1.3　普通钢筋混凝土的火灾损伤

混凝土是一种优良的耐火结构材料，其耐火性能要比木、钢或其他金属材料优越，因为混凝土结构在火灾中不会像木结构那样燃烧而释放能量，也不会像钢结构那样随火场温度升高而迅速降低强度。混凝土在高温作用下，其自身并不会燃烧释放热量，且其导热性能较差，在高温作用的较短时间内，其内部温度不会骤然升高，强度损失较小，故混凝土结构在火灾中很少发生崩塌性破坏，但这并不意味着混凝土结构具有无限的抗火能力。随着火灾时间的延长及火场温度的增高，混凝土将受到严重损伤、危害。

持续高温（火灾）对混凝土的危害主要表现在降低混凝土的强度、弹性模量、黏结强度等，使混凝土承载力下降，建筑物受到损伤直至倒塌。

1.3.1　火灾对普通混凝土性能的危害与损伤

（1）火灾对混凝土抗压强度的损伤

普通混凝土（NSC）本身的强度、受火温度、火灾持续时间是影响火灾后钢筋混凝土结构力学性能的三个主要因素，而受火温度则是最主要的因素。混凝土强度在温度低于300℃时，损失甚微，有时甚至会稍有提高；在300～400℃之间降低10%～20%；400℃后强度下降很快，受测试件表面开始出现裂缝；600℃左右表面裂缝贯通，构件保护层混凝土的黏结力遭到破坏，强度大幅度下降；800～900℃强度几乎完全丧失。混凝土受火温度、时间与强度的关系如图1-5所示。

由图1-6混凝土抗压强度随温度变化曲线可知，混凝土在低于300℃的情况下，温度升高对强度的影响不大，相当一部分实验结果表明，300℃以前混凝土的抗压强度高于常温混凝土。但是高于300℃时，混凝土抗压强度随温度的上升而明显下降：300～400℃时抗压强度下降10%～20%；400℃以上抗压强度下降加快；600℃时，强度已损失50%以上；800～900℃则抗压强度几乎完全丧失。

实验研究还表明，混凝土的含水率、混凝土中水泥用量、试件尺寸、高温后混凝土的冷却情况及恢复时间对火灾后混凝土强度均有一定的影响：含水率高的混凝土受火灾后剩余强度比含水率低的低，但随混凝土含水率的下降，其对强度影响变得不太敏感；水泥用量多的混凝土比水泥用量少的混凝土受火灾后，强度降低较多；恒温时间相同的条件下，与大尺寸试件相比，小尺寸试件混凝土内部易达到最高温度，内部恒温时间长，损伤大，一般高温后剩余强度低；高温后快冷造成了试件的内外有很大温差，加重了混凝土内部结构损伤，使高温后混凝土强度比慢冷的低；恒温时间长比恒温时间短的混凝土剩余强度低，高温后混凝土随恢复时间的延续，强度一般先下降后恢复，较低温度作用后混凝土强度恢复快，较高温度作用后则恢复慢。不同骨料和不同强度等级的混凝土试件高温后的对比实验表明，混凝土强度等级变化时，高温后其抗压强度比变化不大，但骨料品种对抗压强度比有显著影响，硅质骨料混凝土的抗压强度比要低于碳酸质骨料混凝土。高温后混凝土的塑性增加，弹性模量与强度间不再遵从常温下的关系式，有关文献对实验结果进行了统计分析，建立了简洁实用的公式。

