混凝土防火中的應(yīng)用

1、利用混凝土判定火場(chǎng)溫度技術(shù)武警學(xué)院消防工程系 胡曄摘要：本文詳細(xì)介紹了根據(jù)混凝土外觀、強(qiáng)度和化學(xué)成分的變化判定火場(chǎng)溫度，火勢(shì)蔓延方向，判定起火部位，認(rèn)定起火原因的技術(shù)。關(guān)鍵詞：混凝土；外觀；強(qiáng)度；中性化深度；二氧化碳含量；游離氧化鈣隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類建筑的增多，建筑火災(zāi)也越發(fā)頻繁。有些火災(zāi)因發(fā)現(xiàn)晚、報(bào)警遲、撲救不及時(shí)以及自動(dòng)滅火系統(tǒng)失靈或火災(zāi)載荷特別大等原因?qū)е氯紵土?，撲救人員難以進(jìn)入火場(chǎng)，有效撲救難以展開(kāi)，往往造成火場(chǎng)燒損嚴(yán)重。加之滅火作戰(zhàn)中的破拆、水浸、搶救人員和財(cái)物等原因使火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重破壞，常見(jiàn)的有重要證明作用的痕跡物證大部分毀滅，給火災(zāi)調(diào)查帶來(lái)極大困難。為順利展開(kāi)火災(zāi)調(diào)查，就要

2、尋找那些不易被徹底破壞而有一定證明作用的痕跡物證，如木炭、混凝土構(gòu)件、金屬等。通過(guò)對(duì)這些物證進(jìn)行分析鑒定，發(fā)現(xiàn)它們的特征及證明作用，以此為依據(jù)分析判斷火勢(shì)蔓延方向，確定起火部位，認(rèn)定火災(zāi)原因。建筑火災(zāi)中嚴(yán)重?zé)龤У幕馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：1燃燒范圍廣，可燃物徹底燒毀火災(zāi)嚴(yán)重?zé)龤КF(xiàn)場(chǎng)，往往將建筑物的整個(gè)著火區(qū)域的所有可燃物徹底燒毀，造成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重?zé)龤Вo火災(zāi)調(diào)查工作帶來(lái)極大困難。2燃燒時(shí)間長(zhǎng)，建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)區(qū)載荷特別大，加之發(fā)現(xiàn)晚，報(bào)警遲等原因，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)溫度特別高，金屬和混凝土建筑構(gòu)件在火災(zāi)中變形、斷裂或倒塌，甚至將金屬、玻璃、陶瓷等熔化，將可燃物幾乎全部燒盡。3火場(chǎng)

3、遭受多次破壞，現(xiàn)場(chǎng)變化大由于火燒、滅火作戰(zhàn)和火場(chǎng)破拆等原因，造成現(xiàn)場(chǎng)遭受多次破壞，嚴(yán)重破壞了原始現(xiàn)場(chǎng)的面貌。4原始痕跡物證大部分毀滅，現(xiàn)場(chǎng)勘查難度大由于常見(jiàn)的可用于證明火勢(shì)蔓延路線、起火點(diǎn)和火災(zāi)原因的痕跡物證(如燒損、煙熏、炭化、灰化、倒塌、火源殘?bào)w、最初著火物質(zhì)等痕跡物證)絕大部分遭到嚴(yán)重破壞，這就大大增加了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查的難度。因此，對(duì)于嚴(yán)重?zé)龤У幕馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查時(shí)，就不能按照常規(guī)的勘查方法去尋找一般火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中常見(jiàn)的痕跡物證，而要尋找火災(zāi)中不易被破壞且證明作用強(qiáng)的那些痕跡物證，通過(guò)鑒定發(fā)現(xiàn)它們的特征及證明作用，并以此為依據(jù)進(jìn)一步分析火勢(shì)蔓延方向、確定起火點(diǎn)。目前，我國(guó)建筑主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

4、。建筑火災(zāi)發(fā)生之后，混凝土的表面會(huì)形成開(kāi)裂、起鼓、脫落、露筋、熔結(jié)、彎曲和折斷等物理變化和化學(xué)組成的變化，這些變化是混凝土在火場(chǎng)中受熱溫度高低和作用時(shí)間長(zhǎng)短的具體反映。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中，可以根據(jù)火場(chǎng)混凝土的物理性質(zhì)和化學(xué)組成的變化程度去判斷火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中不同部位的溫度。根據(jù)不同部位的溫度進(jìn)而判斷火勢(shì)傳播的方向和路線，最終查明起火點(diǎn)和起火原因。一、混凝土的構(gòu)成混凝土是由水泥、粗細(xì)骨料(碎石或卵石及硅質(zhì)砂)和水混合而形成的一種人造石材，為了增大混凝土的抗拉強(qiáng)度，加入鋼筋形成鋼筋混凝土?；炷?、鋼筋混凝土和水泥砂漿飾面之間只是骨料有所不同，其凝結(jié)過(guò)程和在火場(chǎng)中被燒后發(fā)生的物理、化學(xué)變化是相同的，這種凝結(jié)

