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【摘 要】搜集了国内外高性能砼材料试验结果，通过试验资料分析得出在砼中掺和某些化学物质可以在高性能砼中形成许多微裂缝，能够防止其构件在火灾中发生爆裂反应，进而使其抗火性能与普通砼结构相同。
【关键词】高性能砼（HPC）；爆裂；微裂缝
0.引言
高性能砼广泛应用于实际工程。由于缺乏高温下材料性能的实验资料，特别是由于高性能砼的密度高，在火灾下作用爆裂可能引起严重问题，导致材料强度早期损坏甚至坍塌，使得必须具有一定抗火要求的高性能砼结构的应用受到了严重的限制。因此，对高性能砼的高温下的耐火研究是非常必要的。这里就其爆裂行为进行研究。
1.高温下高性能砼的爆裂
与火接触的砼表面温度在几分钟内就能达到100℃以上，砼表面保护层的强热流和快速升温大大加速了蒸气的形成。大量实验观察表明，由于低渗透性在加热阶段不会发生蒸气的快速流失。根据水的热动力学，孔中压力增加可能导致表面保护层的爆炸性破坏。而开裂层的断裂面通常位于构件表面以下一到几个厘米。爆裂敏感度主要由以下因素决定：升温速率、骨料的矿物组、热致机械应力、钢筋布置等，特别是砼基本的湿度与密实度。
为了更好地理解爆裂反应，应注意砼受热过程中发生的一系列反应。首先物理吸附水，在某种程度上也是化学吸附水从凝胶孔壁脱附，结晶水也从骨料中逸出。这些水蒸发并在浓度所决定的蒸气压梯度驱动下，试图逸出毛线管，在高密实度实际上没有毛线孔的水泥浆体（这是制备高性能砼的基本条件）中，水不能足够快地逸出，结果产生几乎达到饱和蒸气压时的水蒸气分压，在300℃，大约8MPa，而在350℃，大约为17MPa，抗张强度仅为5MPa的高性能砼基本是不能抗御如此高的内部压力的。为排除这种爆裂反应，关键是要产生孔洞。在蒸气压力达到临界值前让水蒸气从此排出。高性能砼要求水灰比小于0.4，使水泥凝胶不能形成毛细孔，因此毛细孔必须另外形成。例如，添加纤状的化学物质，它们或是在砼硬化后分解，或是火灾时挥发。
1.1爆裂行为的理论分析
按照Waubke和Schneider的观点，需要一定孔径长度及方向（通向表面）的孔来排放水蒸气，以限制快速蒸气流动所产生的拉力，在火焰作用下，这种拉力在部件内20-40mm圆深处达到极大值，这种孔隙或毛细孔可由所加入的纤维在高性能混凝土硬化后或在火焰作用下挥发而形成。
在每1m3混凝土中加入4kg纤维，Steenken计算了这种毛细孔系统的数据，计算时基于下列假设：①水泥用量500kg/m3；②水泥浆体密度2.3kg/dm3；③在基体中纤维是理想分布的。按照菲克定理应用下列方程：
dm=Dq··dt
式中dm——在浓度梯度方向逸出蒸气的量；
——浓度梯度；
g——横截面积；
t——时间；
D——扩散系统。
由添加的纤维气化形成的毛细孔系数参数。
可以比较两个毛细孔系数，结果显示，薄毛细孔的气体传输量比厚的毛细孔系统高83倍，对于扩散流也得到同样结果，即薄毛细孔系统比厚毛细孔系统高83倍。这是基于在水扩散进毛细孔时相当短的扩散长度及很大的表面积。按照表1所示的孔径12um和100um关系的例子，相对于100um的毛细孔比12um的毛细孔使开口数量增加了78.5倍。这表明薄毛细孔系统中短扩散长度的优点被薄毛细孔系统中传输量小的缺点所掩盖。
按照两个相互矛盾的因素，一方面是短扩散长度和大表面积；一方面是质量传输量减少可在其它要求的基础上，例如配合比设计与工作性能等，选择最优纤维直径和长度。
