混凝土防火中的应用

利用混凝土判定火场温度技术武警学院消防工程系胡晔摘要：本文详细介绍了根据混凝土外观、强度和化学成分的变化判定火场温度，火势蔓延方向，判定起火部位，认定起火原因的技术。关键词：混凝土；外观；强度；中性化深度；二氧化碳含量；游离氧化钙随着我国经济的发展，各类建筑的增多，建筑火灾也越发频繁。有些火灾因发现晚、报警迟、扑救不及时以及自动灭火系统失灵或火灾载荷特别大等原因导致燃烧猛烈，扑救人员难以进入火场，有效扑救难以展开，往往造成火场烧损严重。加之灭火作战中的破拆、水浸、抢救人员和财物等原因使火灾现场严重破坏，常见的有重要证明作用的痕迹物证大部分毁灭，给火灾调查带来极大困难。为顺利展开火灾调查，就要寻找那些不易被彻底破坏而有一定证明作用的痕迹物证，如木炭、混凝土构件、金属等。通过对这些物证进行分析鉴定，发现它们的特征及证明作用，以此为依据分析判断火势蔓延方向，确定起火部位，认定火灾原因。建筑火灾中严重烧毁的火灾现场具有以下特点：1燃烧范围广，可燃物彻底烧毁火灾严重烧毁现场，往往将建筑物的整个着火区域的所有可燃物彻底烧毁，造成火灾现场严重烧毁，给火灾调查工作带来极大困难。2燃烧时间长，建筑结构破坏严重由于火灾现场火灾区载荷特别大，加之发现晚，报警迟等原因，火灾持续时间长，现场温度特别高，金属和混凝土建筑构件在火灾中变形、断裂或倒塌，甚至将金属、玻璃、陶瓷等熔化，将可燃物几乎全部烧尽。3火场遭受多次破坏，现场变化大由于火烧、灭火作战和火场破拆等原因，造成现场遭受多次破坏，严重破坏了原始现场的面貌。4原始痕迹物证大部分毁灭，现场勘查难度大由于常见的可用于证明火势蔓延路线、起火点和火灾原因的痕迹物证(如烧损、烟熏、炭化、灰化、倒塌、火源残体、最初着火物质等痕迹物证)绝大部分遭到严重破坏，这就大大增加了火灾现场勘查的难度。因此，对于严重烧毁的火灾现场进行勘查时，就不能按照常规的勘查方法去寻找一般火灾现场中常见的痕迹物证，而要寻找火灾中不易被破坏且证明作用强的那些痕迹物证，通过鉴定发现它们的特征及证明作用，并以此为依据进一步分析火势蔓延方向、确定起火点。目前，我国建筑主要是钢筋混凝土结构。建筑火灾发生之后，混凝土的表面会形成开裂、起鼓、脱落、露筋、熔结、弯曲和折断等物理变化和化学组成的变化，这些变化是混凝土在火场中受热温度高低和作用时间长短的具体反映。在火灾现场勘查中，可以根据火场混凝土的物理性质和化学组成的变化程度去判断火灾现场中不同部位的温度。根据不同部位的温度进而判断火势传播的方向和路线，最终查明起火点和起火原因。一、混凝土的构成混凝土是由水泥、粗细骨料(碎石或卵石及硅质砂)和水混合而形成的一种人造石材，为了增大混凝土的抗拉强度，加入钢筋形成钢筋混凝土。混凝土、钢筋混凝土和水泥砂浆饰面之间只是骨料有所不同，其凝结过程和在火场中被烧后发生的物理、化学变化是相同的，这种凝结过程和在火场中的变化都是凝胶材料水泥在起作用。水泥是以硅酸钙为主要成分，加以适量的石膏磨细而成。我国的水泥按原料的来源不同可分为普通水泥(P)、矿渣水泥(K)、火山灰水泥(H)，水泥的性质和它的矿物组成之间存在着一定的关系。水泥的硬化过程是一个连续的、复杂的物理化学过程，硬化后水泥成分主要包括凝胶体(水化二硅酸三钙)、晶体(氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙)及未水化的水泥颗粒、游离水、气孔等。二、根据混凝土外观和强度变化判定火场温度1温度对混凝土强度和外观的影响100～150℃时，混凝土通过自蒸作用失去自由水，导致Ca(OH)2晶体进一步结晶，未水化的进一步水化，使混凝土硬而致密，强度增加。160～370℃。混凝土失去水化硅酸钙所吸附的物理水和水化铝酸钙中的水，使混凝土收缩。400～600℃，Ca(OH)2晶体失水引起晶体破坏，使混凝土强度大大下降。因此，混凝土受热温度低于300℃，温度升高对混凝土强度影响不大，甚至使强度增强；受热温度高于300℃，混凝土的脱水收缩超过热膨胀，混凝土体积缩小，而砂子、石子等骨料受热时不断膨胀。