CN111689791A - 超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法、结构构件与应用 - Google Patents

超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法、结构构件与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高性能混凝土防高温爆裂方法，主要为通过采用120℃下的高温干热养护机制进行养护，与目前广为采用的高温蒸汽养护、高温热水养护和高温蒸汽压力养护相比，可以完全抑制在火灾高温和高应力作用下超高性能混凝土的爆裂，且能源消耗低，绿色环保。本发明的超高性能混凝土高温爆裂防控方法经过实际火灾试验验证，能够有效避免火灾下超高性能混凝土爆裂的发生，且对超高性能混凝土进一步推广应用具有积极作用。

Description

超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法、结构构件与应用
技术领域
本发明涉及土木建筑技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
超高性能混凝土是一种新型绿色超高性能混凝土材料，通常是由水泥、活性掺合料(如硅灰、粉煤灰、火山灰、矿渣)、细骨料、高效减水剂和纤维等制备而成。
超高性能混凝土具有超高的强度(100～800MPa)、优异的耐久性和杰出的抗震耗能的性能，目前在桥梁、基础设施、大跨度结构和高层建筑物中得到了较为广泛的应用。
火灾是发生频率最高的灾害之一。与普通混凝土相比，超高性能混凝土在火灾高升温速率下极易发生爆裂，如图1所示。超高性能混凝土的内部结构致密，渗透性低，孔隙率低，当遭受外界温度快速上升时，其致密的结构会阻止内部微观孔结构中水蒸气的逸出，导致超高性能混凝土的内部孔洞产生极大的蒸汽压力；同时不均匀的温度场产生一定的热应力。伴随外界温度的进一步迅速升高，混凝土的抗拉强度将不足以抵抗不断增大的蒸汽压力和热应力，发生严重爆裂。爆裂可造成混凝土结构构件的截面尺寸大幅度减小，受力钢筋将直接暴露于火灾高温场中，使得结构构件的力学性能急剧衰减最终坍塌破坏。超高性能混凝土高温下易于爆裂导致其在火灾下的安全性低于普通混凝土，是影响超高性能混凝土广泛应用的关键因素。超高性能混凝土高温爆裂防控成为目前超高性能混凝土亟待解决的关键科学技术问题。
现阶段混凝土高温爆裂的两个主要理论为蒸汽压力理论与热应力理论，发明人通过大量试验发现，对于超高性能混凝土，微观孔洞内的蒸汽压力对高温爆裂起主导作用，为此首次提出了采用高温干热养护方法消除蒸汽压力，采用纤维抵抗较小的热应力，进而对超高性能混凝土高温爆裂进行安全防控。
目前，针对超高性能混凝土高温爆裂防控方法的研究相对较少，多数研究认为通过掺加纤维(如钢纤维、聚丙烯纤维)可以有效抑制爆裂的发生，并通过5～15℃/min升温速率、无应力状态的试块进行验证；在真实的火灾试验中，结构构件处于较高应力状态，升温速率最高可达到60℃/min以上，通过足尺混凝土结构构件火灾试验得出，掺加纤维对超高性能混凝土高温爆裂抑制效果不明显。对于在超高性能混凝土的养护制度方面，目前常规采用蒸汽养护、热水养护或蒸汽压力养护，能耗高且污染环境，且仅适用于预制件厂生产线。
例如：现有技术有先采热水养护，再恒温干热养护超高性能混凝土的方法。但发明人发现：该方法对超高性能混凝土内部蒸汽压力消散作用弱，并且恒定干热养护温度150-300℃对常温力学性能增长不利。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，具体体现在提出一种先进的养护制度，基于蒸汽压力对高温爆裂的主导作用，采用合理的高温干热养护，见图5，可以有效降低含水率，消除蒸汽压力，抑制爆裂现象的发生，且该方法得到的超高性能混凝土材料性能优于常规养护方法。通过实际火灾试验验证，高温干热养护可实现对超高性能混凝土结构火灾高温爆裂的绝对防控。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，包括：
将超高性能混凝土配合料混合均匀，筑模，自然养护，得到超高性能混凝土；
对超高性能混凝土结构构件拆模、高温干热养护，冷却，即得。
本发明提出的能耗较低、环保的高温干热养护，可适用于预制件厂生产线，也可适用于施工现场的超高性能混凝土结构的养护，对超高性能混凝土的火灾高温爆裂可以完全防控。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件。
本发明的高温爆裂防控方法，在实际火灾试验中，在ISO-834升温曲线作用和高应力状态下，混凝土没有出现爆裂，显著提高了超高性能混凝土在火灾高温下的安全性，见图9、图10。
本发明的第三个方面，提供了上述的具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件在桥梁、基础设施、大跨度结构或高层建筑物施工中的应用。
