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建筑和建筑材料
耐高温可持续混凝土的耐久性 - 综述
沙齐姆·阿里·梅蒙
a 纳扎尔巴耶夫大学土木工程系，哈萨克斯坦共和国阿斯塔纳010000
b 上海交通大学土木工程系，上海200240
c NUST土木工程研究所（NICE），土木与环境工程学院（SCEE），国立科技大学（NUST），H-12区，伊斯兰堡44000，巴基斯坦
强调
1.已经综述了混凝土的耐火后耐久性。
2.已经审查了补充的胶凝材料及其对混凝土耐火后耐久性的影响。
3.无论成分如何，所有混凝土在高温下都会失去耐久性。
4.已经讨论了火灾损坏混凝土的耐久性恢复。
5.在这个领域需要做很多工作才能完全理解在火灾条件下混凝土的性能。
文章信息
文章历史：
2018年9月2日收到
收到修订后的表格2018年11月27日接受2018年12月8日
2018年12月17日在线提供
关键词：
耐久力
高温混凝土
矿物掺合料抗压强度
摘要
火灾对结构和居住者的生命构成严重威胁，因为它在短期和长期的结构层面上都会产生不利影响。考虑到混凝 土防火性能的重要性，各种研究人员评估了混凝土在这种条件下的行为特征。暴露于火灾后混凝土结构的安全 性和使用寿命取决于两个重要因素，即残余强度和耐久性。在本文中，提出了一个全面和最新的综述，包括各 种矿物掺合料在暴露于高温后的耐久性。通过间接试验测量火灾后混凝土的耐久性，例如氯离子渗透性，透水 性，吸收性和吸收性。因此，对上述技术的测试方法和可用文献进行了详细的审查和总结。随后讨论了在火灾 后条件下提高混凝土耐久性能的最新趋势，并确定了未来的研究需求。然而，为了正确理解用可持续混凝土构 造的火灾暴露混凝土结构的耐久性能，在该特定领域需要大量工作。
简谱
NSC正常强度混凝土
HSC高强混凝土
ITZ界面过渡区
AFt相氧化铝，氧化铁，三硫酸盐相
AFm相氧化铝，氧化铁，单硫酸盐
CH氢氧化钙
CSH凝胶硅酸钙水合物凝胶
DC直流直流电
MK偏高岭土
SF硅粉
FA飞灰
GGBFS磨碎的高炉渣
PFA粉碎的粉煤灰
SCC自我巩固混凝土
RA再生骨料
RAC再生混凝土
EPMA电子探针微量分析
RCPT快速氯离子渗透性试验
DSC差示扫描量热法
ISAT初始表面吸收测试
RH相对湿度
PPF聚丙烯纤维
LRT低加热率测试
HRT高加热率测试
SFT标准防火测试
MIP水银压入孔隙率测定法
VPA火山浮石聚集体
VPC火山浮石混凝土
W/c水灰比
PFRC聚丙烯纤维增强混凝土
SFRC钢纤维混凝土
ACS美国化学学会室温
HPC高性能混凝土
FR-HPC纤维增强高性能混凝土
LWC轻质混凝土
LWAs轻量级聚合体
NVC通常振动混凝土
介绍
火灾对混凝土结构的安全构成严重威胁[1].接触火灾会对混凝土 的物理，机械和耐久性能产生不利影响。因此，必须研究暴露在火中 的混凝土的性能。根据迄今为止进行的研究，影响水泥基质耐久性能 的两个主要因素是环境和机械[2–4].影响混凝土性能的环境因素是加热和冷却方式[5]，火灾持续时间和混凝土基质暴露的最高温度[6]， 结构单元的装载情况[7]，以及水分状况的影响[8].而影响混凝土性能 的材料特性是水泥浆的成分[9]，聚合砂浆债券[10]，聚集体的类型 及其与主体基质的热和弹性相容性[10].
