建筑火灾发生后,混凝土结构的表面温度可在短时间内达到近千摄氏度的高温,高温导致混凝土表面出现开裂剥落等现象,火灾进一步发展则会使混凝土内部出现骨料膨胀、脱水等一系列变化,这些变化会对混凝土的抗压强度等力学性能产生不利的影响,从而导致混凝土结构建筑的安全性降低[1-3]。不仅高温会影响混凝土的力学性能,火灾的扑救方式也会影响混凝土的抗压性能,徐彧等[4]研究了高温后不同冷却方式对混凝土试块抗压强度的影响,研究结果表明,喷水冷却的方式会更明显地降低试块的抗压强度。贾福萍等[5]研究发现,混凝土试块加热至250～450 ℃,相比于自然冷却的方式,采用喷水冷却的试块残余强度更低;但加热温度维持在450～650 ℃时,采用自然冷却方式的混凝土试块残余强度更高。Arioz等[6]研究发现,高温会使混凝土内部氢氧化钙分解为生石灰,水冷处理则使一部分生石灰重新转化为氢氧化钙,从而恢复混凝土的一部分残余强度。
由于建筑结构的使用功能具有多样性和复杂性,火灾荷载的类型和数量也大不一样,因此建筑火灾的发生通常由以下起火原因引发:电器设备使用不当、电路老化短路、化学危险品失控等。由于火灾的引发类型不同,火灾扑救的过程中需要不同种类的灭火剂,例如:水、干粉灭火剂、二氧化碳灭火剂、七氟丙烷灭火剂和哈龙1211灭火剂等。当前的研究主要集中在用水冷却高温加热后的混凝土,但其他几类灭火剂对高温混凝土的力学性能影响研究较少。Mubarak等[7]采用水和干粉灭火剂处理高温混凝土,研究发现水冷方式对混凝土试块抗压强度变化的影响较小,干粉灭火剂不会影响高温混凝土的抗压性能。七氟丙烷是一种应用较为广泛的哈龙替代灭火剂,其灭火原理与哈龙灭火剂相似,高温条件下会发生热解反应生成·CF3灭火基团,进而与火焰中的H自由基结合生成氟化氢气体[8-9]。氟化氢气体遇水会形成酸性溶液,故其对混凝土力学性能的影响值得深入研究。为了探究上述灭火剂在建筑火灾扑救时是否会影响高温下混凝土的力学性能,本文用对混凝土试块的高温加热试验模拟真实火灾场景,将高温试块放置于特制钢化玻璃框架中使用多种进行冷却处理,研究水、七氟丙烷、哈龙1211和二氧化碳处理对不同龄期和温度下混凝土抗压强度和劈拉强度的影响。
1 试验概况
1.1 试验原材料
本文的试验原料采用的是满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[10]要求的P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥,细度模数为2.8的天然河砂和粒径分别为5～10 mm、10～20 mm的碎石粗骨料。其中,不同直径粗骨料混合比例为1∶1。按照GB/T 14685—2022《建设用卵石、碎石》[11]和GB/T 14684—2022《建设用砂》[12]测试了碎石、天然河砂的性能,如表1所示。
表1 骨料性能
Table 1 Aggregate performance
原料表观密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%压碎指标/%砂2 6491.21.70碎石(5～10 mm)2 6830.45碎石(10～20 mm)2 6900.508.1
试验用水为实验室自来水,灭火剂分别为浙安牌手提式七氟丙烷灭火器、玉龙牌手提式二氧化碳灭火器和河南蓝匠消防装备有限公司的手提式1211灭火器。
1.2 配合比及试件制备
本文试验选用强度为C30的混凝土试块,混凝土的抗压强度和劈拉强度试验均采用100 mm×100 mm×100 mm 的试块。根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[13],按照水胶比0.47计算了各组分掺量和配合比,如表2所示。制作试块时,先将水泥与砂干拌1 min,加入实验室用水后再拌合1 min,最后加入粗骨料搅拌至分散均匀,倒入100 mm×100 mm×100 mm模具中浇注成型,室温下静置24 h后拆模,将试块分为4组,分别在标准养护室中养护7 d、14 d、28 d和56 d。不同龄期的混凝土试块养护完成之后,将分成两部分分别在常温和高温处理后做单轴抗压试验和劈拉试验。
