高温后建筑材料性能分析
出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第二卷》第698页（5272字）
(一)混凝土
当混凝土承受300℃高温时，可以通过查看内部的粉红色深度来探测高温所达到的深度，如果没有剥落出现，该深度一般为10～15mm。通过对混凝土变色深度的研究，可以评估火灾的严重程度。火灾时，室内温度经常达到900℃，但混凝土构件只在外表层温度急剧上升，而构件内部温度相对较低。图3－2－53(a)给出了标准温度－时间曲线时密实混凝土构件内部的温度梯度；图3－2－53(b)给出了截面为380mm方柱内部的温度梯度分布。
图3－2－53
(a)标准火灾时混凝土板内的温度分布；(b)标准火灾时截面为380mm方柱的温度梯度分布
1．抗压强度
密实混凝土在高温后冷却下来的残余受压强度与所达到的高温、配合比和高温时的荷载条件有关，在温度达到300℃以前，混凝土的剩余强度基本不变，当然强度的降低也与火灾前混凝土的龄期有关。当温度达到500℃时，混凝土的剩余受压强度开始下降，并约为初始受压强度的1／2，并且此时的混凝土已经不能很好地履行构件应有的功能，因为其内部含有大量的CaO，当潮湿时便产生膨胀。如果温度在100℃，混凝土中物理吸附的水分将被蒸发掉，强度基本没有变化，但弹性模量降低10%～20%；温度超过300℃时，硅酸盐和氢氧化物开始分解；温度超过500℃，羟钙石开始脱水。受压强度在450℃～500℃时降低缓慢，在500℃以后下降很快。
当温度超过600℃后，一些骨料开始转型(α－β－SiO2)或分解成石灰石，通常由于温度的作用而强度降低的只局限于承受高温的外表的3～5cm，外表这层已损坏的面层形成了一层绝热层，使承受荷载的截面得到有效保护。图3－2－54是混凝土剩余强度与温度的关系。
图3－2－54 冷却后混凝剩余强度及损伤因子与温度的关系
2．弹性模量
无论是火灾过程中还是火灾后，混凝土弹性模量均有较大程度的降低，温度达到300℃时约降低40%、温度达到600℃时约降低85%。由于其他原因，单是弹性模量降低并未引起很大的弹性变形。表3－2－59给出了石英骨料混凝土高温后的强度和弹性模量变化。
表3－2－59 高温后混凝土强度和弹性模量与高温前数值的比值
注：混凝土由石英卵石骨料和波特兰水泥制成。
3．剥落
在火灾试验和实际火灾中，均存在着混凝土的剥落现象。混凝土的剥落通常被分成两种：爆裂和表层剥落。当应力和含湿量在某个极限范围内，爆裂一般出现在柱、主梁和次梁中。爆裂在受火30分钟后产生一系列的急剧开裂，每次开裂都将局部浅层混凝土移去；另一种剥落，是一种逐渐分离的过程，它主要出现在柱子和梁的边缘上。
剥落同时受到骨料种类的影响，石灰石骨料混凝土是层状剥落，剥落面沿着粗骨料的断裂面发展；而天然卵石骨料混凝土通常是围绕着粗骨料进行，形成骨料剥落面。火灾中混凝土产生剥落使表层混凝土减少，这样就使混凝土深层的温度有所提高，同时加快了热量在深层混凝土的交换，因而使钢筋的温度有了很大的提高。
混凝土的剥落大多发生在火灾过程中，但也有很多是发生在火焰熄火后的冷却阶段。对于这种情况，混凝土和钢筋的温度升高早已完成，而已剥落的混凝土仍然能残留在原来的位置上较长的时间。图3－2－55给出了标准火灾试验时混凝土的损伤状况。
4．开裂
在高温时，钢筋的自由膨胀要比混凝土的大，这样对于配筋较多的钢筋混凝土构件经常由于热应力而产生开裂。经验表明，热应力产生的裂缝主要集中在由于收缩和弯曲荷载引起的初始裂缝处；此外因为骨料和水泥浆体之间的受热非协调性，通常也产生开裂，主要分布在构件表面上。对于火灾后的任何混凝土构件截面，均产生不同程度的开裂，开裂原因主要有：
(1)水泥砂浆与骨料之间的膨胀不同所引起的应力。
这种裂缝受火面的开裂在100℃时已经出现，但随着温度升高膨胀系数相差也逐渐增大，以致这些裂缝随着温度升高而发展；而在截面深处则很少有这种裂缝。混凝土的强度与这些裂缝直接相关；
图3－2－55 标准火灾试验时混凝土构件受火面的开裂
(2)钢筋与混凝土之间的膨胀不同所引起的应力。这种应力对于普通密度混凝土约在400℃左右产生，而轻骨料混凝土的温度要低一些。显然这种裂缝出现在钢筋附近；
(3)因为截面尺寸和形状引起的温度梯度产生的应力，这种裂缝一般出现在截面的角部和边沿；
(4)由于截面内部温度梯度的非线性产生的应力，这种裂缝不是由机械荷载引起的，其主要在截面内部产生和发展，但机械荷载对其产生位置和发展有很大的影响；
(5)在冷却过程中由于收缩受到限制而产生的应力，这种裂缝可以延伸到整个截面，但也可能被限制在内部；
(6)在灭火过程中由于消防队将水浇到构件上的突然冷却效应，这种突然冷却效应产生的裂缝一般出现在表面附近。