欧洲混凝土协会总结归纳各国的实验结果，推荐下式计算高温下混凝土的抗压强度：

　　（1-12）

式中，T为混凝土的受火温度；f_cu、f_cu（T）为常温时，温度T作用下混凝土立方体的抗压强度。

高温后混凝土强度与温度之间的关系式如下：

　　（1-13）

式中，T为混凝土的受火温度；f_c、f_cr（T）为常温时，温度T作用后混凝土立方体的抗压强度。

根据四川消防科研所试验结果，混凝土高温后强度折减系数K_c可按表1-2取值。

（2）火灾对混凝土抗拉强度的损伤

抗拉强度是混凝土在正常使用阶段的重要性能指标之一，其值高低直接影响构件的开裂、变形和钢筋锈蚀等性能。混凝土在火灾高温作用下，抗拉强度降低比抗压强度下降多10%～15%，这是因为混凝土中水泥石的微裂纹扩展造成的结果。这种情况对钢筋混凝土楼板受拉面的损伤、危害极大，必须引起高度重视。

图1-7给出了混凝土抗拉强度随温度上升而下降的实测曲线。图中纵坐标为高温抗拉强度与常温抗拉强度的比值，横坐标为温度值。试验结果表明，混凝土抗拉强度在50～600℃之间的下降规律基本上可用一条直线表示，当温度达到600℃时，混凝土的抗拉强度为零。

（3）火灾对混凝土的弹性模量的损伤

随着温度的升高，混凝土内凝胶与结晶体脱水，结构松弛、孔隙增多、变形增加，导致混凝土弹性模量下降。高温下和高温后混凝土弹性模量的降低幅度要大于相应的抗压强度。高温后混凝土弹性模量总体上比高温下要低。图1-8是高温下温度对混凝土弹性模量的影响。通过试验分别建立了高温下和高温后混凝土弹性模量的计算模型。

混凝土弹性模量随温度变化的关系式为：

　　（1-14）

式中，T为混凝土的受火温度；E_c为常温下混凝土试件的弹性模量；E_c（T）为不同温度时混凝土试件的弹性模量。

高温后混凝土弹性模量与温度之间的关系式为：

　　（1-15）

式中，T为混凝土受火温度；E_c、E_cr（T）为常温时，温度T作用后混凝土的弹性模量。

随着温度的不断升高，混凝土弹性模量逐渐下降，刚度不断降低。经高温作用冷却后的混凝土，其弹性模量比高温时要小。根据四川消防科学研究所试验结果，混凝土高温后强度折减系数K_cE可按表1-3取值。

不同骨料和不同强度等级的混凝土试件高温后的对比试验表明，混凝土强度等级对高温后的弹性模量比影响不大，但骨料品种对弹性模量比有显著影响，硅质骨料混凝土的弹性模量比要低于碳酸质骨料混凝土。

（4）火灾损伤混凝土的应力-应变曲线

混凝土在高温作用时和冷却后其一次加荷下的应力-应变曲线和常温下相似。由于混凝土弹性模量和强度的降低，只是使曲线应力峰值降低，因此温度升高，曲线更为平缓。对于受热冷却后的混凝土，这种现象更为明显。图1-9（a）、图1-9（b）分别显示了高温时及高温冷却后混凝土的应力-应变曲线。通过试验建立了高温时和高温后混凝土应力-应变关系的模型。通过明火试验也提出了高温后混凝土应力-应变关系的模型。

高温下混凝土应力-应变关系的模型为式（1-16a）。式中，σ、ε为应力、应变；ε₀、ε₀（T）为常温时，温度T作用下混凝土峰值应力所对应的峰值应变。ε₀（T）按式（1-16b）计算：

　　（1-16a ）

　　（1-16b）

高温后混凝土应力-应变关系按式（1-17a）计算：

　　（1-17a）

式中，σ、ε为应力、应变；ε_0r、ε_0r（T）为常温时和温度T作用后混凝土峰值应力所对应的峰值应变。ε_0r（T）按式（1-17b）计算：

　　（1-17b）

1.3.2　火灾对钢筋力学性能的影响

钢筋混凝土结构在火灾高温作用下，其承载力与钢筋强度关系极大。国内外对各类钢筋、钢丝等的试验研究表明，钢材在高温时的强度大大低于高温后的强度。因此，构件在火灾时的承载力计算与火灾后的损伤评估和修复加固计算时，钢筋强度的取用不可混为一谈。