表2 C30混凝土配合比
Table 2 Mix proportion of concrete C30 kg/m3
水水泥砂碎石(5～10 mm)碎石(10～20 mm)185394616570.5570.5
1.3 试验方法
1.3.1 高温试验
将不同龄期的混凝土试块放置在烘干炉,设置温度为60 ℃,烘干时间为3 h,将试件表面的水分烘干,将烘干的试块转至箱式电阻高温炉,设置升温曲线加热至200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃。为防止过快或过高的温度导致混凝土试块炸裂,在温度小于400 ℃时,采用10 ℃/min的升温速率;温度大于400 ℃时,采用5 ℃/min的升温速率,温度达到预定温度后恒温维持1 h,确保混凝土试块温度分布均匀。
1.3.2 冷却处理
为了更好地冷却高温处理后的混凝土试块,自行设计加工了正方体的玻璃框架,如图1所示。玻璃采用钢化玻璃以防止混凝土试块冷却过程中炸裂,钢化玻璃上的圆形缺口便于灭火剂的喷入。试块从高温炉中取出后立即放入玻璃框架内,每组混凝土试块均使用1 kg灭火剂进行冷却处理。灭火剂喷入之后,使用塑料薄膜封闭圆形缺口,静置至试块冷却。
图1 试验用高温炉和冷却箱体
Figure 1 Experimental furnace and cooling box
1.3.3 力学性能测试
抗压强度和劈拉强度试验使用数显压力试验机完成,抗压强度试验加载速度为0.3～0.5 MPa/s,劈拉强度试验的加载速度为0.08 MPa/s,由于采用的立方体试块为非标准抗压试块,实际抗压强度需要按照式(1)计算,劈拉强度按照式(2)计算,每次力学性能测试试验均采用3个试块,结果取平均值。
(1)
(2)
式中:fcu为混凝土轴心抗压强度,MPa;fts为混凝土劈拉强度,MPa;F为试件破坏时荷载,kN;A为试件承受压力面积,mm2;0.95和0.85均为尺寸换算系数。
2 结果与讨论
2.1 混凝土试块表面颜色变化
混凝土试块在高温炉中加热会发生一系列的变化,最直观地表现在其表面颜色的变化。如图2所示,常温下混凝土表面为青灰色;温度升高至200 ℃时,混凝土表面颜色未出现明显变化;温度升高至400 ℃时,混凝土表面颜色呈现淡红色并出现细微裂缝;600 ℃时,混凝土整体颜色退化至米黄色,表面裂缝数量变多且缝隙变大;800 ℃时,试块整体呈现灰白色,在加热过程中伴随剥落现象,表面剥落的混凝土试块可直接观察到其内部骨料,剥落现象产生的主要原因是试块在受热情况下内外应力不均匀[14]。
图2 不同温度下混凝土试块外表面颜色
Figure 2 Surface changes of the specimens at different temperature
2.2 烧失率变化
为了得到混凝土试块受热之后的烧失率,本文分别称量并记录了试块加热前后的质量,如图3所示。可以看出,随着温度的升高,试块烧失率整体呈现上升的趋势,当加热至200 ℃时,质量的损失主要是混凝土内部的自由水;加热至400 ℃时,混凝土试块中的结合水开始受热逸出,氢氧化钙晶体开始脱水分解[15]。当加热温度为200 ℃和400 ℃时,7 d和14 d龄期混凝土试块的烧失率变化最为明显,这是由于混凝土内部水化反应不完全导致混凝土内部结合水比较容易失去。温度升高至600 ℃时,骨料中的碳酸钙、碳酸镁等成分开始分解;继续升高温度至800 ℃,试块烧失率将进一步增加,但此温度下不同龄期的混凝土试块烧失率差异较小,平均烧失率达到9.6%。另外,加热温度为600 ℃和800 ℃时烧失率较高,这主要是因为在温度较高时,混凝土表面出现剥落现象。
图3 不同龄期混凝土试块在不同温度条件下的烧失率