两者相反作用的结果，使混凝土发生龟裂，强度下降；400～600℃，由于Ca(OH)2晶体失水，发生晶体破坏，使混凝土失去骨架，并且骨料中的石英在560℃由低温型相变为高温型，体积突然膨胀，使混凝土裂缝变大，强度急剧下降。普通混凝土都经不起600℃高温长时间作用，通常把600℃称为混凝土破坏性温度。700～900℃混凝土中的CaCO3发生分解，使混凝土粉化，强度丧失殆尽。2根据混凝土外观变化判定火场温度用普通水泥(P)、矿渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成标准混凝土试块，模拟实际火灾升温曲线对试块进行灼烧试验，试验结果见表1。表1混凝土外观变化与温度的关系加热时间（min）最高温度（C）普通水泥（P）矿渣水泥（K）火山灰水泥（H）颜色外形变化颜色外形变化颜色外形变化不加热15浅灰无深灰无浅粉红无10658微红无红无红无20761粉红无粉无粉红无30822灰红无深灰白无橙无40-60925灰白黄表面有裂纹，放置不粉化，角有脱落灰白与普通水泥相同灰红白与普通水泥相同70-80968浅黄白裂纹加大，放置时角脱落浅黄与普通水泥相同浅黄与普通水泥相同90以上1000以上浅黄粉化，各面脱落浅黄与普通水泥相同浅黄与普通水泥相同试验表明：三种水泥制成的混凝土试块受热后颜色都会发生改变。三种水泥颜色变化规律与加热时间的关系大体是相同的，都是随着加热时间的增长、温度的升高，颜色由红→粉红→灰→浅黄这条规律变化。试验还表明：混凝土在不受外力作用下，当加热时间不足50min(温度低于898℃)，试块外形基本完好，只有四角稍有脱落；当加热时间持续到60min(温度925℃)，边角开始粉化脱落；70min(温度948℃)，混凝土各面开始粉化；80min(温度968℃)，表面的粉化深度5～8mm；90min(温度986℃)，表面粉化深度8～10mm；100min(温度1002℃)，表面粉化深度10～12mm；120min(温度1029℃)，表面粉化深度12～15mm。从混凝土表面裂纹大小也可以看到被烧温度的变化。用矿渣水泥的混凝土试块进行恒温灼烧试验，试验结果见表2。由表2可以看出：在恒温加热条件下混凝土表面颜色的变化规律与升温条件下基本相同，随着温度升高而由红→粉红→灰→浅黄变化；混凝土颜色的变化只与加热温度有关，而与加热时间关系不大；混凝土外形变化从700℃开始现象明显，随着温度升高变化越来越大。当在900～1000℃下加热，由于温度达到800℃以上时，骨料开始分解，混凝土外形基本破坏而粉化。混凝土加热到破坏温度后，恒温加热时间越长，破坏越大。如果达不到破坏温度，尽管恒温加热时间很长，也不能使混凝土破坏。表2矿渣水泥混凝土颜色、外形变化与加热温度、时间的关系温度(℃)时间(min)颜色外形变化情况50030红无变化60红无变化90红无变化60030粉红无变化60粉红无变化90粉红无变化70030粉红偏灰无变化60粉红偏灰无变化90粉红偏灰角有少量脱落80030粉红偏灰无变化边开始有少量脱落60粉红偏灰无变化边脱落90粉红偏灰无变化面局部有少量脱落90030灰白全部裂开并有部分脱落60灰白面大部分脱落90灰白面全部脱落100030浅黄面全部脱落60浅黄面全部脱落并部分粉化90浅黄面全部脱落并粉化3根据混凝土表面强度变化判定火场温度混凝土随着受热温度的升高，其强度将不断降低。如果受热时间比较短，温度比较低时，外形还未发生变化，眼睛无法看出各部位受热温度的差别及强度的变化。但当混凝土受热温度不同时，其表面硬度会发生变化，这种变化可以借助仪器测量出来。(1)测定回弹值回弹仪检测作为一种非破损检测技术，在常温下可以用来评定混凝土的质量。火灾中混凝土受高温作用后，其微观结构受到了损害，表面硬度发生了变化。由于各部位在实际火场中受热温度不同，各部位也相应地表现出不同程度的损伤，因而各部位的回弹值也相应地发生变化。用回弹仪检测混凝土构件表面硬度，可以定性地判断烧损程度，判定其受热温度和受热时间。