5、過(guò)程和在火場(chǎng)中的變化都是凝膠材料水泥在起作用。水泥是以硅酸鈣為主要成分，加以適量的石膏磨細(xì)而成。我國(guó)的水泥按原料的來(lái)源不同可分為普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)，水泥的性質(zhì)和它的礦物組成之間存在著一定的關(guān)系。水泥的硬化過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的、復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，硬化后水泥成分主要包括凝膠體(水化二硅酸三鈣)、晶體(氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣)及未水化的水泥顆粒、游離水、氣孔等。二、根據(jù)混凝土外觀和強(qiáng)度變化判定火場(chǎng)溫度1溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度和外觀的影響100150時(shí)，混凝土通過(guò)自蒸作用失去自由水，導(dǎo)致Ca(OH)2晶體進(jìn)一步結(jié)晶，未水化的進(jìn)一步水化，使混凝土硬而致密，強(qiáng)度增加。160

6、370?；炷潦ニ杷徕}所吸附的物理水和水化鋁酸鈣中的水，使混凝土收縮。400600，Ca(OH)2晶體失水引起晶體破壞，使混凝土強(qiáng)度大大下降。因此，混凝土受熱溫度低于300，溫度升高對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不大，甚至使強(qiáng)度增強(qiáng)；受熱溫度高于300，混凝土的脫水收縮超過(guò)熱膨脹，混凝土體積縮小，而砂子、石子等骨料受熱時(shí)不斷膨脹。兩者相反作用的結(jié)果，使混凝土發(fā)生龜裂，強(qiáng)度下降；400600，由于Ca(OH)2晶體失水，發(fā)生晶體破壞，使混凝土失去骨架，并且骨料中的石英在560由低溫型相變?yōu)楦邷匦停w積突然膨脹，使混凝土裂縫變大，強(qiáng)度急劇下降。普通混凝土都經(jīng)不起600高溫長(zhǎng)時(shí)間作用，通常把600稱為混凝土

7、破壞性溫度。700900混凝土中的CaCO3發(fā)生分解，使混凝土粉化，強(qiáng)度喪失殆盡。2根據(jù)混凝土外觀變化判定火場(chǎng)溫度用普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊，模擬實(shí)際火災(zāi)升溫曲線對(duì)試塊進(jìn)行灼燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1 混凝土外觀變化與溫度的關(guān)系加熱時(shí)間（min）最高溫度（C）普通水泥（P）礦渣水泥（K）火山灰水泥（H）顏色外形變化顏色外形變化顏色外形變化不加熱15淺灰無(wú)深灰無(wú)淺粉紅無(wú)10658微紅無(wú)紅無(wú)紅無(wú)20761粉紅無(wú)粉無(wú)粉紅無(wú)30822灰紅無(wú)深灰白無(wú)橙無(wú)40-60925灰白黃表面有裂紋，放置不粉化，角有脫落灰白與普通水泥相同灰紅白與普通水泥相同70-80968

8、淺黃白裂紋加大，放置時(shí)角脫落淺黃與普通水泥相同淺黃與普通水泥相同90以上1000以上淺黃粉化，各面脫落淺黃與普通水泥相同淺黃與普通水泥相同試驗(yàn)表明：三種水泥制成的混凝土試塊受熱后顏色都會(huì)發(fā)生改變。三種水泥顏色變化規(guī)律與加熱時(shí)間的關(guān)系大體是相同的，都是隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)、溫度的升高，顏色由紅粉紅灰淺黃這條規(guī)律變化。 試驗(yàn)還表明：混凝土在不受外力作用下，當(dāng)加熱時(shí)間不足50 min(溫度低于898)，試塊外形基本完好，只有四角稍有脫落；當(dāng)加熱時(shí)間持續(xù)到60 min(溫度925)，邊角開(kāi)始粉化脫落；70 min(溫度948)，混凝土各面開(kāi)始粉化；80 min(溫度968)，表面的粉化深度58 mm；9

9、0 min(溫度986)，表面粉化深度810 mm；100 min(溫度1002)，表面粉化深度1012 mm；120 min(溫度1029)，表面粉化深度1215mm。從混凝土表面裂紋大小也可以看到被燒溫度的變化。用礦渣水泥的混凝土試塊進(jìn)行恒溫灼燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2可以看出：在恒溫加熱條件下混凝土表面顏色的變化規(guī)律與升溫條件下基本相同，隨著溫度升高而由紅粉紅灰淺黃變化；混凝土顏色的變化只與加熱溫度有關(guān)，而與加熱時(shí)間關(guān)系不大；混凝土外形變化從700開(kāi)始現(xiàn)象明顯，隨著溫度升高變化越來(lái)越大。當(dāng)在9001000下加熱，由于溫度達(dá)到800以上時(shí)，骨料開(kāi)始分解，混凝土外形基本破壞而粉化?；炷?/p>

