1 引言
随着经济的发展，城市的膨胀，居民区人口密度增大等一系列因素，基础设施建设规模越来越大，建筑高层化、建筑结构复杂化不可避免，30 层以上的商业及住宅楼已很普遍。这种情况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优异的性能，得到了广泛的应用。近年来，由意外引起的火灾案件频传。火灾发生的频度居各灾种之首，火灾造成的损失约为地震灾害的5 倍。
我国年均发生火灾十几万起，年均损失上百亿元[1]。混凝土本身作为一种不燃烧的材料，其材料性能会在火灾中严重劣化，尤其是高性能混凝土在火灾下比普通混凝土易于发生爆裂现象，这种爆裂一般没有先兆，一旦发生，将导致结构完整性的丧失，令结构过早坍塌，给人们的逃生和抢救工作造成困难。因此，研究高性能混凝土的耐火性具有非常重要的现实意义。国外从上世纪80 年代末90 年代初[2,3,4,6]已开始高强混凝土的耐火性研究，在我国近几年才开始[ 5,7—16]。
本文根据查得的文献，将现有高性能混凝土耐火性研究进行分析整理，探讨了目前需要优先研究的领域。
2 研究高强高性能混凝土耐火性的试验方法[2]
2. 1 应力试验
在升温前对混凝土试件预加荷载（加荷水平一般为室温混凝土极限抗压强度的20％到40％），并在升温过程中不卸载。以恒定速率升温直至达到目标温度，并在此温度下恒温一段时间以达到热稳定态。然后以规定的速率增加荷载或应变直至试件破坏。试验结果通常是在不同温度下的抗压强度和弹性模量。这种试验的数据十分适合于代表柱或梁的受压区混凝土的耐火性能。
2. 2 无应力试验
试件在以恒定速率升温直至试件内达到热稳定状态，此过程中不预加荷载。然后以规定速率加荷载或应变直至发生破坏。这种试验的数据十分适合于代表梁受拉区混凝土的耐火性能，或预受小荷载的构件中的混凝土。
(马冬花，女，（1976－ ），从事混凝土工程及技术研究。
本文由科技部科研院所技术开发专项资金项目（2003EG131152）和云南省校省院科技合作计划项目（2004YX31）资助。)
2.3 无应力残余强度试验
试件在以恒定速率升温直至试件内达到热稳定状态，此过程中不预加荷载。然后将试件以规定的速率冷却至室温。在室温下对试件加载或应变直至试件破坏。无应力残余强度试验与上述所有的试验方法均不同，其试验结果非常适用于评估混凝土火灾后的残余性能。
三种方法的升温加荷关系见图1[3]。
3 高强高性能混凝土耐火性的试验研究
3.1 温度对高强高性能混凝土抗压强度的影响
不同试验方法（无应力试验，无应力残余强度试验，以及应力试验）所得的关系不同。高强混凝土的关系用实线表示，普通混凝土的用虚线表示。
3.1.1 在无应力试验中，试件在无应力状态下加热并在高温中进行试验。对无应力试验，强度与温度的关系可用三个阶段表现（图2 到3）：
图2 应力试验中抗压强度－温度的关系（普通骨料混凝土）
1）强度的初始损失阶段：对于普通骨料的混凝土，温度从室温升至100～200℃，强度损失。对于轻质骨料混凝土，温度从室温升至250℃，强度损失。
2）强度的稳定及恢复阶段：对于普通重量的混凝土，在100～200℃至400～450℃之间；对于轻质混凝土，在250℃至450℃之间。文献[5]研究表明高强与普通混凝土不同，C30 在200℃～300℃时强度略有提高，C60 和C80 混凝土在此阶段略有下降。文献[6]中的高强混凝土与普通混凝土相比，强度的恢复期推迟，强度在第二阶段达到的峰值比常温时高出8～13％。
3）强度的永久损失阶段：对于普通重量的混凝土，从400～450℃开始；对于轻质混凝土，从
250℃至450℃之间开始。
对于无应力试验，在25℃到约400℃之间，高强混凝土的强度损失明显大于普通混凝土，除此之外，高强混凝土的强度与温度的关系与普通混凝土比较相似。
3.1.2 在无应力残余强度试验中，试件在无应力状态下加热，并在冷却至室温时进行试验。对
于无应力残余强度试验，高强混凝土的强度与温度的关系可用两个阶段表现（图4～5）：
图4 无应力残余强度试验中抗压强度与温度的关系（普通骨料混凝土）
1）强度的初始微获得或微损失阶段：对于普通重量的混凝土和轻质混凝土：室温到200℃左右。
文献[7]中提到，各种高性能混凝土残余强度从室温到400℃都基本保持不变甚至有所增加。
