1、火灾对于沿海地区混凝土结构的耐久性的影响金伟良 张奕(浙江大学结构工程研究所)摘要:火灾对混凝土结构的安全性和适用性带来严重的危害,过去对于火灾后混凝土结构性质的研究大多集中于此,但是研究表明火灾对于混凝土结构特别是沿海地区的混凝土结构的耐久性造成的危害同样不可忽视。本文将结合沿海地区混凝土结构的氯离子侵蚀问题和火灾带来的氯离子侵蚀问题并综合考虑混凝土材料的耐久性指数氯离子扩散系数在高温中受到削弱的情况,提出一套描述火灾后沿海地区混凝土结构内部氯离子分布扩散的数学模型,以期完善火灾后沿海地区混凝土结构的评估体系,使其兼顾结构的安全性适、用性和耐久性。关键词:沿海地区;火灾;PVC 材料;氯离子
2、;数学模型;评估体系1概述火灾对于结构安全的影响显而易见,因此有关于火灾后结构剩余强度以及结构失效模式的研究开展已经相当的深入,相关理论也比较成熟 1。但是火灾对于混凝土结构耐久性的影响直到最近才受到人们的重视。实际上,试验研究表明混凝土材料在高温下耐久性能的降低相比强度的降低更加显著 23,这对于长期存在于沿海地区氯离子环境中的混凝土结构的耐久性来说非常的不利。同时,现代建筑物中发生火灾不可避免的牵涉到PVC材料热分解产生的大量的酸性高度含氯的烟雾,这些烟雾在火灾中被混凝土吸收,在火灾后被吸收的氯离子向混凝土深处扩散,同样严重的影响混凝土结构的耐久性 4。综合以上两点可见,沿海地区的混凝土结
3、构在火灾后耐久性存在很大的隐患,如何评估这类混凝土结构灾后的耐久性能成为一个急待解决的问题。2.高温对于混凝土材料耐久性能的影响当混凝土材料受到高温影响时,其化学成分和微观物理结构都将发生显著的变化。这种变化开始于大约 400左右的氢氧化钙胶体(CH)分解,结束于大约 900左右硅酸钙胶体(C-S-H)分解完毕。由于上述的情况,混凝土材料的强度和耐久性都受到了很大程度上的影响。高强混凝土材料(HSC)在高温下,其耐久性能指标的下降更甚于强度指标 5。用国际上比较常用的评价混凝土材料抵抗有害介质的耐久性能的方法(ASTM C1202)来检测高温前后混凝土材料的耐久性能,结果如表 1所示:表 1
4、高温对于混凝土耐久性能的影响 6检测中通过混凝土试件的电量( c)混凝土种类常温下 600 800HS-CC 941 12,534 23,396HS-SF10 285 10,080 25,170HS-FA30 449 5373 9049HS-MK20 112 14,091 32,501NS-CC 2941 21,792 35,724NS-FA40 1454 8550 20,666NS-MK20 718 24,024 45,556说明:SF:硅灰 FA:粉煤灰 MK:偏高岭土;材料类型的数字表示添加料的质量百分比含量。可以看到混凝土材料受到高温影响之后,代表有害物质在材料中的渗透能力的参数成倍甚
5、至成十倍增长。研究同时发现:火灾结束后混凝土中胶体材料的分解产物会随着时间的推移重新水化生成水泥胶体,在宏观上表现为混凝土强度和耐久性指标得到了一定程度的恢复,如表 2所示:表 2 随时间推移耐久性指标回升火灾温度达到 600 混凝土类型 1天后 7天后 28天后 56天后HS-CC 12534 8672 6847 6271HS-SF10 10080 7346 6337 5785HS-FA30 5373 3605 2798 2130HS-MK20 14091 9079 7796 7344NS-CC 21792 14800 11530 10620NS-FA40 8550 5605 3847 35
6、33NS-MK20 24024 20075 16866 15082火灾温度达到 800 混凝土类型 1天后 7天后 28天后 56天后HS-CC 23396 18001 14992 14123HS-SF10 25170 17476 16439 15689HS-FA30 9049 7130 6104 5410HS-MK20 32501 25169 23261 19309NS-CC 35724 29230 22742 20646NS-FA40 20666 15525 11600 9640NS-MK20 45556 34488 28484 27244ASTM C1202所测得的指标直接反映了混凝土中
