出并分析采用超声法进行现场结构构件灼着温度评定的方法，并且建立了 判定混凝土构件灼着温度的公式。 对于受高温作用后的废弃混凝土，为了减少环境污染，初步选择c 4 0 强度等级 混凝土，在不同高温作用后的混凝土作为再生骨料的性能，为其再利用进行了尝试 性研究。 关键词：馄凝土，高温作用，抗压强度，无损检测，再生骨料 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n d i n s p e c t i o n t e c h n o l o g yi nn od a m a g i n gm e t h o do ff i r e dc o n c r e t e s p e c i a l t y ：m a t e r i a ls c i e n c e n a m e ： m e n gh o n g r u i i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rs h a n gj i a n l i r e s t o r a t i o na n dr e i n f o r c e m e n to ff i r e ds t r u c t u r ei sb a s e do nt h es t r e n g t ho fm a t e r i a l a n dr e s i d u a l c a p a c i t ya n a l y s i s t h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n d t e m p e r a t u r es h a l lb ec o n s i d e r e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s i d u a lc a p a c i t y f o rt h er e a s o no f e s t i m a t i n gt h er e s i d u a ls t r e n g t he x a c t l ya n dr a p i d l y , t h er e s e a r c ho ft h ei n s p e c t i o n t e c h n o l o g yi nn od a m a g i n gm e t h o da n di t sa p p l i c a b i l i t ya r eu s e d t h ef i r er e s e a r c h i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c eo ff i r e dc o n c r e t ea n dt h ea n a l y s i so fn o d a m a g e da p p r a i s a l m e t h o di sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dt e m p e r a t u r ev a r i e so nt h e o r i g i n a ls t r e n g t ha n dt h ee x p o s u r et i m ei ss t u d i e dh e r e ，a n dt h ed e t a i lc o n t e n t si n c l u d e ( 1 ) e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o r r e l a t i o nb e t w e e nr e s i d u a lc o m p r e s s i v ea n dt e m p e r a t u r e v a r y i n gb a s e do nt h es a m ee x p o s u r et i m ef o rd i f f e r e n to r i g i n a ls t r e n g t h ；( 2 ) r e s e a r c ho n r e s i d u a lc o m p r e s s i v eo fc o n c r e t ek e p ti nd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta f t e rs p r a y e da n dn a t u r a l c o o l i n g ，t h ec u r v ef o rt h er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r ev a r y i n go n c o o l i n gc o n d i t i