由于本方面制造的超高性能混凝土在火灾高温下的安全性高，因此，有望在桥梁、基础设施、大跨度结构或高层建筑物施工中得到广泛的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的高温爆裂防控方法，在实际火灾试验中，在ISO-834升温曲线作用和高应力状态下，混凝土没有出现爆裂，显著提高了超高性能混凝土在火灾高温下的安全性，见图9、图10。
(2)本发明的高温爆裂防控方法，与目前常规的高温蒸汽养护、高温热水养护、高温蒸汽压力养护相比，能源消耗低，环境污染少，进而此方法可以很好地替代常规蒸汽养护而不造成过多的能源消耗。
(3)本发明的方法简单、成本低、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有的超高性能混凝土高温下的爆裂现象；
图2为本发明实施例1与对比例1～3养护后超高性能混凝土高温爆裂形态对比；
图3为本发明实施例1与对比例1～3养护后超高性能混凝土常温受压破坏形态对比；
图4为本发明实施例1与对比例1～3养护后超高性能混凝土常温抗压强度对比；
图5为本发明的高温干热养护机理；
图6为本发明的高温干热养护箱设备；
图7为本发明方法所展示实施例1的整体流程示意图；
图8为本发明实施例1的高温干热养护制度示意图；
图9为本发明方法实施例1的火灾高温爆裂的防控效果图1；
图10为本发明方法实施例1的火灾高温爆裂的防控效果图2。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，目前常规采用的高温蒸汽养护、高温热水养护和高温蒸汽压力养护能耗高且污染环境，且仅适用于预制件厂生产线。此外其在火灾高温和高应力作用下，会发生严重的爆裂行为。针对上述问题，本申请提出了一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法。
本发明公开了超高性能混凝土火灾高温爆裂防控方法的具体实施方法，见图7，包括以下步骤：
步骤1：准备好配置所需的超高性能混凝土的配合料，包括有：水泥、硅灰、矿渣粉、粉煤灰、细沙、高效减水剂(如聚羧酸高效减水剂)、钢纤维。
步骤2：将干配合料倒入所述大功率搅拌机中干拌5分钟以保证其均匀分布；加入水和高效减水剂拌和3分钟，直至其表现出良好的流动性；将钢纤维均匀地加入到大功率搅拌机中搅拌6分钟后装模；经3天自然养护后拆模。
步骤3：将拆模后的超高性能混凝土置入所述高温干热养护箱，若有多个混凝土结构构件，应注意摆放均匀、分散，尽量使构件外表面充分接触外界环境。
步骤4：超高性能混凝土置于所述高温干热养护箱后，按照本发明提出的养护制度进行高温干热养护，见图8。
具体的，将所述高温干热养护箱的温度调至45℃，并以此温度恒温养护24小时；
进一步的，将所述高温干热养护箱的温度调至以30℃/h的升温速率进行升温，经过2.5小时后，温度从45℃升温至120℃；
进一步的，将所述高温干热养护箱内温度升温至120℃后，并以此温度，继续恒温养护24小时；
步骤5：经过上述高温干热养护后，超高性能混凝土自然冷却，可得到具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件。
研发发现：超高性能混凝土经过梯度升温的高温干热养护后，无需进行热水预养护。若进行热水预养护和恒定高温养护，防高温爆裂性能和常温力学性能反而会大幅度减弱。
一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，包括：
大功率搅拌机：所述大功率搅拌机用于将超高性能混凝土配合料(如水泥、活性掺和料、短细纤维等)拌和均匀以制备超高性能混凝土。
高温干热养护箱：用于在自然养护后，将超高性能混凝土结构构件放入以进行高温干热养护，见图6。
进一步的，将超高性能混凝土配合料通过所述大功率搅拌机进行搅拌，呈现出良好的流动性后，进行筑模，自然养护。
进一步的，将超高性能混凝土结构构件拆模后，置于所述高温干热养护箱内，进行本发明提出的高温干热养护。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种超高性能混凝土火灾高温爆裂防控方法的具体实施方法，见图7，包括以下步骤：
步骤1：准备好配置所需的超高性能混凝土的配合料，包括有：水泥、硅灰、矿渣粉、粉煤灰、细沙、高效减水剂(如聚羧酸高效减水剂)、钢纤维。质量配合比如下，水胶比为0.2，水泥:硅灰:矿渣粉:粉煤灰:细砂:减水剂固含量＝1:0.3:0.2:0.2:1.2:0.04；钢纤维体积掺量为2％。
水泥为山东山水集团生产的P.O52.5硅酸盐水泥；硅灰为潍坊市天诚建材有限公司生产的SiO2含量92.17％的超细硅灰，比表面积24200m2/kg；矿渣粉为山东莱芜矿渣微粉厂生产的S75级矿渣粉，比表面积450m2/kg；粉煤灰为山东华建迪建筑科技有限公司生产的玻璃微珠粉煤灰，比表面积600m2/kg；天然细河砂，细度模数1.92，粒径1.0～3.0mm；钢纤维为保定鑫火钢纤维厂生产的I型平直镀铜钢纤维，长度13mm，等效直径0.22mm；高效减水剂为山东华建迪建筑科技有限公司生产的液态聚羧酸型，含固率40％。胶凝材料的化学组成如表1所示。