10、土加熱到破壞溫度后，恒溫加熱時(shí)間越長(zhǎng)，破壞越大。如果達(dá)不到破壞溫度，盡管恒溫加熱時(shí)間很長(zhǎng)，也不能使混凝土破壞。表2 礦渣水泥混凝土顏色、外形變化與加熱溫度、時(shí)間的關(guān)系溫度()時(shí)間(min)顏色外形變化情況50030紅無(wú)變化60紅無(wú)變化90紅無(wú)變化60030粉紅無(wú)變化60粉紅無(wú)變化90粉紅無(wú)變化70030粉紅偏灰無(wú)變化60粉紅偏灰無(wú)變化90粉紅偏灰角有少量脫落80030粉紅偏灰無(wú)變化邊開(kāi)始有少量脫落60粉紅偏灰無(wú)變化邊脫落90粉紅偏灰無(wú)變化面局部有少量脫落90030灰白全部裂開(kāi)并有部分脫落60灰白面大部分脫落90灰白面全部脫落100030淺黃面全部脫落60淺黃面全部脫落并部分粉化90淺黃面全部脫

11、落并粉化3根據(jù)混凝土表面強(qiáng)度變化判定火場(chǎng)溫度 混凝土隨著受熱溫度的升高，其強(qiáng)度將不斷降低。如果受熱時(shí)間比較短，溫度比較低時(shí)，外形還未發(fā)生變化，眼睛無(wú)法看出各部位受熱溫度的差別及強(qiáng)度的變化。但當(dāng)混凝土受熱溫度不同時(shí)，其表面硬度會(huì)發(fā)生變化，這種變化可以借助儀器測(cè)量出來(lái)。(1)測(cè)定回彈值回彈儀檢測(cè)作為一種非破損檢測(cè)技術(shù)，在常溫下可以用來(lái)評(píng)定混凝土的質(zhì)量?；馂?zāi)中混凝土受高溫作用后，其微觀結(jié)構(gòu)受到了損害，表面硬度發(fā)生了變化。由于各部位在實(shí)際火場(chǎng)中受熱溫度不同，各部位也相應(yīng)地表現(xiàn)出不同程度的損傷，因而各部位的回彈值也相應(yīng)地發(fā)生變化。用回彈儀檢測(cè)混凝土構(gòu)件表面硬度，可以定性地判斷燒損程度，判定其受熱溫度和受

12、熱時(shí)間?；炷帘砻婊貜椫蹬c受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表3。表3 混凝土表面回彈值與受熱溫度和時(shí)間的關(guān)系溫度()時(shí)間(min)回彈值回彈值降低率(%)05 15556 2221.5 2010 15658 25236015 15719 21.517.7 18020 15761 24.414.3 42025 15795 218.3 60.5030 15845 29.39.3 68.1035 1584522.36.0 71.3040 1586524.52.0 91.8050 15895 250 100從表3可以看出，隨著加熱持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)、溫度的升高，回彈值越來(lái)越小，回彈值降低率越來(lái)越大。在加熱510 m

13、in(556658)時(shí)混凝土表面硬度變化不大；加熱到50 min(898)以上時(shí)，混凝土表面已嚴(yán)重粉化，回彈值為零?；饒?chǎng)勘查人員可以根據(jù)混凝土回彈儀測(cè)定被燒混凝土表面的回彈值，判斷混凝土被燒溫度的高低。(2)用超聲波檢測(cè)判別遭受火災(zāi)作用的混凝土建筑構(gòu)件，由于火災(zāi)所產(chǎn)生的短時(shí)間高溫，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多細(xì)微裂縫，對(duì)超聲波在其內(nèi)部的傳播速度影響很大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，超聲波脈沖的傳播速度隨混凝土被燒溫度的升高而降低(見(jiàn)圖1)。因此可以根據(jù)超聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度的改變定性地說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)某部位的燒損程度，進(jìn)而說(shuō)明該部位的受熱溫度的高低，以此判斷火勢(shì)蔓延方向和起火部位。圖1 混凝土超聲波脈沖速度與溫度