o n si so b t a i n e d ；( 3 ) e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o r r e l a t i o nb e t w e e nr e s i d u a l c o m p r e s s i v ea n dt e m p e r a t u r ev a r y i n gb a s e do nt h ed i f f e r e n te x p o s u r et i m ef o rd i f f e r e n t o r i g i n a ls t r e n g t h 2 r e s i d u a lc o m p r e s s i v eo fc o n c r e t ea f t e rh i g ht e m p e r a t u r ei nf i r ew i l lb ec h a n g e d t h et r a d i t i o n a ln o d a m a g e da p p r a i s a lm e t h o ds h a l ln o tb ea d o p t e df o rt h ec o n c r e t e s u b j e c t e d t oh i 曲t e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt ot h ec h i n e s ec o l d 。i nt h i s p a p e r ，t h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi s p e r f o r m e d f o r t e m p e r a t u r e ，a n d t h er e g r e s s i v ee q u a t i o n a p p r a i s a l o fc o n c r e t e s u b j e c t e d t o h i g h w a so b t a i n e da b o u tr e s i d u a lc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dr e b o u n dv a l u ea n du l t r a s o n i cs p e e dv a l u e t h ed e t m lc o n t e n t si n c l u d e ( 1 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi nn od a m a g i n gm e 【h o d 西安建筑科技大学硕士学位论文 a n di t sa p p l i c a b i l i t ya r ev a l i d a t e d ( 2 ) r e b o u n dm e t h o di so n eo ft h ee a s ym e t h o dt o w o r kw i t h ；t h ef i r e dc o n c r e t es t r e n g t hf o r m u l ai so b t a i n e db a s e do nt h er e b o u n dm e t h o d ； ( 3 ) t h e c u r v eo fu l t t a s o n i ci m p u l s es p e e da n d t e m p e r a t u r e i s e s t a b l i s h e d ；( 4 ) t h e u l t r a s o n i c r e b o u n dc o m b i n e dm e t h o di sr e l a t i v e l ym o r ea c c u r a t em e t h o d ，o nw h i c ht h e s t r e n g t hf o r m u l ai so b t a i n e db a s e d 3 b yh e a t i n gt h es t a n d a r dc u b i ct e s tb l o c k so fc o n c r e t e a t h i g h t e m p e r a t u r e s e x p l o d e dd i f f e r e n tt i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d e x p o s u r et i m e a r ed i s c u s s e d c o m b i n e dw i t ht h eu s u a lm e t h o do fe v a l