2）强度的永久损失阶段：对于普通重量的混凝土和轻质混凝土：约从200℃开始。
对于无应力残余强度试验中，高强混凝土的残余强度和温度的关系在整个温度范围内与普通混
凝土有些相似。
3.1.3 在应力试验中，试件在应力状态下加热并在高温中进行强度试验。基于有限的应力试验，
高性能混凝土的强度和温度的关系可用三个阶段表现（图6～7）：
图6 应力试验中抗压强度与温度的关系（普通骨料混凝土）
1）强度的初始损失阶段：对于普通骨料的混凝土，是在室温到100℃左右。对于轻质高强混凝
土，缺乏有关应力试验的数据。
2）强度的稳定及恢复阶段：对于普通骨料的混凝土，在100～400℃之间。
3）强度的永久损失阶段：对于普通骨料的混凝土，从400 至700℃左右。
基于文献的试验统计，认为下列因素对高强混凝土的强度与温度的关系有影响。
1）初始抗压强度
2）骨料种类（硅质、钙质、轻骨料）
3）试验方法（有应力，无应力，无应力残余强度）
3.2 温度对高强高性能混凝土弹性模量的影响[4]
对无应力试验，弹模与温度的关系见图8，对于无应力残余强度试验，二者的关系见图9，应力试验没有关于二者的关系的数据。
从图8 可以看出，对于无应力试验，普通重量高强混凝土（实细线）、普通混凝土（虚线）、以及轻质高强混凝土（实粗线），三者的温度和弹性模量之间的关系没有明显的差异。
从图9 看出，无应力残余强度试验，普通重量的高强混凝土和普通混凝土的弹性模量差异也不
明显。但是，数据表明轻质高强混凝土的弹性模量与温度的关系与前两者有明显差异。
试验数据表明，影响弹性模量与温度关系的因素是：骨料的重量等级（普通骨料和轻骨料）和
试验方法。由于没有关于应力试验中弹性模量和温度关系的数据，故不知道预加荷载（应力试验）对这种关系的影响程度。
3.3 温度对高强高性能混凝土应力－应变关系（本构关系）的影响
对暴露在高温中的混凝土，有关应力－应变报道不多，但这些关系对发展高强混凝土本构模型是必需的。总的来说，高强混凝土的应力－应变曲线与低强混凝土的形状基本一致，但比普通混凝土更陡、更接近线性，并且这种差异保持到约800℃左右。典型的高强混凝土和普通混凝土荷载－变形关系如图10[2]所示。从图10 可以看出，高强混凝土的应力－应变曲线的下降段要陡于普通混凝土，即应力随应变增大而降低的速率要大于普通混凝土。也表明高强混凝土试件比普通混凝土试件更易发生脆性破坏。这与我国学者[8,9]的结论一致。
文献[8,9]中的研究表明，高温后高强混凝土的峰值应力和峰值应变与普通混凝土的变化规律基
本一致，即随着温度的升高，峰值应力逐渐减小，峰值应变则增大。
3.4 温度对高强高性能混凝土抗拉强度的影响
抗拉强度对混凝土的开裂影响至关重要，但目前的研究中温度对高强混凝土的抗拉强度影响研究的数据很少。文献[2]的统计分析中，只有2 份研究（Felicetti（1996）和Noumowe（1996））报道了有关高强混凝土抗拉强度的数据。从Noumowe 的无应力残余强度试验研究（包括直接抗拉试验和劈拉试验）结果，可以看出高强混凝土和普通混凝土的抗拉强度与温度的关系曲线形状相似（图11）。
Felicetti 报道了高强混凝土（95 MPa 和72MPa）抗拉应力－应变关系。这两种高强混凝土的抗拉应力－应变关系没有明显差异（图12 和图13）。
3.5 高温中高强混凝土的爆裂现象及抑制措施
3.5.1 爆裂现象
目前，对高温下高性能混凝土的爆裂机理的观点并不是十分统一，主要认为有两种：蒸汽压机理和热应力机理[10]。Gary R. Consolazio 等人的研究[3]指出：孔蒸汽压是爆裂发生的主要因素，但热应力对爆裂的发生也有显著影响。文献[11]研究认为孔蒸汽压是导致高强混凝土爆裂的最重要因素。文献[12]研究认为由温度急剧变化所引起的热应力不是造成高性能混凝土在高温下表面崩裂甚至爆裂的主要原因。
根据文献[13] 对目前一些高性能混凝土抗火性研究的试验结果的整理以及文献[9，14]可以得出： 并不是所有的试验中都观察到了高强高性能混凝土在高温时的爆裂现象。在材料试验和结构构件试验过程中，有一半左右报道了爆裂。同样，在同一试验中，相同配比的不同试件有的发生爆裂有的并不发生[9]。尽管结论不一致，仍可确定在适当的试验条件下，高强高性能混凝土尤其是含有硅灰的密实性高强高性能混凝土更易发生爆裂破坏。从混凝土材料本身的角度讲，下列因素对高性能混凝土爆裂现象有影响[2]：