混凝土表面回弹值与受热温度、时间的关系见表3。表3混凝土表面回弹值与受热温度和时间的关系温度(℃)时间(min)回弹值回弹值降低率(%)05155562221.5201015658252360151571921.517.7180201576124.414.34202515795218.360.50301584529.39.368.10351584522.36.071.30401586524.52.091.805015895250100从表3可以看出，随着加热持续时间的增长、温度的升高，回弹值越来越小，回弹值降低率越来越大。在加热5～10min(556～658℃)时混凝土表面硬度变化不大；加热到50min(898℃)以上时，混凝土表面已严重粉化，回弹值为零。火场勘查人员可以根据混凝土回弹仪测定被烧混凝土表面的回弹值，判断混凝土被烧温度的高低。(2)用超声波检测判别遭受火灾作用的混凝土建筑构件，由于火灾所产生的短时间高温，使混凝土内部出现许多细微裂缝，对超声波在其内部的传播速度影响很大。根据实验证明，超声波脉冲的传播速度随混凝土被烧温度的升高而降低(见图1)。因此可以根据超声波在混凝土内部传播速度的改变定性地说明混凝土结构某部位的烧损程度，进而说明该部位的受热温度的高低，以此判断火势蔓延方向和起火部位。图1混凝土超声波脉冲速度与温度的关系三、根据混凝土化学成分的变化判定火场温度当混凝土被加热时，会发生如下变化：Ca(OH)2→CaO+Ｈ2OCaCO3→CaO+CO2反应生成物数量随受热温度升高和时间增长而增加，因此，可通过测量其质量变化值判断混凝土火烧部位温度的高低。1测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碱性，pH为12～13。混凝土经火灾作用后，碱性的Ca(OH)2发生分解，放出水蒸气，留下中性的CaO。CaO遇无水乙醇的酚酞溶液不显色，而Ca(OH)2则显红色。因此，可以用1%酚酞的无水乙醇溶液喷于破损的混凝土表面，测定不显红色部分的深度，即中性化深度。实验研究表明，混凝土中性化深度随着加热温度的升高和加热时间的增长而加深(见表4)。现场勘查时可直接在混凝土构件表面凿取小块，将小块放入1%酚酞的无水乙醇溶液中，测定混凝土中性化深度。通过测定不同部位混凝土构件的中性化深度，查表得出受热温度和持续时间。根据温度分布分析火势蔓延方向，进而分析判定起火部位。2测定炭化层中CO2含量混凝土在水化凝结过程中会生成大量Ca(OH)2，当混凝土长期在空气中自然放置时，表面层中的Ca(OH)2就会吸收空气中的CO2形成CaCO3，通常把这种过程叫做混凝土的炭化作用，所形成的CaCO3层叫炭化层(一般厚度为2～3mm左右)。炭化作用的速度随空气中CO2浓度的增大而加快。一般炭化层中CO2含量在20%左右。试验表明，当混凝土受热温度达550℃时，CaCO3开始分解，但分解速度很缓慢，随着混凝土受热温度的升高，其分解速度迅速增加。当达到898℃时，分解出的CO2分压可达到1个大气压。因此，898℃称为CaCO3的分解温度。如果加热温度继续提高，仍会加剧CaCO3分解速度，混凝土炭化层中CO2含量将随加热温度的升高而降低。所以可在现场勘查中凿取混凝土炭化层试样，采用国家标准GB218-83碳酸盐中二氧化碳测定方法测定二氧化碳的含量，通过查表推算出燃烧时间和火烧温度(见表5)。根据现场温度分布，分析判断火势蔓延方向和起火部位。表4矿渣水泥混凝土中性化深度与受热温度、时间的关系受热温度(℃)受热时间(min)中性化深度(mm)受热温度(℃)受热时间(min)中性化深度(mm)500304～58003011～12604.5～66012～13905～79013～15600306～79003012～15607～860粉化909～1090粉化700307～910003012～14608～1160粉化909～1290粉化表5普通水泥混凝土炭化层中CO2含量与受热温度、时间的关系