表1胶凝材料的化学组成
Figure BDA0002555069570000071
步骤2：将干配合料倒入所述大功率搅拌机中干拌5分钟以保证其均匀分布；加入水和高效减水剂拌和3分钟，直至其表现出良好的流动性；将钢纤维均匀地加入到大功率搅拌机中搅拌6分钟后装模；经3天自然养护后拆模。
步骤3：将拆模后的超高性能混凝土置入所述高温干热养护箱，若有多个混凝土结构构件，应注意摆放均匀、分散，尽量使构件外表面充分接触外界环境。
步骤4：超高性能混凝土置于所述高温干热养护箱后，按照本发明提出的养护制度进行高温干热养护，见图8。
1)将所述高温干热养护箱的温度调至45℃，并以此温度恒温养护24小时；
2)将所述高温干热养护箱的温度调至以30℃/h的升温速率进行升温，经过2.5小时后，温度从45℃升温至120℃；
3)将所述高温干热养护箱内温度升温至120℃后，并以此温度，继续恒温养护24小时；
步骤5：经过上述高温干热养护后，超高性能混凝土自然冷却，可得到具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件，构件经过ISO834标准升温2.5h，受火最高温度1050℃，表面无爆裂，构件保持了体积完整性，如图9和图10所示。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，养护方式为：拆模后90℃热水养护2天+100℃干热养护2天+密封保存至28天。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，养护方式为：拆模后90℃热水养护2天+200℃干热养护2天+密封保存至28天。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，养护方式为：拆模后90℃热水养护2天+300℃干热养护2天+密封保存至28天。
测试结果表明：本发明实施例1与对比例1-3养护的超高性能混凝土试件高温爆裂性能如下图2所示，实施例1养护后的试件在ISO834标准火灾中受火2h，无爆裂，体积保持完好；对比例1-3的试件在ISO834标准火灾中受火2h，爆裂严重，体积不完整。实施例1与对比例1-3养护的超高性能混凝土试件常温力学性能如图3和图4所示。采用本发明实施例1的超高性能混凝土试件受压破坏有超高的强度、优异的延性和耗能能力，如图3中(a)所示，对比例1-3的超高性能混凝土试件破坏呈现明显的脆性，如图3中(b)～(d)所示。采用本发明的超高性能混凝土试件抗压强度在140MPa以上，对比例1-3的养护的超高性能混凝土强度地域120MPa，且随着养护温度升高而大幅度降低，如图4所示。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，包括：
将超高性能混凝土配合料混合均匀，筑模，自然养护，得到超高性能混凝土；
对超高性能混凝土结构构件拆模、高温干热养护，冷却，即得。
2.如权利要求1所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，所述混合采用大功率搅拌机。
3.如权利要求1所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，所述高温干热养护的具体步骤为：
在45℃下，恒温养护24小时；
将温度从45℃匀速升温至120℃；
在120℃下，恒温养护24小时。
4.如权利要求3所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，所述升温速率为30℃/h。
5.如权利要求1所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，超高性能混凝土配合料包括：水泥、活性掺和料、短细纤维。
6.如权利要求5所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，所述短细纤维为钢纤维。
7.如权利要求5所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，所述活性掺和料为硅灰、粉煤灰、火山灰、矿渣中的一种或多种。
8.如权利要求5所述的超高性能混凝土火灾高温爆裂的防控方法，其特征在于，超高性能混凝土配合料还包括：细骨料、高效减水剂。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件。
10.权利要求9所述的具有火灾高温爆裂安全防控性能的超高性能混凝土结构构件在桥梁、基础设施、大跨度结构或高层建筑物施工中的应用。
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