1）初始抗压强度,初始抗压强度越高，高温时越易发生爆裂。
2）混凝土的湿含量，
文献[11]研究表明，强度等级高于60MPa 的混凝土，当含湿量高于某一门槛值时，爆裂现象受含湿量的影响显著。测得HPC70、HPC100、HPC120D 的门槛值分别是88%、63%、63%。
3）混凝土的密实性，混凝土在掺加了硅灰后，孔隙率降低，密实性增加，抗渗性提高，但在高
温中混凝土会更易发生爆裂现象[2]。
4）升温速率
5）试件尺寸和形状
6）骨料的种类：轻骨料混凝土比普通骨料混凝土更易发生爆裂现象。
3.5.2 爆裂现象的抑制措施
通过对文献的分析与统计，目前从以下几方面进行高强混凝土的耐火性改进研究：
1）掺加纤维,文献[7]研究表明，在高性能混凝土中掺加钢纤维可明显改善混凝土的高温后残余
力学性能，这是由于[12]钢纤维有桥接和阻裂作用，限制混凝土在温度急剧变化和高温地环境下产生的体积变化，减轻混凝土内部微缺陷的引发和扩展。
2）掺加聚丙烯纤维、钢纤维和混杂纤维（聚丙烯纤维和钢纤维）均能提高高温作用后高性能混凝土的残余劈裂抗拉强度，其中以钢纤维的作用最为显著。但聚丙烯纤维的掺入对高温后混凝土的残余抗压强度无明显影响[7,12]。文献[11，14，15，16]研究表明，加入聚丙烯纤维能防止高强混凝土的爆裂。聚丙烯纤维在高温时融化，可增加毛细孔，有效缓解和释放毛细孔中的蒸汽压。
3）关于引气剂的研究[11,14]表明，加入引气剂对高性能混凝土抗爆裂性能影响不明显，其机理
尚需研究。
4 现有规范与高性能耐火性研究：耐火试验方法以及高温混凝土的性质
目前的耐火试验方法，包括ISO834，ASTM E119，以及JIS A1304。三种试验方法的标准升温曲线基本相似，如图14 所示。ISO834 标准升温曲线与ASTM E119、以及JIS A1304 稍有不同，ISO834标准允许温度随着暴露时间连续上升，没有确定的上限。ASTM E119 规定了温度上升至480 分钟，在此之后温度恒定在1260℃。JIS A1304 的暴露试件限制是240 分钟，对应的耐火等级是“4 小时”。
文献[2,4]指出，现有的Eurocode 标准和CEB 标准推荐的混凝土抗高温曲线，包括强度－温度
和弹性模量－温度设计曲线，对高强高性能混凝土是偏于不安全的。目前作为建议和意见的试验数据来自于普通混凝土（NSC）。大多数试验是在1960s 和1970s 完成的。最大室温抗压强度约50MPa。
因此，将这些设计建议和意见用于高强混凝土耐火设计时必须通过实验验证。
5 总结
5.1 结论
本文通过对高强混凝土高温性能的研究文献进行总结，可得到三条重要结论：
1）高强混凝土在高温中比普通混凝土更易发生爆裂破坏。
2）在100℃到450℃之间，高强混凝土的强度损失率大于普通混凝土。
3）现有的标准规范，比如CEN Eurocode 和 CEB 关于暴露于火中的设计曲线不适用于高强混
凝土。
5.2 建议
基于现有文献关于高性能混凝土高温性能的研究现状，可以明确尚有以下需优先研究的领域：
1）实验研究：
以关于高强混凝土高温中的基本性能的更完整的数据体系，数据体系的建立对发展和确定数字模型（能够预测高强混凝土受高温时的水迁移以及突然爆裂）非常必要。实验研究应当由材料试验（受高温高强混凝土试件）和构件试验（受高温高强混凝土梁、柱、板、以及墙）构成。
2）分析研究
应用从材料研究获得的试验数据发展材料模型，用来预测高强混凝土构件受高温时的性能。
3）标准规范的发展
应当将实验数据和分析数据综合起来，用于标准规范的编写，为高强混凝土构件受火设计提供
指导。
4）所提出的改善高性能混凝土耐火性的方法尚需进一步研究。对高性能混凝土在高温中性能衰减规律和机理还需进一步研究，以便提出更好的改进方法。
5）对工程应用中高性能混凝土的耐火性评估还没有统一的性能指标
随着高性能混凝土的推广应用，用于住宅、办公等的混凝土设计单位在设计时，就应明确标出高强高性能混凝土耐火性检测，均应测试其耐火性，并对此提出评定方法或评定指标，以做到防患于未然。
参 考 文 献
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