7、氯离子扩散系数的变化情况。综上所述,火灾所带来的高温极大的削弱了混凝土结构抵抗氯离子入侵的能力,这样就给处于沿海地区氯离子环境中的混凝土结构的耐久性带来非常不利的影响。3火灾带来的氯离子侵蚀问题众所周知聚氯乙烯树脂材料PVC 以它的廉价性和各种优良的材料特性正越来越广泛的运用在我们的生活中管道、电缆、家具、吊顶、地面、墙饰、容器、包装材料等等。表 3是一般的工业与民用建筑中的 PVC材料的含量 4:表 3 各种功能建筑在火灾发生时的统计 PVC/S 值建筑物使用功能类型 统计的 PVC/S值普通民用建筑 5.4mg/cm2涉及到 PVC材料经营和生产的商业工业建筑54 mg/cm2专门用于 P
8、VC材料经营和生产 270 mg/cm2的商业工业建筑说明:PVC/S:灾中所涉及 PVC 材料的质量与建筑物吸收氯离子的面积(包括墙、屋顶、梁和柱的表面)之比。PVC树脂材料是一种高度含氯的热分解材料(它的氯离子质量百分比含量高达 56.8%) ,它在8090的这样相对低温的情况下就开始分解释放出 HCL强酸性气体,随着温度的升高释放的气体的量也增多,到 300就基本上分解完毕(而火场的中心温度往往在 800以上) 。PVC 材料在高温下的分解的反应方程式表示如下: 22()nCHlHCl 高 温(1)PVC材料还有这样的特点:它的热分解不需要出现火焰,属于高温热分解,而且它的分解可以不依赖
9、氧气,在纯氮气的环境中 PVC材料也可以分解产生 HCL气体。由此可以推测,火灾给 PVC材料的分解挥发提供了一个适宜的环境。在火灾中建筑结构物中的 PVC材料迅速的分解形成大量的含氯离子的酸性烟雾并同时随空气的热运动从火场中央迅速向周围扩散,从而影响周围的结构,分解产物 HCL气体在水的参与下在空气中形成强酸性液滴,并最终在混凝土构件的表面冷却凝结。火灾后的现场检验 7表明,不仅在火场中心,在离火场有一段距离的结构表面虽然没有或者很少受到高温的影响,但是由于受到火场中央溢出的烟雾的侵蚀,在这些构件的表面还是检测到了数量可观的氯离子凝聚。火灾后混凝土本身的弱碱性和构件表面内外氯离子浓度的巨大反
10、差,促使混凝土表面的 HCL快速地渗入混凝土构件表层孔隙液中,从而在混凝土构件的外表层内形成氯离子高度聚集的区域。随着时间的推移,外表面的空隙水蒸发,进一步提高了外表层混凝土中的空隙液中的氯离子浓度,在混凝土内外层的氯离子浓度差的驱动下,高度聚集的氯离子逐渐向构件的内部扩散,最终在到达钢筋表面后开始破坏钢筋的钝化膜,催化了钢筋的锈蚀进程,给混凝土结构的耐久性带来了严重的威胁。同时沿海地区频繁的雨季和潮湿的空气给表层氯离子向里层混凝土扩散提供了高湿度和干湿循环这样非常适宜的环境,使氯离子更快更多的向钢筋周围扩散,进一步加深了火灾后混凝土结构的耐久性隐患。4评估数学模型的建立1)海洋氯离子环境下侵
11、蚀模型:这里采用的评估模型基本和普通氯离子扩散评估模型相同,只是具体参数的意义不同,具体表示如下 8: 0,()(,)1()4(s mclCxxterfmtD其中:erf 为误差函数: dzzerfz)exp(2)(02C :混凝土内部初始氯离子百分比含量;Cs :结构表面氯离子百分比浓度,它对于一个指定的环境是一个恒定的值;Dcl,0 :火灾结束后氯离子在混凝土中的扩散系数(mm 2/mon) ;m :火灾后氯离子在混凝土中的扩散系数的衰减系数;x :为检测点到混凝土构件表面的距离(mm) ;t :为距离火灾结束的时间。2)火灾带来的氯离子侵蚀模型:该模型有一定的特殊性,混凝土构件表层中在火