Figure 3 Mass loss rate of specimens in different curing age and temperature
2.3 灭火剂对高温混凝土试块抗压强度的影响
图4为采用自然冷却和喷水冷却方式处理的混凝土试块的抗压强度。由图4(a)、4(b)可以看出,温度为200 ℃时,冷却方式的不同并不影响混凝土试块的抗压强度;随着温度升高至400 ℃时,试块的抗压强度明显受到了冷却方式的影响,采用喷水冷却的7 d和14 d龄期的混凝土试块的抗压强度分别降低了20.31%和13.56%;然而,当温度升至600 ℃时,喷水冷却方式却使7 d和14 d龄期试块的抗压强度分别增加了9.14%和9.18%。但这种现象并未出现在较长龄期的混凝土试块上。由图4(c)、4(d)可知,在400 ℃和600 ℃下,28 d和56 d龄期的混凝土试块在喷水冷却的处理下有更低的抗压强度。由此可见,冷却方式和混凝土试块本身的养护龄期会共同对其高温后的抗压强度产生影响。以上试验现象表明,对于低龄期的C30混凝土试块,高温加热使其内部的自由水和结合水大量蒸发;当温度高于600 ℃时,大部分水化硅酸钙凝胶开始分解,这会对混凝土承载能力产生负面影响。但在此条件下,喷水冷却则会使混凝土重新生成一部分水化硅酸钙凝胶。同时,低龄期的混凝土试块在受高温之后内部温度很难短时间内降至室温,再遇水会促进其内部水化反应,使其抗压强度升高[16]。对于龄期较高的混凝土试块,其内部水化反应在养护阶段进行得较为完全,由于混凝土热传导系数较小,高温受热后喷水冷却则会增加其内外温度差,当由此产生的热应力大于混凝土试块的抗拉强度时,便会出现开裂现象使其强度降低。当温度升到800 ℃时,混凝土内部碳酸钙完全脱水变成氧化钙,骨料与砂浆结合处裂缝变大[17],混凝土试块的残余强度大幅降低。综上所述,混凝土试块的加热温度会很大程度上改变混凝土的内部物理化学变化,由此改变其抗压性能,水冷处理也对其抗压性能产生一定的影响。
图4 自然冷却和喷水冷却混凝土试块随温度变化的抗压强度
Figure 4 Compressive strength of natural cooling and water cooling
图5为采用自然冷却、七氟丙烷和哈龙1211处理的混凝土试块的抗压强度。采用自然冷却处理的混凝土试块的抗压强度整体随温度升高呈现先下降后升高再下降的变化趋势。400 ℃的温度条件会促进混凝土水化反应,使内部氢氧化钙含量增加,也有研究认为高温使水泥浆体对骨料的包裹性增强,随后导致其强度稍微恢复[18-20]。随着温度的继续升高,试块的抗压强度迅速下降。温度增加至800 ℃时,14 d和28 d龄期的混凝土试块的残余强度仅为常温时的29.46%和31.33%。从图5可以看出,灭火剂对常温下混凝土试块的抗压强度影响并不明显;当加热温度为200 ℃时,所有试块的抗压强度都较常温下有一定的下降,但是依然未见灭火剂处理的影响。加热至400 ℃时,相对于自然冷却方式,灭火剂冷却处理的混凝土试块的抗压强度会明显降低。以28 d龄期为例,哈龙1211和七氟丙烷处理的混凝土试块抗压强度分别降低了6.73%和16.53%。当温度升高至600 ℃时,试块的抗压强度较400 ℃时急剧降低,哈龙1211和七氟丙烷的冷却处理分别使试块的抗压强度降低了15.25%和10.34%。加热温度为800 ℃时,试块抗压强度整体迅速降低,其主要原因在于混凝土内部氢氧化钙脱水,受灭火剂的影响较小。由此可见,加热温度为400 ℃和600 ℃时,哈龙1211灭火剂和七氟丙烷会对混凝土试块的抗压强度产生明显影响;而在室温、200 ℃和800 ℃温度条件下,灭火剂对试块抗压强度的影响较小。其主要原因是当灭火剂从气瓶中喷向高温试块时,常压外界环境会使得灭火剂迅速汽化、大量吸热,迅速降低试块表面温度[21],当预定温度为400 ℃和600 ℃时,试块内外的温度差会产生热应力使其内部裂缝进一步扩展导致抗压强度进一步降低;在常温和200 ℃时,灭火剂喷在混凝土试块上产生的热应力较小,从而其影响较小;当加热温度为800 ℃时,试块内部裂缝较多且宽度较大,灭火剂处理后未能使其内部裂缝进一步发展,因此两种灭火剂均未对其抗压强度产生影响。