Moham-madbhai（1986）开展了与环境因素（加热/冷却速率和暴露持续时间）对混凝土残余性能的研究相关的开创性工作。[5].据报道，暴露时间对暴露于200°C以上火灾的混凝土基质的火灾后抗压强 度影响很小或没有影响。但是，对于低于200℃的温度，观察到暴露 时间的显着影响超过一小时的持续时间。类似地，暴露时间的影响在前两个小时更明显， 因为在此期间发生了主要的强度损失。此外，据报道，加热和冷却速率 与高于600℃的暴露的残余机械强度无关。Toumi等人。（2009年）[11] 还研究了暴露温度（300-700°C）和暴露时间（1-9 h）对混凝土残余机械强度的影响。在暴露温度下，报告了最明显的趋势，即随着目标暴露 温度的升高，残余抗压强度的损失。此外，据报道，不论暴露温度如何， 增加暴露时间都会对混凝土的残余性能产生不利影响，尤其是压缩强度。
聚合物类型，添加剂和外加剂，工业和农业废物不可预测地影响混凝土的防火性能， 因此已被一些研究人员广泛研究[2–4].Ma 等人（2015）[12] 在他的评论中讨论了与硅质骨料相比，基于钙质骨料的混凝土提供了更好的耐火性。然而，如果在非饱和状态下使用，轻质骨料（LWA）基混凝土可提供更高的耐火性。该研究报告说，在实践中常用 的轻质骨料的预饱和状态可能会导致这种轻质基体在高温下剥落。此外， 该研究强调了纤维对残留物的影响混凝土的强度。结论是聚丙烯纤维的包含对残余机械性能，特别是压缩强度和弹性模量几乎没有影响。相比之下，钢纤维有效地增强了上述机械性能。王（2008）[12] 据报道，在水泥基质中加入二次胶凝材料如粉煤灰和矿渣可以提高其耐火性。相反，添加硅灰（SF） 会不利地影响这些基质的机械性能和耐火性。
2013年，Cree等人。[13] 撰写了第一篇关于再生材料利用的评论文章及其对混凝土火灾后机械性能的影响。研究了两种再生材料的效果， 即从砖，混凝土，玻璃拆除以及高炉矿渣，粉煤灰，硅粉和火山灰等工业废料中获得的骨料。还讨论了用于消防安全测试的三种加热和加载条件。这三种技术是预加载试样 - 热试验（应力），卸载试样 - 热试验（无应力），卸载试样 - 冷试验（残余）。加热速率，水灰比，目标强度，固化时间，试样尺寸，浸泡时间，普通硅酸盐水泥（OPC）稀释和剥落行为是本文综述中讨论的主要参数。但是，有人建议，需要做更多的工作才能正确理解混凝土中再生材料的可持续利用及其对这些基质的防火性能的影响。
混凝土的力学性能是火灾暴露中最关键的因素，因此被广泛研究 和评述。然而，在任何情况下，混凝土的耐久性能都不能也不应该 被破坏。本文总结了有关混凝土耐火后耐久性的现有数据。此外， 已经详细讨论了导致混凝土耐久性特性下降的因素。进行了广泛的 文献调查，以确定未来的灰色和潜在研究领域。本文主要分为三个 部分。第一部分阐述了火灾对混凝土的理化性质和剥落的影响。第 二部分详细讨论了可用的耐久性测试方法以及可持续混凝土的后燃 耐久性能。第三部分讨论了火灾混凝土的耐久性恢复。此外，还确 定了研究需求。
为了研究这篇综述，研究了大量与火灾暴露混凝土耐久性有关的 文献。图。1 显示了每年相关出版物的数量，它们在各种期刊中的分布情况，以及各国正在参与相关研究的数据量。从视角来看，过去 四年中有超过40％的与残余耐久性相关的文章发表，表明该主题越 来越受到研究人员的关注。
火灾对混凝土及其成分的影响
2.1物理和化学变化
在评估混凝土的耐久性能之前，值得研究火灾对混凝土及其多相 和多尺度构件的影响。混凝土，水泥浆和骨料在暴露于火灾时经历 的物理和化学变化列于表格1.