u a t i n gt h e t e m p e r a t u r eo fc o n c r e t es u b j e c t e d ，t h ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i ci m p u l s ei sp u t f o r w a r da n dt h er e g r e s s i v ee q u a t i o nw a so b t a i n e d 4 f o rt h er e a s o no fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou s ea b a n d o n e d c o n c r e t eo ff i r e dc o n c r e t e t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h er e g e n e r a t i v ea g g r e g a t e p e r f o r m a n c eo fa b a n d o n e dc o n c r e t e o fc 4 0a f t e rh e a t e dh i 曲t e m p e r a t u r e ，s o m e s u g g e s t i o n sf o rt h eu s eo f a b a n d o n e df i r e dc o n c r e t ea r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；h i g ht e m p e r a t u r e ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；n o - d a m a g e da p p r a i s a l m e t h o d ；r e g e n e r a t i v ea g g r e g a t e 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者繇壹宏墙嘞刎地f ； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阀；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘疙唐导师签名：孑缘乏雨曰期：乡肿窭f 甲 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文i 1 绪论 1 1 课题研究的背景 一般的混凝土结构在建造过程和长期的使用期间，当处于正常的工作条件下， 其温度绝对值不高，波动不大，按照现行规范进行设计，可保证结构安全，并满 足建筑物的使用功能要求。但是，如若结构的环境温度升高很多，或温度差发生 周期性变化时，可能使结构因为使用性能恶化或承载力下降而失效，甚至酿成局 部破坏，以至整体倒塌。例如高层建筑和超长建筑朝阳面的日晒升温、夏冬季的 温度交替和室内外温差等，使建筑物的内部出现周期性温度差的变化；又如，大 体积的水工混凝土结构因混凝土凝固过程中水泥水化热的积聚，以及水、空气、 日照等环境温度的变化，在结构内部形成不均匀的温度场。虽然，这些结构内部 达到的最高温度并不很高( 一般不超过6 0 ) ，但温度变化3 0 所产生的混凝土 温度变形已远大于混凝土的受拉极限应变值，足以使混凝土开裂，或增大结构变 形，发生内力熏分布，影响建筑物的使用功能。再例如冶金和化工企业的高温车 间，其结构常年在高温辐射下工作，表面温度可达2 0 0 或更高；烟囱排放高温烟 气，内衬温度可达5 0 0 6 0 0 ，外壳达1 0 0 2 0 0 ：核电站的反应堆压力容 器和安全壳结构，局部位置的温度达1 2 0 以上。1 。这些温度效应问题，有不同的 温度值区段和温度变化规律，对材料和结构性能的影响及损伤的严重程度差别很 大，应有相应的理论分析、设计方法和构造措施分别予以解决。至今，国外已有 相应的设计规范( 规程) ，供建筑工程应用。但是对于建筑物遭受火灾( 高温) 事 故问题，虽然有建筑设计防火规范，但并没有解决结构构件的抗火能力分析和设 计问题；以及事故后的混凝土材料强度的无损判定等问题。 人类对火的发现和应用，促成了人类本身的进化，并且创造了人类的初始文 明，推动了社会的发展，造就了今丑技术进步、经济发达、文明昌盛的现代社会。 但是，火灾又能给人类社会造成很大的破坏作用。然而，导致建筑物火灾的直接 原因很多，诸如雷电致火，材料自燃，粉尘爆燃，生产和生活用火失控，燃料保 管和使用不当，机电设备使用不当或绝缘层老化失效，地震或战争的次生灾害等， 甚至还有人为纵火。 火灾的实质是可燃物经过触发起燃后，与氧化剂，一般是空气中的氧气发生 激烈的作用而形成的一种燃烧现象。