钢筋的屈服应变随温度升高的影响不大，高于500℃时，稍有降低，幅度很小；其屈服强度随温度升高呈下降趋势，小于200℃时不明显，高于200℃时，强度开始下降，非预应力钢筋在550～600℃时，强度下降50%左右，预应力钢筋在高温下，强度下降比非预应力钢筋要快，在400℃左右时，其强度损失达50%。在高温冷却后，再加载的钢筋抗拉试验，其σ_s、σ_b与常温下基本相同。

当钢筋埋入混凝土中加热时，受混凝土保护层（20mm厚）的包裹和约束，减慢了强度的变化。而冷却方式对20MnSi的强度影响较大，空冷和水冷下的强度都比炉冷时高。对冷拔高强钢丝来说，空冷与水冷下的强度比炉冷下虽有所提高，但幅度不大。因此，若以裸露加热和炉冷条件评估钢筋高温作用后的性能，则更安全。

随温度升高，钢筋的σ-ε曲线、弹性模量变化趋势与强度下降趋势基本相似，但弹性模量下降幅度较小，延伸率变化幅度不大；冷却方式对弹性模量影响很小。

（1）钢筋的强度

钢筋混凝土结构在火灾温度作用下，其承载力与钢筋强度关系极大。因此，国内外对各类钢筋、钢丝、钢铰线都进行了较为系统的试验研究。结果表明，钢材在热态时的强度大大低于先加温后冷却到室温时测定的强度。

钢材的屈服强度随温度升高呈下降趋势，小于200℃时不明显，高于200℃时，强度开始下降。非预应力钢筋在550～600℃时，强度下降50%左右，预应力钢筋在高温下，强度下降比非预应力钢筋要快，在400℃左右时，其强度损失达50%。

试验表明，钢筋受高温作用后冷却到室温时强度有较大幅度恢复。根据CIBW₁₄（国际建筑科研与文献委员会第十四分委员会）得出的结论如图1-10所示，计算时可直接查用。对于热轧钢筋和冷加工钢筋，图中数据表示屈服强度比，对于预应力钢筋则表示极限抗拉强度比。

由图1-10可知，普通热轧钢筋在600℃以前，屈服强度没有降低；600℃以后，呈线性降低。预应力钢筋在300℃以后，强度降低较快，600℃时降低50%。冷加工钢筋在420℃以前，屈服强度没有降低；420℃以后线性降低。

高温后热轧钢筋屈服强度随温度变化的关系式为式（1-18）：

　　（1-18）

式中，T为钢筋受火温度；f_yr为常温下钢筋试件的屈服强度；f_yr（T）为不同温度作用后钢筋试件的屈服强度。

高温后冷拔碳素钢丝的屈服强度σ_0.2随温度变化的关系式为：

　　（1-19）

式中，T为钢丝受火温度；σ_0.2为常温下冷拔碳素钢丝的屈服强度；为不同温度作用后冷拔碳素钢丝的屈服强度。

高温后钢筋极限抗拉强度的下降趋势与屈服强度相似，只是剩余强度比值稍高，同时冷加工钢丝的强度下降幅度明显大于热轧钢筋。图1-11和图1-12分别为高温后钢筋屈服强度和极限抗拉强度与温度的关系。

高温后热轧钢筋极限抗拉强度随温度变化的关系式为式（1-20）：

　　（1-20）

高温后冷加工钢丝极限抗拉强度随温度变化的关系式为式（1-21）：

　　（1-21）

式（1-20）和式（1-21）中，T为钢筋受火温度；f_u为常温下钢筋试件的极限抗拉强度；f_ur（T）为不同温度作用后钢筋试件的极限抗拉强度。

（2）钢筋的弹性模量

钢材的弹性模量随温度升高而逐渐下降，其下降趋势较缓慢，与钢筋种类和级别关系不大。高温后热轧钢筋与冷加工钢丝的弹性模量下降趋势基本一致，如图1-13所示。冷却方式对钢材弹性模量的影响较小，空冷与水冷下的弹性模量虽都比炉冷时高，但幅度不大。下面的方程是针对炉冷条件给出的。