除了上述的最后两种原因外，前述4种裂缝均随着结构的冷却和重新变形而减小，但不可能完全闭合。对于单层板状构件，受火后的热变形产生的应力并不能直接影响周围保持冷却的结构，随着火焰温度的提高可能在受火部分产生裂缝，这只能表明受火部分构件的损伤情况，但应注意的是隐藏的未修补的裂缝可能使混凝土结构产生较大的长期变形。
5．颜色
混凝土在受热后其颜色发生改变，这种改变也可以用来判定火灾时的最高温度。当温度超过300℃以后，混凝土很快就变成粉红色，粉红色的出现同时意味着由于受热混凝土的强度开始下降。混凝土变成粉红色是由于在骨料和砂中含有铁盐，当然也有例外的情况。如果混凝土没有变成粉红色，说明混凝土尚未因受热而损伤。一般硅酸盐类骨料混凝土受热后变成粉红色，而石灰岩和火成岩类骨料混凝土以及轻骨料混凝土较少出现这种情况，在火焰的进一步作用下或冷却后其颜色还会发生变化。
6．骨料种类的影响
除了前述的剥落以外，骨料也是影响混凝土受热性能的重要因素之一。石灰岩类骨料混凝土的热膨胀系数约为石英岩骨料混凝土的1／2；轻骨料混凝土很少产生剥落，如果其内部含湿量较低，则具有较好的温度一强度特性和较低的导热率。表3－2－60给出了温度对钢筋混凝土结构的影响。
表3－2－60 火灾对钢筋混凝土结构的影响
(二)钢
1．低碳钢的性能
这里就冷却后钢的有关性能再作简单说明。如果按规范的要求设计钢构件，在没有保护的情况下，一般在500℃～550℃时钢构件破坏。钢构件的破坏温度可以根据实验室钢的受拉试验结果推出，高温后低碳钢的强度降低见图3－2－56(a)和3－2－56(b)
图3－2－56
(a)高强低碳钢高温后的剩余强度；(b)低合金钢高温后的剩余强度
2．预应力钢
预应力钢在火灾后的性能较一般钢筋要复杂得多。与一般钢筋相比，当预应力钢的温度分别达到370℃和420℃时，相应于0．2%残余应变的容许应力和抗拉强度均下降50%。预应力钢的工作应力一般在抗拉强度的70%左右，这与温度达到300℃时的情况相当，当温度升高到700℃以后，预应力钢丝的强度减少到不足7%。显然，当预应力钢丝暴露于火中，即使温度升高不大其强度也有较大的下降。
当温度达到400℃时，预应力钢筋束的强度将降低到正常强度的50%以下。钢筋能否继续使用，主要应考察热对钢的受拉性能的影响。受热后混凝土弹性模量的降低，由于徐变和受拉钢筋的不可逆伸长使松弛增加。当达到某个温度时，钢筋产生塑性伸长时的应力降低，则预应力也同样降低。因为松弛使预应力降低，同时也使预应力达到一个新的初值，见图3－2－57(a)～(d)。
图3－2－57 温度对冷拉预应力钢丝松弛的影响
(a)在100℃时松弛；(b)在200℃时松弛；(c)在300℃时松弛；(d)在400℃时松弛
预应力构件中钢筋达到的最高温度、受火过程中的温度分布以及火灾对预应力钢筋混凝土构件的影响等均较普通钢筋混凝土构件复杂。因此很有必要研究温度效应、曝火时间、冷却后剩余强度、温度对弹性模量和徐变的影响和热膨胀与约束的影响等。表3－2－61给出了一般钢筋与预应力钢筋在火灾后的降低情况，图3－2－58给出了一般钢筋和预应力钢筋的剩余强度。
表3－2－61 火灾后钢筋和预应力钢筋的剩余性能
图3－2－58 火灾后钢筋和预应力钢筋的剩余强度
从图3－2－58可以看出火灾对预应力钢筋的有害影响远胜于热轧或冷轧钢筋，图中预应力屈服强度和抗拉极限强度的降低画在一条线上，从250℃开始便出现永久的损失。如果预应力钢筋的工作应力是抗拉强度的70%，并保证冷却后仍能达到这个水平，则要求火灾时温度不能超过500℃。而低碳钢只要火灾时不达到屈服，火灾后是可以重新利用的。事实上不管是一般钢筋还是预应力钢筋，其外侧总有一层保护层，只要不出现爆裂和剥落现象，钢筋的温度是不会太高的。在对混凝土结构进行维修时，一定要考虑材料的剩余强度。
(三)钢筋与混凝土之间的黏结
受热后钢筋与混凝土之间的黏结受到很大的损坏，剩余黏结强度不仅与受热时达到的温度有关，而且与高温作用时间有关。如果钢筋温度达到300℃，剩余黏结强度不高于初始强度的85%；当温度达到500℃时，剩余黏结强度不足原来的50%。剩余黏结强度还与试验方法和钢筋形状有关，变形钢筋在高温为常数时的黏结强度降低与混凝土受压强度的降低总在一个数量级上；而在同样的温度，圆钢的黏结强度下降就很快，并且在黏结区温度不高的情况下破坏。混凝土受压破坏的极限温度总比黏结破坏极限温度高(见图3－2－59)。
图3－2－59 高温后变形钢筋、圆钢与混凝土黏结强度与未受势试件的比较
图3－2－59总结了变形钢筋和圆钢与混凝土黏结的极限温度，当变形钢筋承受室温条件下黏结强度的30%时，其黏结极限温度为500℃；同样受力条件，生锈圆钢的黏结极限温度为350℃，而此时混凝土受压极限温度为700℃。图3－2－60给出了钢筋几何对黏结强度的影响，显然圆钢在温度升高很小的范围内便降低了黏结强度。图3－2－61总结了相对黏结强度与黏结极限温度的关系。
图3－2－60 黏结极限度、温凝土受压极限温度与相对黏结强度的关系
图3－2－61 黏结临界温度、混凝土临界温度与其相对荷载的关系