在燃烧过程中散发出大量的热量，使周围的 空气和各种物质迅速升温，引发所在空间的可燃物相继燃烧，助长火势更旺。随 着火焰和高温烟气流的流动，火灾将蔓延至相邻空间，甚至整幢建筑物。经过消 防人员的扑救，或者建筑物内部可燃物的烧尽，氧气供应隔绝，火势将逐渐衰减， 西安建筑科技大学硕士学位论文2 以至熄灭。这就是火灾的全过程，当然其间也可能经历火势旺盛到衰减的数次反 复。 人类与火灾已经进行了长期的斗争，并从中积累了许多经验，创造了许多有 效措施。现代社会，随着相关领域科学技术的不断进步，防火、灭火的技术和设 备目益更新，效率和能力与日俱增。尽管如此，仍然因为多种自然的、技术的或 人为的原因而发生严重的火灾，其中最频繁、损失最大的还是人1 ：3 密集的城市中 建筑物的火灾。 建筑物遭受火灾后，其结构内部升温，形成不均匀的温度场，材料性能严重 恶化，导致结构不同程度的损伤和承载力的下降。作为建筑物的承重和支撑体系， 其结构必须在一定时间期限内保持足够的承载能力，以便使受灾人员安全撤离现 场，消防人员进行灭火，救护伤亡人员和抢救重要器物等活动。 当然，火灾( 高温) 延续很长时间之后，混凝土结构也将发生不同程度的损伤 和破坏现象：构件表层龟裂、酥松，边角缺损，保护层爆裂和崩落，钢筋外蘼， 构件下垂，局部混凝土逐层剥落，缺损区深入构件内部，甚至发生局部穿孔、塌 陷和倒塌。人们从以往的火灾事故中吸取了教训和经验，明确了对付火灾的策略 是“预防为上”，但防不胜防，仍须“立足于抗”。经过多年努力，在这两方面 都已经开创了许多有效措施：例如，在建筑物间留足防火间距和消防通道，将面 积较大的建筑物分隔成多个防火区段，其闻设置防火墙；选用难燃或阻燃材料制 作室内设施和家具，在易燃材料外表面喷刷防火涂料；设置消防用水系统和灭火 器材，安装自动报警和喷淋装置；研究火的燃烧规律，遏制火势蔓延；又如建立 大型试验炉测定足尺构件的耐火极限；合理选用结构材料，改进细部构造，在构 件外表设置隔热材料层；对材料的高温性能进行系统的试验和理论研究；研究构 件和结构高温性能的理论分析方法，以及高温承载力和耐火极限的实用计算方法 等。 为了提高和解决结构与构件的抗火( 高温) 能力，曾经历了不同的发展阶段： 初期，只是采取经验性的构造措施，如加大钢筋的保护层厚度，采用耐热混凝土 等；其后，建立大型试验设备，对足尺试件进行高温加载试验，直接测定其酎 火极限或高温承载力；现今的趋向是在试验研究的基础上，进行全面的理论分析， 包括建立材料的高温一力学本构模型，确定火灾的温度一时间曲线，进行非线性 的瞬态温度场分析，构件和结构的高温受力全过程分析和火灾后结构安全性的评 价，以及火灾( 高温) 作用后混凝土材料性能的无损评价等问题，由于混凝土结 构的高温性能很复杂，至今理论分析尚不完各，有待继续充实和改进。 西安建筑科技大学硕士学位论文3 1 2 课题研究的目的和意义 中国历史上，兵家的争夺多次酿成焚毁城市，艰苦经营数百年的城市毁于一 旦、夷为平地。英国也有著名的伦敦大火( g r e a t f i r e ，1 6 6 6 ) ，一个面包房的失火， 殃及全市1 3 建筑物被焚毁。各种火灾造成了大量的人员伤亡、自然资源和物质 财富的巨大损失。例如，近年来我国每年发生的建筑火灾数万起死逾千人，直 接经济损失达数十亿元。其中，个别最严重的案例，一次火灾就使数百人伤亡：， 物质损失惨重，引起全社会的很大震惊，影响深远。震惊中外的克拉玛依大火， 使2 8 8 名中小学生和3 7 名老师干部遇难，给无数家庭造成了难以忘却的伤痛。据 统计，1 9 9 3 年，全国共发生火灾( 不含森林、草原火灾) 3 8 0 9 4 起，死亡2 4 6 7 人， 伤5 9 7 7 人，直接经济损失1 1 2 亿元，全国共发生森林火灾5 6 9 9 起，受害森林面 积2 5 5 2 0 公顷，1 9 9 5 年，全国共发生火灾3 7 9 1 5 起，死亡2 7 8 人，伤3 8 3 8 人，赢 接财产损失11 亿元，全国共发生森林火灾5 1 9 7 起，受害森林面积5 8 2 1 9 公顷， 1 9 9 7 年，全国共发生火灾1 4 0 2 8 0 起，死亡2 7 2 2 人，伤4 9 3 0 人，直接经济损失 1 5 4 亿元，全国共发生森林火灾2 4 6 5 起，受害森林面积3 5 4 4 0 公顷，九十年代我 国直接经济损失比八十年代的火灾损失翻了两番还多，占国民生产总值的3 左 右。世界其它国家和地区的火灾直接损失也十分惊人，其中日本1 9 9 1 年火灾直接 损失为7 9 0 0 亿日元，占国民生产总值的1 4 ；美国火灾直接损失为1 4 0 亿美元， 占国民生产总值的1 7 ：英国火灾直接损失为1 3 0 0 亿英镑，占国民生产总值的 2 2 ；台湾1 9 9 1 年火灾直接损失为2 9 亿台币“。 