高温后热轧钢筋的弹性模量随温度变化的关系式为式（1-22）：

　　（1-22）

高温后热轧钢筋与冷加工钢丝的弹性模量的关系式为式（1-23）：

　　（1-23）

式（1-22）和式（1-23）中，T为钢筋受火温度；E_s为常温下钢筋试件的弹性模量；E_sr（T）为不同温度作用后钢筋试件的弹性模量。

四川消防科研所的研究表明，钢筋在遭受火灾高温冷却后弹性模量无明显变化，可取常温时的值。综合多方研究成果表明，当T<500℃时，这种近似带来的误差较小，一般在10%以内；而当T>500℃后，误差随温度升高逐渐增大，近似取常温时的值就显粗糙。通过式（1-22）或式（1-23）计算取值比较准确。

（3）钢筋的应力-应变曲线

在不同温度下进行钢材拉伸试验，就可以作出不同温度下的应力-应变曲线图。图1-14是低碳结构钢在各种温度下的应力-应变曲线，温度T≤200℃时的σ-ε曲线中，可看到存在明显的屈服点，而且有一段较平稳的屈服阶段。300～700℃时，已没有明显的屈服阶段，类似硬钢的σ-ε曲线，钢材强度随温度升高而急剧下降。图1-15表示冷拔处理钢材在各种温度下的σ-ε曲线。冷拔钢筋强度高（可提高40%～60%），但塑性低，广泛用于预应力钢筋混凝土中，从图中可以看出冷拔钢筋的高温强度损失大于非冷拔钢筋的强度损失。

温度T≥200℃后，各种钢筋的屈服应变随温度的变化不规则，但差别不大，钢筋的屈服应变可近似取为常值。各强度等级钢筋的高温（T≥200℃）极限应变值都随温度的升高而减小，至T约为600℃时达最小值40×10^-3（Ⅰ级）或20×10^-3（Ⅱ～Ⅴ级）。钢筋的高温极限应变值较大，实际结构火灾时很少能达到。

当钢筋受热温度T≤500℃时，冷却后其σ-ε曲线和常温相同；当受热温度T>500℃时，屈服平台消失，如图1-16中虚线所示。

1.3.3　火灾对钢筋与混凝土黏结力（强度）的影响

钢筋与混凝土的黏结力，主要是指混凝土凝结硬化时将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力、钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合力及钢筋与混凝土接触表面的相互胶结力等。钢筋与混凝土的黏结性能是钢筋混凝土中钢筋和混凝土共同工作的基础。

由于混凝土在高温时和高温后强度下降，必然引起钢筋与混凝土间黏结强度的损伤。黏结强度的变化主要取决于温度、钢筋种类等。随温度增高，黏结强度呈连续下降趋势；螺纹钢筋的黏结强度比光圆钢筋的黏结强度大得多，如图1-17所示。试验表明，光圆钢筋在100℃时，黏结力降低约25%；200℃时，降低约45%；250℃时，降低约60%；而在450℃时，黏结力几乎完全消失。但非光圆钢筋在450℃时才降低45%，700℃时降低80%。原因在于光圆钢筋与混凝土之间的黏结力主要取决于其摩擦力与胶结力。在高温作用下，混凝土中水分排出，出现干缩的微裂缝，使混凝土抗拉强度急剧降低，导致二者的摩擦力和胶结力迅速降低；而非光圆钢筋与混凝土的黏结力，主要取决于钢筋表面突出的肋与混凝土的机械咬合力，在250℃以下时，由于混凝土抗压强度的增加，二者之间的咬合力降低较小；温度高于600℃时，不仅混凝土凝胶体发生破坏，而且其中的粗骨料也发生显著破坏，引起混凝土抗拉强度急剧下降，从而使黏结力明显下降。