12、灾后富集氯离子,这部分氯离子在火灾后向混凝土里层扩散,而通常所用的氯离子扩散模型只适合于混凝土表面氯离子恒定补充的扩散类型,文献 9中已经就这方面做出了严格的推导:当 (05)xmktoutCe当 ()x2121() ()01, sinmmt ktntin tCteed 其中: ;20()1DlnKmk;5xl;02(1)mDtlCs :表层混凝土(05mm)中的初始氯离子的平均质量百分比浓度,取决于火灾所涉及的 PVC材料的相对数量;k :混凝土表面层中的流入流出系数(通常取0.05) ;3)核心参数的取值:Dcl,0: 由于目前缺少可以比对的试验数据,只能现场通过氯离子扩散系数快速测定方法
13、获得。m : 同样缺乏试验数据可供查找,但是可以根据表 2的结果回归得到几种常用混凝土材料的 m值,列于表 4:表 4 回归得到几种常用混凝土的 m 值扩散系数衰减系数( m)混凝土种类600 800HS-CC 0.17403 0.12756HS-SF10 0.13650 0.11564HS-FA30 0.21972 0.12479HS-MK20 0.16247 0.11892NS-CC 0.18141 0.13856NS-FA40 0.22689 0.18704NS-MK20 0.11412 0.131214)沿海混凝土火灾后氯离子侵蚀模型:该模型是上面两个模型的综合叠加所得:当 时:05x
14、m(,)(,)(,)Cl outtx当 时(,)(,)(,)l inxttt同时需要考虑沿海地区的环境因素对于火灾后氯离子在混凝土结构内部扩散的加速作用,这种作用主要体现在和外界环境接触的表层混凝土,这里对表层混凝土中的混凝土表面层中的流入流出系数进行调整取:kSK其中 S为调整系数, 。0.1S变化对结果的影响不可忽略:5结论1火灾高温对混凝土中氯离子扩散系数影响很大,使在沿海地区氯离子环境中服役的混凝土建筑物的耐久性寿命大为降低,原先通用的氯离子扩散模型中的各个参数在这种情况下都有了新的含义,这样才可以体现高温对结构耐久性的影响。2现代火灾中涉及大量的 PVC材料,PVC 材料燃烧给混凝土
15、结构带来的氯离子侵蚀问题不可忽视,沿海地区频繁的雨季和潮湿的空气给这种类型氯离子侵蚀创造了非常适宜的条件,因此需要给相应的氯离子扩散模型进行相应的调整,使其符合实际。3.结合以上所述两点,可以发现火灾后的沿海地区的混凝土结构存在非常严重的耐久性问题。4.沿海地区的混凝土结构发生火灾后,仅仅对结构的安全性和适用性进行评估还远远不够,必须在本文推导的模型基础上建立一套合理的耐久性评估方案对其进行全方位的评估。参考文献:1. 董毓利,混凝土结构的火安全设计,科学出版社,20012. 黄玉龙、潘智生、胥亦刚、M.Anson 邢锋,火灾高温对 PFA混凝土强度及耐久性的影响,水泥基复合材料科学与技术会议
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18、in Zeitung 5,314321,19708. 金伟良,赵羽习,混凝土结构的耐久性,科技出版社,20029. 金伟良 张奕 赵羽习,氯离子在火灾后混凝土中的扩散机理,待发表图 1 调 整 系 数 S对 于 结 果 的 影 响02468100 5 10 15Depth/mm%Chlorid (ref.cement weight)S=1.0 S=1.5其他注意事项:1. 中文一律采用宋体(正文)或黑体(标题) ;英文和阿拉伯数字一律采用 Times New Roman(正文中)或 Bold Arial(标题中) 。2. 作者务必按照本样板格式排版,不应改变页面设置、栏目设置、段落格式以及字体与大小。组委会除审查论文的内容,还将审核论文的格式。如论文格式不合要求,将责成作者修改。3. 作者在提交论文摘要时,请注明是否在会议上作口头演讲。组委会将根据此安排会议日程。并请提供责任作者的地址、电话与传真号码和 email 地址,以便于通讯。