建筑火灾发生次数和造成的火灾损失在整个受灾损失中占相当大比例，以 1 9 9 3 年为例，全年共发生火灾3 8 0 7 3 起，火灾损失达111 6 5 万元，而建筑火灾次 数为2 8 4 9 6 起，火灾损失为9 7 1 9 5 万元，分别占总起火数和火灾总损失的7 4 8 和8 7 “，因此建筑火灾为主要的火灾种类。我国历史上为多火灾国家，造成这 种情况的原因是多方面的，最主要因素与我国的建筑特点及建筑防火措施有密切 联系。 我国建筑的形成，受自然条件、经济基础、社会需要以及人工技巧等因素的 制约，而经济基础是主要的决定因素之一。 旧社会由于经济技术落后，房屋材料多为就地取材，这样在全国各地产生了 完全不相同的建筑。虽然各地区建筑形式不同，但许多建筑的粱、柱、楼板、隔 墙和屋顶等都是用木、竹、草等可燃材料搭建的。同时，受经济技术等条件的制 约，建筑防火意识较差，建筑防火没有进行整体规划，因此当时可燃结构的建筑 较多，房屋间距小，街巷狭窄，建筑密度高，布局不合理，极易造成“家失火， 四邻遭殃”，以至蔓延成灾的现象。当时建筑防火还没有系统完整的管理理论作 指导，主要是凭借个人的感觉和经验，防火处于经验防火阶段。 指导，主要是凭借个人的感觉和经验，防火处于经验防火阶段。 西安建筑科技大学硕士学位论文4 二三十年代，随着帝国主义对华侵略的扩大和深入，现代工业、交通和商业 有所发展，用火、用电和使用易燃易爆等化学危险品逐渐增多，火灾危险性比以 前增大，一些城市的建筑布局也发生了变化，在保存传统建筑的同时，建筑密度 很高的里弄式住宅和居民大院分别在南、北方的城镇增多，砖木结构和钢筋混凝 土结构的楼房数量也有发展。许多城市缺乏科学规划，布局混乱，街道狭窄，工 厂、仓库与居民住宅犬牙交错，用木、竹、茅草等可燃材料搭建的棚户区为数很 多，这种棚户区一旦起火，极易火烧连营。而在这个时代建筑的砖木结构和钢筋 混凝土结构未有防火措旌，此时建筑没有明确的规划，平面布景混乱，道路狭窄， 建筑之间的间距较小，建筑物内没有明确的防火、防烟分区。 新中国成立以后，建筑防火目益受到重视，陆续制定了一系列的规范、标准 和细则。建筑防火是以这些规范标准和细则为依据的，早在1 9 5 6 由建工部和公安 部公布了工业与民用建筑防火标准，1 9 6 0 年又由国家建委、公安部颁布了关 于建筑设计防火原则的规定，经过不断地实践和修订，相继于1 9 7 4 年由国家计 委、公安部颁布了建筑设计防火规范( t j l 6 7 4 ) 和1 9 8 8 年由国家计委批准公 布了现行的建筑设计防火规范( g b j l 6 8 7 ) 。1 9 8 3 年国家经委，公安部颁布了 高层民用建筑设计防火规范( g b j 4 5 8 2 ) ，随着国家经济建设的迅速发展，改 革开放的深入，人民生产水平的不断提高，其它各项事业的兴旺发达，城市用地 日益紧张。促进了高层建筑的发展，在1 0 多年的时间中，我国高层建筑发展十分 迅速，积累了较丰富的防火设计经验，同时有不少教训，原规范有某些地方对建 筑防火设计考虑不周，因此1 9 9 5 年由国家计委、公安部颁布了现行标准高层民 用建筑设计防火规范( g b 5 0 0 4 5 9 5 ) 。这些规范，从总平面布置、建筑结构类型、 防火分隔、安全疏散以及消防设施等几方面考虑了建筑防火要求，这个阶段的建 筑防火设计一般根据防火规范进行设计，带有科学性。 随着科学技术的不断进步，计算机技术在生活生产中的大量应用，现在逐渐 出现了一批智能型防火设施，同时随着阻燃科学的发展，材料阻燃处理中出现了 纳米技术，微胶囊技术，辐射交联技术，复配技术等很多高新技术，这些离新技 术极大地提高了材料的阻燃性，大大提高了建筑结构构件的耐火性能。 但是，建筑物一旦发生火灾就会造成建筑物或建筑构件燃烧以至结构倒塌破 坏，人员的伤亡。随着城市消防设施的完善，以及建筑防火措拖的提高，多数建 筑火灾发生在建筑物的局部或多高层建筑中的一至两层内。受火灾破坏的建筑物 能否继续使用，是否可以通过修复加固措施恢复建筑物的使用功能，就必须科学 地判断建筑物结构的受损程度，确定受火混凝土及结构的残余承载力，判断是否 有必要合理地加以修复加固，以求达到减少经济损失的目的。 火灾后结构安全鉴定属于已有建筑物鉴定的范畴，已有建筑结构可靠性鉴定 是一门新兴学科，虽然建筑结构工程师对已有建筑结构的鉴定已有很长久的历史， 西安建筑科技大学硕士学位论文5 但它一直是一一些有经验的老工程师依靠其工程经验和理论知识进行半- i j n 的特殊行 业，大量的工程实践表明，结构鉴定是一项很复杂、个性很强的工作，被鉴定的 结构要面对所有结构类型，不同设计建造的年代、不同的结构病害。火灾后结构 的鉴定遇到的情况更是多种多样的，不仅要考虑结构在使用状态下的工作环境， 还要考虑火荷载和其它荷载共同作用，同时还要考虑火灾的严重程度及其作用位 鼍等情况，因此影响火灾因素的多样性及不确定性，决定了火灾后结构鉴定的复 杂性。 因而对于由于历史原因和经济发展水平的限制情况下造成的我国原有一些城 镇中面积较大的易燃建筑密集区，这些地区的房屋多数采用易燃材料建造，交通 条件较差，消防供水不足，建筑密集，布局混乱，密度高。