当加载火烧后的钢筋混凝土梁受火温度达600℃以上时，混凝土保护层与钢筋之间的黏结力遭到破坏，纵向钢筋的梢栓作用亦减少，从而导致梁斜截面破坏，梁总挠度大大增加，不能满足使用要求。对于一面受火的钢筋混凝土板来说，随着温度的升高，钢筋由荷载引起的徐变不断加大，350℃以上时更加明显。徐变加大，使钢筋截面减小，构件中部挠度加大，受火面混凝土裂缝加宽，使受力主筋直接受火作用，承载能力降低，甚至导致钢筋混凝土完全失去承载力而破坏。其他混凝土与钢筋黏结力变化规律更复杂些，但超过450℃，黏结力均会下降。

不同温度下钢筋与混凝土黏结力降低系数见表1-4。

高温冷却后的钢筋混凝土，其黏结性能比高温下的黏结性能还要差一些，且不再回升。

通过试验建立的高温下和高温后钢筋和混凝土之间黏结强度的关系式为式（1-24）：

　　（1-24）

式中，T为钢筋受火温度；τ₀为常温下钢筋试件的黏结强度；τ₀（T）为温度T作用后钢筋试件的黏结强度；A、B为系数，取值见表1-5。

混凝土高温冷却后变形钢筋与混凝土之间的黏结强度的计算公式为式（1-25）：

　　（1-25a）

　　　　　　　　　　（1-25b）

式中，τ为钢筋与混凝土的极限黏结应力，MPa；c/d为保护层厚度与钢筋直径的比值；T为所经受的最高温度，℃；f_cu为混凝土的标准立方体强度，MPa；f_cut为T温度下的混凝土标准立方体强度，MPa。

通过上述关系式可估算不同厚度保护层、不同温度作用后变形钢筋与混凝土之间的黏结强度。

1.3.4　普通钢筋混凝土火灾损伤机理

混凝土材料在火灾高温作用下受到损伤的根本原因在于发生了一系列的物理化学变化：诸如水泥石的相变、裂纹增多、结构疏松多孔，水泥石-骨料界面开裂、脱节等，因此火灾后混凝土的损伤特征为由表层向内部逐渐疏松、开裂，损伤缺陷多为裂缝。不同的受火温度、持续时间，将造成不同深度和程度的损伤状况，严重时混凝土保护层剥落，表面混凝土爆裂明显，混凝土纵、横、斜裂缝产生得多而密，钢筋与混凝土黏结力破坏。

（1）普通混凝土（C10～C50）火灾损伤机理

对火灾混凝土损伤机理的探索研究是材料学的研究范畴，混凝土的火灾损伤机理有以下三个方面：

①混凝土表面受火处温度升高比内部快得多，内外温差引起混凝土开裂；

②水泥石受热分解，使胶体的黏结力被破坏；

③粗骨料和水泥石间的热不相容，导致应力集中和微裂缝的开展。

普通混凝土受高温灼烧会发生以下一系列物理化学变化，导致其损伤，损伤过程描述如下：

①混凝土中各种水分的逃逸　混凝土中各种水分包括化学结合水、物理化学结合水、游离水等汽化逸出，破坏混凝土微结构，降低混凝土强度。

水泥石随温度升高脱水收缩，其变化如图1-19所示。

②混凝土中水泥石的破坏　混凝土是多相复合材料，水泥石对混凝土性能起着决定性作用。高温下，首先是水泥石中的水化产物发生急剧变化，水化产物脱水分解使水泥石内部裂纹增多，结构变得疏松多孔，水泥石强度下降。

普通水泥石的差热分析表明，120℃左右水化硅酸钙（C-S-H）等水化物脱水；63℃钙矾石（AFt）脱水；495℃氢氧化钙（CH）脱水；780℃左右则是CaCO₃的分解。