图5 自然冷却、七氟丙烷和哈龙1211处理后混凝土试块的抗压强度
Figure 5 Compressive strength of specimens after natural cooling, Halon 1211 and HFC-277ea treatment
图6比较了高温后二氧化碳灭火剂处理和自然冷却的试块的抗压强度。二氧化碳与水在灭火过程中均不参与燃烧反应,但由于自然状态不一样,故对混凝土试块的抗压性能影响会不同。如图6所示,二氧化碳冷却处理的结果与自然冷却的结果保持了很好的一致性,且二氧化碳冷却处理对混凝土试块抗压强度的影响较小。这主要是因为二氧化碳在常温常压下均为气态,即便从气瓶中喷出时会快速汽化,但其较低的比热容并不会引起周围环境的快速降温,其降温效果与其他灭火剂相比较差,主要依靠降低氧气浓度达到灭火效果,不能引发明显的热应力变化,从而影响较小。
图6 自然冷却和二氧化碳处理后试块抗压强度与温度的关系
Figure 6 Compressive strength of specimens after natural cooling and carbon dioxide treatment
2.4 灭火剂对高温混凝土试块劈拉强度的影响
图7为不同温度和不同处理方式下混凝土试块的劈拉强度,试块养护龄期为28 d。从图7中可以看出,混凝土的劈拉强度随温度的升高而降低,对于自然冷却试块,400 ℃和600 ℃条件下混凝土的劈拉强度残余率约为60.9%和21.1%。比较不同处理方式下试块的劈拉强度,常温和200 ℃条件下,灭火剂对混凝土试块的劈拉强度影响较小。温度升高至400 ℃时,水、哈龙1211和七氟丙烷均进一步导致试块的劈拉强度降低,与自然冷却的试块相比,混凝土的劈拉强度分别降低了20.67%、35.1%和23.1%。这是因为在高温下混凝土试块内部由于骨料膨胀系数的不同而出现裂缝,裂缝的产生对混凝土劈拉强度的影响是最直接的,而灭火剂的冷却效果则会促进裂缝的发展,因此导致试块的劈拉强度进一步降低。在600 ℃和800 ℃条件下,混凝土的劈拉强度主要受温度的影响,灭火剂对劈拉强度的影响较小。这是因为在较高温度下,试块内部已经出现较多的裂缝,其残余劈拉强度较低,灭火剂对高温试块的影响不能体现。二氧化碳由于其冷却效果有限,在不同温度下,二氧化碳灭火剂对混凝土的劈拉强度影响较小。
图7 不同温度和处理方式下混凝土试块的劈拉强度
Figure 7 Splitting tensile strength of specimens with different temperatures and treatment methods
3 结论
(1)随着受热温度的升高,混凝土表面颜色历经青灰色、淡红色、米黄色,最终为灰白色,试块表面裂缝逐渐增多且变宽,800 ℃时可看到试块内部骨料。混凝土试块的烧失率随温度的升高而增加。温度加热至400 ℃时,7 d和14 d龄期的试块烧失率要大于28 d龄期试块的烧失率。
(2)高温受热后的试块强度会受喷水处理的影响,且不同龄期下试验结果不同。哈龙1211和七氟丙烷灭火剂会对受热温度400 ℃和600 ℃的不同龄期混凝土试块的抗压强度产生明显影响,与自然冷却试块相比,其抗压强度降低。
(3)试块受热温度为400 ℃时,水、哈龙1211和七氟丙烷会进一步导致混凝土劈拉强度的降低,这一现象在其他温度并未体现。
(4)不同灭火剂对高温混凝土抗压强度的影响不同,主要取决于灭火剂的冷却效果,其中,二氧化碳冷却处理对混凝土的抗压强度和劈拉强度的影响可忽略不计。
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