一旦发生火灾，将会 波及大量房屋，消防灭火很难奏效，灭火后，这些结构一般是推倒重建，不需进 行鉴定加固处理。 但是我国古文化建筑大部分为木结构建筑，这部分建筑一旦发生火灾，将造 成不可估量的损失，为了保持古建筑的原有风貌，修复和加固亦更加困难。我们 只有运用现代的科学技术和设施去保护古文物、吉建筑，使其免遭火灾危害。受 经济条件制约，一批二三十年代建造的砌体结构房屋和钢筋混凝土结构房屋仍在 使用着，这部分建筑几乎没有什么防火设施，在进行火灾后结构鉴定时，主要考 虑火荷载的大小，通风情况和火灾持续时间等常规因素，根据已经掌握的建筑物 起火、燃烧、蔓延的基本规律和常规鉴定方法，能够判断建筑物结构的受损程度。 自从我国实行改革开放以来，经济建设曰新月异，高层建筑迅速发展，高层 建筑的火灾危险性比一般建筑大得多，一旦发生火灾，由于楼层高，人员多，蔓 延快，扑救和疏散都很困难，容易造成重大伤亡和财产损失。在进行高层建筑结 构防火设计时，都设了水平和竖向防火分区，还使用了一些阻燃性建筑材料。这 样，火灾后结构鉴定时，由于一些新型材料和新型添加翔的应用，以及自动灭火 系统的作用，火灾现场出现了一些新现象，为鉴定过程和鉴定方法提出了新的课 题。 根据现有的试验和理论研究成果，以及工程实践经验，混凝土的抗高温( 火) 性能与常温下的性能有很大差异，由于混凝土的热传导系数很小，受火后表面温 度迅速升高，而截面内部的温度增长缓慢，形成了很不均匀的温度场，表层的温 度变化梯度尤大。而且，温度场随着火灾时间的延续而不断变化。决定温度场的 主要因素是火灾的温度一时间过程，以及构件的形状、尺寸和混凝土材料的热工 性能等；而结构的内力状态、变形和细微裂缝等对其温度场的影响却极小。这样 使得混凝土构件内部形成不均匀温废场，同时高温下，混凝土和钢筋的强度值与 弹性模量值锐减，变形猛增。混凝土还相继出现开裂、酥松和边角崩裂等外观损 伤现象，且随着温度的升高而渐趋严重。这是混凝土构件和结构的高温承载力与 西安建筑科技大学硕士学位论文6 耐火极限严重下降的主要原因。 因此，高温作用后混凝土的性能，特别是力学性能的研究非常必要，同时为 了解决对已有结构在遭受火灾高温作用后混凝土强度的迅速判定的问题，采用无 损检测的方法进行高温作用后混凝土强度的评定，也急需解决，它们可以为抗高 温混凝土性能和灾后损伤评估提供有力的依据。 1 3 课题研究的现状和存在的问题 长期以来，人们一直把火灾视为偶然的孤立的突发事件，因而对火灾的研究 也局限于用统计的方式研究火灾规律，即通过总结和分析大量火灾原始资料归纳 了火灾发生的统计规律。然而目益增长的火灾损失和防火灭火的难度促使人们进 一步思考，为有效地控制火灾，不能仅单纯地依靠加强探测和扑救的技术设备， 同时还要深入研究火灾的机理和规律，把火灾防治建立在对火灾科学认识的基础 上。 随着社会和经济的发展，火灾防治的水平不断提高，火灾防治的难度在不断 增加，工程应用研究不断深入，在这个过程中人们进一步认识到减少火灾损失必 须要对火灾发展规律有科学地认识。现代科学技术的迅猛发展，尤其是燃烧学， 计算机科学以及实验技术等的长期积累和曰臻完善，从学科上为火灾机理和规律 的研究及其发展奠定了基础。美国哈佛大学的e m m o n s 首先把质量守恒，动鼓守 恒和能量平衡以及化学反应的原理巧妙地运用于建筑火灾的研究，被称为“火灾 科学之父”。它运用这些原理求出了火灾的一些典型参数在建筑物内部随时闻的 变化规律，较好地反映出火灾发展的整体特性和多参数控制特性。 在此基础上，国外7 0 年代初期开始出现火灾研究从单纯糟眼于扑救到探讨火 灾机理的转交，美、英、日、俄等许多国家，都在原有的基础上相继建立了多层 次的从事火灾应用基础研究的机构。以美国为例，1 9 7 2 年建立了国家火灾研究中 心，在防火灾领域内进行了广泛的火灾模拟理论和实验研究，通过各国火灾研究 人员的不断努力，分别制定了各国的火灾标准升温曲线，同时，还用计算机模拟 了火灾在建筑室内的发展模型，火灾过程中的烟气流动和传播模型等。1 9 8 5 年在 美国召开了首届国际火灾科学会议，成立了国际火灾科学学会，标志着火灾科学 在世界范围内形成和发展。 我国进行系统地火灾研究起步较晚，并且主要集中在研究建筑结构构件的耐 火性能等方面，对火灾的基础研究还不够。公安部四川消防科学研究所于1 9 7 2 年 开展建筑构件耐久性能的研究工作，并在1 9 7 3 年建立了2 座用轻柴油或天然气为 燃料的燃烧试验炉，对梁、板、柱、墙，屋面板、吊顶等普通建筑构件的耐火等 级进行了研究。中国建筑科学研究院和冶金部建筑研究总院等单位也做了许多工 作。清华大学、哈尔滨建筑工程大学、中国科学技术大学、同济大学等学院都开 西安建筑科技大学硕士学位论文7 展了火灾基本原理及火灾对建筑构件性能影响的研究。其中，中国科技大学经国 家批准，在八五期间建立“中国科学技术大学火灾科学重点实验室”。 本世纪初，美国就开展了钢筋混凝土结构的防火研究。