1.2材料性能
在前人研究的框架内（如Diederichs和Jumppamentl）尝试有特别的具有“自干燥”作用的拌合物，以达到由于缺乏可蒸发水，使爆炸反应不能发生的程度。但是20个不同的拌合.物试验显示，即使用极端的配合比，仍有足够的水分放出（在20-200℃温度范围内达总水量的80%），使试样在300%～350%湿度区域内加热时发生爆裂。
对含有形成毛细孔的纤维拌合物进行研究发现，所有由纤维砼土制备的试件在受热过程中均未发生爆裂，试样可被加热至强度极限已达到的温度，在250处，观察到很大的蒸发速率，这种高蒸发速率首先发生在素砼试件中，常伴有爆裂或较大裂纹发生。
另外，承载力柱和非承载力柱实验也进一步表明：压应力越高，爆裂造成的破坏越严重。
2.砼爆裂行为的防止
通过对国内外的实验研究，对于如何防止高性能砼的爆裂有如下几点建议：
（1）加入纤维改善耐火性。
（2）在60℃把砼构件预干三周，经过这种预处理的试件在耐火试验时可以改善耐火性能，但仍然不免开裂。
（3）在承载力钢筋之上附加钢丝网，防止钢丝网下的混凝土因起裂而大量剥落。
（4）加低熔点纤维。最近的耐火试验表明，一种直径为0.1mm，长度为12cm的特殊纤维（LMF-BAGRAT）的耐火效果具有良好的前景。
（5）设想在构件表面覆盖一层牺牲层，以确保耐火性，但是迄今为止，在此领域还来有最后结论，还有待于研究和讨论。
3.结论
高性能砼构件和结构暴露于水中，由于外部材料密实引起的内部水汽压力而产生严重爆裂，由于砼保护层提前损失而导致钢筋较早屈服。加上承载砼横断面的减少，这些构件可能坍塌。高性能砼的爆裂这种有害的性能限制了高性能砼在建筑结构的应用。上述我们所讨论的预防措施可以使高性能砼构件的耐火性能和其它普通砼一样。因此，高性能砼可应用于各种建筑而不受限制。
【关键词】高性能砼（HPC）；爆裂；微裂缝
0.引言
高性能砼广泛应用于实际工程。由于缺乏高温下材料性能的实验资料，特别是由于高性能砼的密度高，在火灾下作用爆裂可能引起严重问题，导致材料强度早期损坏甚至坍塌，使得必须具有一定抗火要求的高性能砼结构的应用受到了严重的限制。因此，对高性能砼的高温下的耐火研究是非常必要的。这里就其爆裂行为进行研究。
1.高温下高性能砼的爆裂
与火接触的砼表面温度在几分钟内就能达到100℃以上，砼表面保护层的强热流和快速升温大大加速了蒸气的形成。大量实验观察表明，由于低渗透性在加热阶段不会发生蒸气的快速流失。根据水的热动力学，孔中压力增加可能导致表面保护层的爆炸性破坏。而开裂层的断裂面通常位于构件表面以下一到几个厘米。爆裂敏感度主要由以下因素决定：升温速率、骨料的矿物组、热致机械应力、钢筋布置等，特别是砼基本的湿度与密实度。
为了更好地理解爆裂反应，应注意砼受热过程中发生的一系列反应。首先物理吸附水，在某种程度上也是化学吸附水从凝胶孔壁脱附，结晶水也从骨料中逸出。这些水蒸发并在浓度所决定的蒸气压梯度驱动下，试图逸出毛线管，在高密实度实际上没有毛线孔的水泥浆体（这是制备高性能砼的基本条件）中，水不能足够快地逸出，结果产生几乎达到饱和蒸气压时的水蒸气分压，在300℃，大约8MPa，而在350℃，大约为17MPa，抗张强度仅为5MPa的高性能砼基本是不能抗御如此高的内部压力的。为排除这种爆裂反应，关键是要产生孔洞。在蒸气压力达到临界值前让水蒸气从此排出。高性能砼要求水灰比小于0.4，使水泥凝胶不能形成毛细孔，因此毛细孔必须另外形成。例如，添加纤状的化学物质，它们或是在砼硬化后分解，或是火灾时挥发。