14、的關(guān)系三、根據(jù)混凝土化學(xué)成分的變化判定火場(chǎng)溫度當(dāng)混凝土被加熱時(shí)，會(huì)發(fā)生如下變化：Ca(OH)2CaO+2OCaCO3CaO+CO2反應(yīng)生成物數(shù)量隨受熱溫度升高和時(shí)間增長(zhǎng)而增加，因此，可通過(guò)測(cè)量其質(zhì)量變化值判斷混凝土火燒部位溫度的高低。1測(cè)定中性化深度混凝土中由于存在Ca(OH)2和少量NaOH、KOH，因而硬化后的混凝土呈堿性，pH為1213?；炷两?jīng)火災(zāi)作用后，堿性的Ca(OH)2發(fā)生分解，放出水蒸氣，留下中性的CaO。CaO遇無(wú)水乙醇的酚酞溶液不顯色，而Ca(OH)2則顯紅色。因此，可以用1%酚酞的無(wú)水乙醇溶液噴于破損的混凝土表面，測(cè)定不顯紅色部分的深度，即中性化深度。實(shí)驗(yàn)研究表明，混凝土

15、中性化深度隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而加深(見(jiàn)表4)。現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)可直接在混凝土構(gòu)件表面鑿取小塊，將小塊放入1%酚酞的無(wú)水乙醇溶液中，測(cè)定混凝土中性化深度。通過(guò)測(cè)定不同部位混凝土構(gòu)件的中性化深度，查表得出受熱溫度和持續(xù)時(shí)間。根據(jù)溫度分布分析火勢(shì)蔓延方向，進(jìn)而分析判定起火部位。2測(cè)定炭化層中CO2含量混凝土在水化凝結(jié)過(guò)程中會(huì)生成大量Ca(OH)2，當(dāng)混凝土長(zhǎng)期在空氣中自然放置時(shí)，表面層中的Ca(OH)2就會(huì)吸收空氣中的CO2形成CaCO3，通常把這種過(guò)程叫做混凝土的炭化作用，所形成的CaCO3層叫炭化層(一般厚度為23 mm左右)。炭化作用的速度隨空氣中CO2濃度的增大而加快。一般炭化層中

16、CO2含量在20%左右。試驗(yàn)表明，當(dāng)混凝土受熱溫度達(dá)550時(shí)，CaCO3開(kāi)始分解，但分解速度很緩慢，隨著混凝土受熱溫度的升高，其分解速度迅速增加。當(dāng)達(dá)到898時(shí)，分解出的CO2分壓可達(dá)到1個(gè)大氣壓。因此，898稱為CaCO3的分解溫度。如果加熱溫度繼續(xù)提高，仍會(huì)加劇CaCO3分解速度，混凝土炭化層中CO2含量將隨加熱溫度的升高而降低。所以可在現(xiàn)場(chǎng)勘查中鑿取混凝土炭化層試樣，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB218-83碳酸鹽中二氧化碳測(cè)定方法測(cè)定二氧化碳的含量，通過(guò)查表推算出燃燒時(shí)間和火燒溫度(見(jiàn)表5)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度分布，分析判斷火勢(shì)蔓延方向和起火部位。表4 礦渣水泥混凝土中性化深度與受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系受熱溫

17、度()受熱時(shí)間(min)中性化深度(mm)受熱溫度()受熱時(shí)間(min)中性化深度(mm)5003045800301112604.5660121390579013156003067900301215607860粉化9091090粉化700307910003012146081160粉化9091290粉化表5 普通水泥混凝土炭化層中CO2含量與受熱溫度、時(shí)間的關(guān)系加熱時(shí)間(min)最高溫度()CO2含量(%)2076116.13082213.9539017.3609256.0759752.9889832.3939911.63測(cè)定混凝土炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)含量游離氧化鈣(f-CaO)是指

18、水泥熟料鍛燒過(guò)程中未被硅酸二鈣完全吸收的CaO，該項(xiàng)指標(biāo)一般作為水泥廠的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，含量在1%以下，如果過(guò)高則影響水泥質(zhì)量?；馂?zāi)中混凝土炭化層中的游離氧化鈣(f-CaO)會(huì)隨被燒溫度發(fā)生變化(見(jiàn)表6)由表6可知：火場(chǎng)溫度在761925(時(shí)間2060min)范圍內(nèi)，由于正好在CaCO3分解溫度范圍內(nèi)，溫度升高，游離氧化鈣(f-CaO)含量升高；當(dāng)溫度升至9001000時(shí)，硅酸二鈣吸收氧化鈣變成硅酸三鈣，此時(shí)游離氧化鈣含量隨溫度升高而降低。因此，在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)鑿取混凝土炭化層試樣，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB178-86水泥化學(xué)分析方法中氧化鈣測(cè)定方法測(cè)定氧化鈣的含量，查表推算出燃燒時(shí)間和火燒溫度(見(jiàn)表6)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度分布，分析判斷火勢(shì)蔓延方向和起火部位。表6 火災(zāi)中混凝土炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)的含量隨溫度的變化時(shí)間(min)溫度()f-CaO(H)f-CaO(K)f-CaO(P)207610.750.402.14308221.001.311.64539071.661.