2.2在混凝土中剥落
暴露于火中可能导致混凝土中的剥落，这会对混凝土的完整性产生不利影响，从而损害其机械性能，尤其是抗压强度。混凝土的剥落甚至可能成为临界结构单元坍塌的根源[12,38]。 非均匀分布热应力和孔隙中蒸汽压的积累是爆炸剥落的两个主要原因[12,38]。
暴露在高温下会导致汽化夹带水[11,39]。来自混凝土内部的水倾向于向外部移动。这种蒸发结果在热梯度的发展中，由于蒸汽凝结和形成a，冷凝物的内层变得更冷饱和层。形成的饱和层进一步抵抗了从混凝土内部蒸汽的运动转动会增加内层的孔隙压力。如果由包含凝结蒸汽的饱和层以某种方式消散或发现逃逸，这种孔隙压力只会降低周围的空气。如果加热速率高和孔隙结构混凝土足够致密，蒸汽层逃逸不够快。这导致巨大毛孔的发展压力导致爆炸性剥落，随后产生爆炸性剥落如果混凝土的抗拉能力不足，则肢解结构单元[12,38]。图2（b）描绘了孔隙压力的产生会导致混凝土的热剥落。另一个原因是在高温下形成了一个混凝土的热梯度[40,41]。当混凝土的表面回火温度升高时，会产生一些压缩的应力自然发展平行于受热表面的表面，而还会产生一些垂直拉伸应力。什么时候这些差别应力超过混凝土的抗拉能力，它会剥落，如图2（a）[42]中的示意图所示。
除了这两个原因，温度升高，水合物的化学分解，水泥的差异收缩糊状物，热不稳定性和粗骨料膨胀也会引起混凝土基体开裂。 热和弹性聚集体与主体胶凝基质的不相容性高温也会在过渡区引起粘结开裂在这两个阶段之间，从而使混凝土和混凝土恶化协助上述有害过程[12]。
表格1
火灾对混凝土及其构件的影响
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具体 |
水泥浆 |
骨料 |
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微观结构的开裂和劣化 |
在300°C时，由于水蒸气的排出，微裂纹开始出现在混凝土基体中[8,14,15].高于400°C，这些裂缝进一步增长，其强度随着温度的逐渐升高而升高[16–19].此外，由于暴露于高温时的微观结构劣化，见证了孔隙率的增加[20]. |
高于100°C，糊状基质中开始出现微裂纹 [21].高达93°C，水泥浆倾向于膨胀，然后 收缩至491°C[12,13,22].这种不同的收缩是由于水蒸气的排出[23].然 而，随着温度升高，观察到浆料孔隙率的成比例上升，这是由于微观结构的严重劣化 [24]. |
在300至500°C之间，大多数聚集体保持稳定[25].然而，在570℃时，发生石英的体积膨胀，其存在于大多数聚集体中。施耐德的一项研究报告称这一体积扩张率为5.7％[26].最常用的骨料即石灰石在600至800°C之间脱碳，在800至1200°C之间完全崩解[27] |
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水化产品 |
在110-150℃，AFt和AFm相脱水[28].氢氧化钙 - Ca（OH）2 （CH）在350°C下分 解成石灰（CaO）和水，或转化为额外的CSH凝胶[29].当混凝土失去其主要粘合剂时，硅酸钙水合物凝胶在400-600℃的范围内分解[30–33]. |
钙矾石在70-90°C左右发生化学分解[34].在300-700℃的范围内，硅酸钙水合物凝胶完全失水并分解[26,34].同样，氢氧化钙（Ca（OH）2）在350-550°C的温度范围内分解成石灰和水[26].在100-110°C的范围内，水蒸发[21].去除非蒸发性水，即层间和毛细水，发生在100至300℃之 间[37]. |
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水蒸发 |
在105°C时，混凝土完全失去其自由度 水。然而，物理吸收的水在稍高的温度下蒸发[35].高于300°C，硅酸钙水合物凝胶的脱水与硫铝酸盐水合物一起发生，这是由于层间水的损失[30] 在400°C时，所有毛细水都会流失[36]. |
高于100°C，游离水从骨料中蒸发[21]. |
混凝土的耐火后耐久性
可以使用各种方法评估混凝土的耐久性。以下是不同研究人员采用的各种技术的总结测试方法和结果，以确定在火灾后暴露状态下混凝土的耐久性。
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- 氯离子渗透试验
氯离子通过混凝土的扩散是一个复杂的过程，因为它取决于许多控制因素，即成分的不均匀性，损伤程度，压力梯度和离子浓度。考虑到这些因素的影响，氯离子渗透试验仍然是最可靠和广泛使用的测试，用于估算火灾后暴露混凝土的残余耐久性。基本假设是，更具渗透性的是允许通过的具体更多电流，反之亦然。火焰暴露样品的耐久程度是根据其对氯离子渗透的阻力来确定的。氯化物浓度通过量决定了暴露于火焰的样品的残余耐久性。以下文章阐述了可用的测试方法。
3.1.1. 测试方法
3.1.1.1. 快速氯离子渗透性。文献广泛讨论氯离子渗透作为间接测量火灾暴露混凝土的耐久性。该测试遵循ASTM C1202中设定的指导原则[43].在该试验中，根据混凝土的导电性测量混凝土试样对氯离子的抗穿透性。该测试背后的基本假设是，更具渗透性的混凝土将允许更多的电荷通过，反之亦然。测量通过混凝土样品（50mmtimes;100mm切片）的电荷量6小时。将样品的一侧置于盐溶液（NaCl）中，而另一端置于强碱性介质（NaOH）中。在样品上提供60V直流电（DC）并保持恒定直至测试完成。估计通过混凝土样品的装料（库仑）。这种量化的电荷是氯离子渗透和混凝土耐久性的间接估计。
3.1.1.2. 氯离子扩
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资料编号：[910]
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