近四十年来，国外学 者对火灾作用下着火区的升温过程及构件内的温度分布，混凝土及钢筋在高温下 和高温后的力学性能，热性能等问题进行了大量的研究，取得了一系列研究成果。 前苏联，八十年代前从事火灾后结构鉴定工作的人员主要是经验丰富的工程 师，根据经验利用一些工程手段进行鉴定，没有规范可循，带有一定的个人主观 性。但在1 9 8 7 年，由前苏联国家钢筋混凝土研究所编制了建筑物火灾后混凝土 结构鉴定标准，该标准以立法手段规范了在进行火灾后结构鉴定过程中应遵循 的原则和一些计算方法，同时还给出了大量的计算用图表，减少了个人主观性， 使结构鉴定结果较为一致，这个阶段的鉴定主要是依据国家标准进行结构鉴定。 随着科学技术的进步和计算机技术的迅速发展，人们逐渐把高新技术应用到结构 鉴定过程中。 美国在钢筋混凝土结构的防火研究方面起步较早，在1 9 1 8 年美国正式制定了 标准的火灾温度一时间蓝线，标准曲线的出现为各研究机构进行系统全面地构件 耐火试验奠定了基础，同时也对不同研究机构的试验结果增加了可比性，减小了 试验数据的离散性。 随着结构计算理论的相对成熟和计算机的发展，从本世纪六十年代开始，美 国许多高校和研究单位对火灾混凝土结构的耐火性能进行了研究，波特兰水泥协 会( p o r t l a n dc e m e n ta s s o c i a t i o n ) 研究和发展试验室从六十年代开始研究混凝土材辩 在高温下的物理力学特性，同时还通过各种试验对普通钢筋混凝土构件和预应力 钢筋混凝土构件的耐火性能进行了研究，随着特种材料和高强混凝土的出现，对 这些新型材料的耐火性能进行了大量地研究工作。但是火灾过程的计算机模拟目 前处在研究发展各种模型的阶段，但还设有应用到具体工程当中。 我国在火灾学和建筑火灾研究方面起步较晚，七十年代由冶金部建筑科学研 究院等单位编制了冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规程，该规程给出 了6 0 。c 2 0 0 范围内的设计计算方法，设计措施、材料指标及有关规定。1 9 8 9 年江苏省建筑科学研究院联合江苏省公安厅消防局，南京市公安局消防支队开展 了火灾后建筑结构受损程度的诊断与修复方法的研究，取得了一定成果，这些成 果反映在建筑物火灾后诊断与处理这本书中。该书系统地总结了火灾后结构 鉴定的各种判定方法以及高温作用下混凝土和钢筋的材料性能，并且利用减小截 面法计算钢筋混凝土构件的残余承载能力，最后还给出了常规的加固方法，上海 市建筑科学研究院在进行大量的试验研究和工程实践的基础上，总结国内外的科 研成果，在1 9 9 6 年编制了上海市地方标准，为编制国家统一标准奠定了基础。目 西安建筑科技大学硕士学位论文8 前我国火灾后建筑结构鉴定还处在经验判定阶段，没有一个统一的国家标准规范 火灾后建筑结构鉴定的程序，鉴定结论带有强烈的主观意向，在火灾研究中至今 尚未形成完整的研究体系。 八十年代中期开始，清华大学、重庆建筑工业大学、同济大学，西南交通大 学等单位对高温下、高温后钢筋和混凝土的材料性能及材料的本构模型进行了研 究，给出了建筑物室内火灾最高温度的一些预测方法。清华大学和同济大学等高 等院校和科研机构都对高温作用下的混凝土和钢筋材料性能包括抗压、抗拉强度 和弹性模量等进行了研究，得出了混凝士材料性能与温度的关系，指出了温度是 影响混凝土材料性能的重要因素。但是由于影响混凝土的耐热性能的因素较多， 试验设备，试验方法及混凝材料的差异，试验结果不一致，甚至会出现相互矛 盾的结论。同时在实际工程中经常遇到这样一种现象，火灾被扑灭后，结构未发 生倒塌，几天以后当人们进入抢救物资时却突然倒塌，造成重大人员伤亡。也就 是说混凝土强度不仅与温度有直接关系，同时还与高温作用后的静置时间有关。 因此混凝土的力学性能不仅与温度有关，还与静置时间及静置环境有关，必须通 过试验研究影响混凝土力学性能的因素及其规律，混凝土材料是由水泥砂浆和粗 骨料组成的混合材料，它的热传导系数很小，属于热惰性材料，它又与火灾作用 的时间有关。 因而混凝土和钢簸混凝土长期处于高温状态下，或事故性邋遭受高温冲击时， 会造成材料性能的严重劣化和发生剧烈的内力重分布，其性能就会受到相当大的 损害，使结构开裂、变形增大、承载力下降，甚至出现局部破损或倒塌，导致巨 大的经济损失以及人员伤亡。研究混凝土材料和结构的高温性能成为一个重要的 课题。 同时作为火灾后已有建筑物安全鉴定基础的混凝土剩余强度评定的无损检测 方法，具有方便实用的特点，被广泛的应用。然而在我国普通混凝土结构鉴定方 法的有关规范中明确规定一些常规鉴定方法一例如，回弹法，超声法，超声回弹 综合法等不适用于高温作用后的结构鉴定，但是在具体工程结构鉴定过程中以及 有关文献中大都是利用常温下的铡强曲线评定混凝土抗压强度，再对抗压强度进 行修正，这种方法不仅计算麻烦而且计算耩度较差棚，同时，不同文献对混凝士高 温处理时间也不尽相同阶，1 t 2 8 , 3 3 1 ，因此，进一步进行高温作用后结构鉴定方法的 试验研究，不同高温处理时间对混凝土残余强度的影响，建立专用的回弹、超声 一回弹测强曲线及计算公式是十分必要的。 