1.1爆裂行为的理论分析
按照Waubke和Schneider的观点，需要一定孔径长度及方向（通向表面）的孔来排放水蒸气，以限制快速蒸气流动所产生的拉力，在火焰作用下，这种拉力在部件内20-40mm圆深处达到极大值，这种孔隙或毛细孔可由所加入的纤维在高性能混凝土硬化后或在火焰作用下挥发而形成。
在每1m3混凝土中加入4kg纤维，Steenken计算了这种毛细孔系统的数据，计算时基于下列假设：①水泥用量500kg/m3；②水泥浆体密度2.3kg/dm3；③在基体中纤维是理想分布的。按照菲克定理应用下列方程：
dm=Dq··dt
式中dm——在浓度梯度方向逸出蒸气的量；
——浓度梯度；
g——横截面积；
t——时间；
D——扩散系统。
由添加的纤维气化形成的毛细孔系数参数。
可以比较两个毛细孔系数，结果显示，薄毛细孔的气体传输量比厚的毛细孔系统高83倍，对于扩散流也得到同样结果，即薄毛细孔系统比厚毛细孔系统高83倍。这是基于在水扩散进毛细孔时相当短的扩散长度及很大的表面积。按照表1所示的孔径12um和100um关系的例子，相对于100um的毛细孔比12um的毛细孔使开口数量增加了78.5倍。这表明薄毛细孔系统中短扩散长度的优点被薄毛细孔系统中传输量小的缺点所掩盖。
按照两个相互矛盾的因素，一方面是短扩散长度和大表面积；一方面是质量传输量减少可在其它要求的基础上，例如配合比设计与工作性能等，选择最优纤维直径和长度。
1.2材料性能
在前人研究的框架内（如Diederichs和Jumppamentl）尝试有特别的具有“自干燥”作用的拌合物，以达到由于缺乏可蒸发水，使爆炸反应不能发生的程度。但是20个不同的拌合.物试验显示，即使用极端的配合比，仍有足够的水分放出（在20-200℃温度范围内达总水量的80%），使试样在300%～350%湿度区域内加热时发生爆裂。
对含有形成毛细孔的纤维拌合物进行研究发现，所有由纤维砼土制备的试件在受热过程中均未发生爆裂，试样可被加热至强度极限已达到的温度，在250处，观察到很大的蒸发速率，这种高蒸发速率首先发生在素砼试件中，常伴有爆裂或较大裂纹发生。
另外，承载力柱和非承载力柱实验也进一步表明：压应力越高，爆裂造成的破坏越严重。
2.砼爆裂行为的防止
通过对国内外的实验研究，对于如何防止高性能砼的爆裂有如下几点建议：
（1）加入纤维改善耐火性。
（2）在60℃把砼构件预干三周，经过这种预处理的试件在耐火试验时可以改善耐火性能，但仍然不免开裂。
（3）在承载力钢筋之上附加钢丝网，防止钢丝网下的混凝土因起裂而大量剥落。
（4）加低熔点纤维。最近的耐火试验表明，一种直径为0.1mm，长度为12cm的特殊纤维（LMF-BAGRAT）的耐火效果具有良好的前景。
（5）设想在构件表面覆盖一层牺牲层，以确保耐火性，但是迄今为止，在此领域还来有最后结论，还有待于研究和讨论。
3.结论
高性能砼构件和结构暴露于水中，由于外部材料密实引起的内部水汽压力而产生严重爆裂，由于砼保护层提前损失而导致钢筋较早屈服。加上承载砼横断面的减少，这些构件可能坍塌。高性能砼的爆裂这种有害的性能限制了高性能砼在建筑结构的应用。上述我们所讨论的预防措施可以使高性能砼构件的耐火性能和其它普通砼一样。因此，高性能砼可应用于各种建筑而不受限制。