另外，水化产物和未水化矿物在高温下热变形不协调所造成的开裂也有影响。

③骨料与水泥石界面受损　经受高温后的混凝土强度损失要比水泥石严重，因为由多种材料组成的混凝土内部结构要比水泥石复杂。常温混凝土中C-S-H凝胶的网状结构密实，CH与AFt等晶型完整，界面结构密实、连接结点多、孔隙较少；但温度升到200～300℃后，水化产物开始脱水，晶型严重变形，并出现孔隙，特别是由于水泥石与粗骨料的热变形不相容，形成大量界面裂缝，严重削弱了界面黏结力；400℃后，这种变化将随温度的升高而逐渐加剧。图1-18和图1-19分别给出了几种骨料及水泥石经600℃高温和冷却过程的变形比较，由图可知，水泥石在升温及冷却过程中均为收缩变形，而硅质、钙质等骨料为膨胀变形，因此，混凝土在经受火灾过程中水泥石-骨料界面及表面的开裂导致强度降低，特别是温度高于450～500℃时更为明显。图1-20是各种骨料混凝土随温度变化的线性膨胀。此外，CH脱水形成的CaO会吸收空气中水分而产生体积膨胀，更加剧了混凝土内部结构的破坏，使混凝土强度显著下降。

扫描电镜观察混凝土显微结构可以发现，常温下混凝土与火烧后混凝土完全不同，在低于300℃时水泥石基本无变化；400℃时开始有所变化，但不太明显；500℃时水泥石整体结构已有些破碎；700℃时氢氧化钙结构已很松散，C-S-H凝胶结构已极不完整，表面有许多裂缝和孔洞；温度达900℃后，水泥石中已看不到水泥水化产物，只剩下CaO残渣。水泥石与骨料的界面在500℃后产生裂缝；700℃后裂缝扩大，骨料破坏严重；900℃后骨料与水泥石完全脱节。

（2）钢筋火灾损伤机理

钢筋经高温作用，由于内部发生了相变，其σ_s、σ_b、E、σ-ε曲线均发生了一定的变化，加热与冷却方式不同也影响其相变与物理力学性能。以常见的热轧钢筋AJ₃F和20MnSi、冷拔低碳钢丝和冷拔高强钢丝为例，前两种热轧钢筋的σ_s、σ_b均在600℃以上下降幅度加大。其原因是：一方面，高于600℃后，珠光体中的渗碳体被球化，随温度升高，球化加速，得到的球化组织越粗越软，强度就越低；另一方面，在600℃以上的高温作用下，钢筋表面脱碳形成脱碳层，含碳量下降，珠光体减少使强度降低。而后两种冷拔钢丝的σ_s、σ_b均在400℃以上迅速下降，原因主要是在400℃以上的高温作用下，产生了恢复和再结晶作用，逐渐恢复到冷加工前的状态，导致强度降低。此外，随温度继续升高，也同样存在渗碳体的球化及表面的脱碳现象，使强度进一步降低。

当钢筋埋入混凝土中加热时，受混凝土保护层（20mm厚）的包裹和约束，表面氧化脱碳的程度远比裸露钢筋小得多，加之钢筋的热膨胀比混凝土大得多，高温作用下，钢筋将受到混凝土保护层较大的压应力。经测定，600℃下热应力可达152MPa，700℃时高达160MPa，在压应力作用下，钢筋内部金相组织与晶体结构的变化将受到一定的抑制，因而，减慢了强度的变化。而冷却方式对20MnSi的强度影响较大，空冷和水冷下的强度都比炉冷时高，这是由于700℃以上的空冷相当于一个正火过程，钢筋中出现索氏体，故强度有所提高，对冷拔高强钢丝来说，空冷与水冷下的强度比炉冷下虽有所提高，但幅度不大，可能是钢丝已经过拔制与回火处理，又加上含碳量较高（1.01%），性能脆之故。因此，若以裸露加热和炉冷条件评估钢筋高温作用后的性能，则更安全。