西安建筑科技大学硕士学位论文9 1 4 本文研究的主要内容 本文的主要研究工作分为以下四部分： 1 针对广泛应用的混凝土强度等级( c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 ) ，采用单因素分析方法， 分析不同温度、不同冷却方式、不同高温作用时间后的混凝土抗压强度的变化规 律。利用e x c e l 建立强度等级相同的混凝土强度与温度的关系曲线以及高温作用 温度相同的混凝土强度与高温作用时间的关系；分析混凝土的强度等级、高温作 用温度、冷却方式、高温作用时间对高温后混凝土强度影响的规律。 2 针对广泛应用的混凝土强度等级( c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 ) ，采用单因素分析方法， 分析在不同高温温度作用后，混凝土残余抗压强度与回弹值、声速值之间的变化 规律。利用e x c e l 的一元线性回归、二元线性回归、二元非线性回归分析建立高 温后混凝士强度与回弹值、声速值之间的回归方程，分析超声、回弹及超声一回 弹法检测高温后混凝土残余强度的适应性。 3 通过对高温作用后混凝土残余抗压强度与高温作用时间之间关系的分析， 结合对受火灾作用后钢筋混凝土结构的评估，分析现有评定火灾现场结构构件灼 着温度的方法，提出并分析采用超声法进行现场结构构件灼着温度评定的方法， 并建立判定混凝士构件受火温度的公式。 4 对于受高温作用后的废弃混凝土，初步选择c 4 0 强度等级混凝土，在不同 高温作用后，作为再生骨料的性能，进行一些尝试性研究。 西安建筑科技大学硕士学位论文i o ! | ! s 目_ e ! ! ! | ! l _ ii i ! ! | _ 2 混凝土高温作用的研究基础 2 1 概述 混凝土是由水泥、水、粗细骨料等材料所组成复合材料，要研究混凝土受高 温( 火灾) 作用后的性能必须清楚一般火灾发生的过程以及混凝土材料的热性能 及其随温度的变化规律。 一般火灾发生的过程需要经历三个阶段，即火灾的成长期、火灾的旺盛期和 火灾衰减熄灭期。许多国家对火灾发展过程进行了大量的试验模拟，并在此基础 上规定了自己国家的温度一时间曲线。日本为j i s a l 3 0 4 曲线，美国为a s t m e 2 1 9 嗌 线。我国目前采用的是国际标准化组织i s 0 8 3 4 规定的标准温度一时间关系曲线。 混凝土在持续高温( 火灾) 作用下，其热工性能会发生明显变化。混凝土在 不同温度阶段表现出明确的物理和力学变化，例如，在1 0 0 。c 左右时，混凝土中的 水分开始蒸发，当温度达到3 0 0 后，水泥石中的水化硅酸钙和水化铝酸钙开始脱 水，随着温度升高，当温度到达6 0 0 7 0 0 。c 时，c s h 相开始分解，形成b - - c 。s ， 在温度较高持续时间较长的火灾中，混凝土的一些组分有可能被熔化。例如，在 1 1 0 0 1 1 5 0 c 时陶粒熔化，1 3 0 0 1 5 0 0 c 时花岗岩骨料的成分长石熔化。同时， 随着温度的升高，混凝土的力学性能( 抗压强度，抗拉强度，弹性模量等) 会逐渐 降低“。 国内外对混凝土材料的热工和力学参数研究较多，本章主要介绍国内外具有 代表性的几种，其中以美国a c i 、欧共体e u r c w ：0 d c 和中国相关文献为主，这些参 数可供借鉴和使用。 2 2 火灾的发展过程及其模拟 火灾的发生具有不可预测性，发展过程也是千差万别的，其主要影响因素为 火荷载，通风状况和燃烧时间等三个方面。一般火灾的过程需要三个阶段：第一 个阶段为火灾的成长期，这是火灾形成阶段，形成火灾的火源一方面来自其它失 去控制的火源，另一方面是由于各种可燃烧体被非正常加热至超过其临界温度而 自燃。如果最初的火源迅速点燃了室内的可燃物体，火灾迅速发展进入第二个阶 段，相反试验表明在某些异质燃烧的火灾中，火往往要被隐藏一至几个小时后才 开始慢慢燃烧蔓延。第二阶段为火灾的旺盛阶段，这个阶段的燃烧已蔓延到邻近 所有可燃物，可燃物处在充分燃烧中，在此期间火灾进入了个几乎稳定的阶段， 总的燃烧速度相对不变，此阶段所产生的火灾热流和时间决定了火灾的严重程度。 第三阶段是火灾衰减熄灭期，此时可燃烧体在高温作用下所发的热体积流量开始 减小，着火区的热强度开始降低，可燃物基本烧光，燃烧自行减弱熄灭，室内温 度开始下降。 西安建筑科技大学硕士学位论文1 1 1 1 1 1 | ! ! ! 自目e e 目e g ! 目目自自! ! ! ! 目目e | 晕目目自! ! ! 鼍! 曼| ! 目e 自| ! 曼e e e | _ i t , ! 曼 火灾温度与时间之间的关系凶线称为火灾升温曲线。一个国家的标准火灾温 度曲线，代表着本国一般建筑火灾的特点和