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摘要：本文根据实际案例分析，分析了持续高温对混凝土构件的影响以及混凝土构件被破坏的机理，提出对高温环境下的混凝土构件保护的具体措施。
关键词：高温混凝土构件破坏机制防治
TU756
一、案例说明
1、鉴定起因
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉厂房屋面梁、板出现露筋、钢筋锈蚀、局部板脱落等现象后，该公司申请我中心进行房屋安全鉴定。
2、房屋概况
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉厂房，建于1995年，为二层框架结构，框架主梁截面尺寸为350×1200mm、次梁截面尺寸为250×500mm，钢筋砼现浇板楼、屋盖，钢筋砼现浇楼面、屋面板厚度均为100mm，板内配有间距为100mm，直径为10mm的光圆钢筋网片，梁、板为同期浇注，刚性防水平屋面。建筑面积约为240m2。该厂房无正规设计、监理及质量监督。厂房屋面结构层梁、柱相对位置关系示意图详见下图：
3、现场情况调查
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉自1995年投入使用至今，每月除一日停炉检修、维护以外，其余均在生产运营中。冲天炉上部炉口距屋面板及洞口边梁距离为1500mm，屋面板及洞口边梁长期处于温度在300～350℃的火焰熏烧，并承受约2×2.5t的炉重。
4、现场检测
a、4～5×E～F轴屋面现浇板板底混凝土酥裂严重，露筋达90％以上，其中板跨中部变形、损坏尤其严重，局部结构已脱落。
b、冲天炉洞口周边边梁梁芯砼酥裂，纵向主筋锈蚀、膨胀严重，结构构件已丧失承载能力。
c、3～5×D～E轴屋面现浇板底混凝土酥裂、剥落严重，露筋达60％以上，钢筋截面尺寸因锈蚀而大面积削弱，最薄处约2.2mm，部分板底钢筋已锈蚀断裂，变形、损坏程度板跨中部大于其余部位。
d、E×4～5轴梁砼表面呈灰黄色，梁体砼酥裂严重，纵向主筋锈蚀、膨胀严重，结构构件已基本丧失承载能力；D×4～5轴梁体侧面在箍筋位置裂有多条竖向缝，其中一条缝宽为0.24mm。
e、C×4～5轴、B×4～5轴、B×3～4轴、C×3～4轴梁侧均裂有斜缝，裂缝部位均集中在距主梁500mm范围处，裂缝形式为倒八字形，裂缝宽度在0.05mm ～0.16mm之间。
ｆ、靠近冲天炉的屋面现浇板板底出现不同程度的保护层剥落、露筋、钢筋锈蚀等现象，且该现象以冲天炉屋面洞口为核心，呈星形辐射状分布。经检测，板保护层厚度在8～10mm之间，梁、板砼碳化深度均大于6mm。
二、持续高温下混凝土构件损坏机理分析
1、热传导系数、热膨胀系数、热容及质量密度等因数是影响持续高温下混凝土构件力学性能的主要因素，其中热容及质量密度相对热传导系数、热膨胀系数来说，其重要性相对较弱，如对质量密度，由于混凝土构件在加温过程中水分的蒸发，混凝土的质量密度在受热过程中有所降低。但总的来说所占比例较小，在实际计算时，都把混凝土的质量密度看作常数，而有些文献则把熱容和质量密度合在一起考虑。在此，我们重点分析热传导系数和热膨胀系数对混凝土构件性能的影响。
a、热传导系数
热传导系数是指单位温度梯度下，通过单位面积等温度的热流速度，单位为W/（m·OC）。混凝土构件热传导系数主要受骨料种类、含水量、混凝土配合比等因数的影响。将本案例中温度T=300℃代入混凝土和钢筋热传导系数公式中进行计算：
λ0=a+b×T/120+c×(T/120)20 OC≤T≤1200 OC
λ=-0.0329T+54.7
求得混凝土构件热传导系数λ0=1.43W/（m·OC）
钢筋热传导系数λ=37.13W/（m·OC）
b、热膨胀系数
热膨胀系数是指温度升高1度时物体单位长度的伸长量，单位为1/ OC。将本案例中温度T=300℃代入混凝土和钢筋热膨胀系数公式中进行计算:
ａ0=a×10-4+bT×10-6+cT2×10-1120 OC≤T≤800 OC
ａs=1.5×10-5T
求得混凝土构件热膨胀系数ａ0=2.52×10-3/OC
钢筋热膨胀系数ａs=4.5×10-3/OC
由以上所求得的结果可知，在相同的温度条件下，混凝土与钢筋的热传导系数、热膨胀系数均相差较大。不同的热传导系数和热膨胀系数降低了混凝土与钢筋的粘结强度，对构件的裂缝、变形和承载能力造成影响。
2、高温下钢筋混凝土抗压强度及抗拉强度降低的机理是：随温度的不断升高，水分蒸发形成空隙，水泥水化生成的氢氧化钙脱水，体积膨胀促使裂缝扩展，骨料和砂浆的膨胀系数不等，产生较大的内应力，加上未水化的水泥颗粒和骨料中的石英成分形成晶体，内部骨料形成裂缝等原因，使强度下降。由于升温过程中水分的蒸发，内部微裂缝的形成，高温下混凝土的抗拉强度比抗压强度损失要大。
钢筋砼构件损坏（失效）的基本过程为在持续高温（热传导系数、热膨胀系数等因数）及有害气体影响下→钢筋混凝土构件出现变形和裂缝→钢筋锈蚀膨胀→裂缝扩展→钢筋锈蚀程度加重，有效截面削弱过大，承载力显著下降→最终构件失效、破坏。并且构件受热面的一侧材料膨胀变形大，而非受热面一侧材料的膨胀变形小，这种不均匀膨胀变形加速了承载力下降速度。在本案例中，因现浇板钢筋保护层厚度不足，进一步加快了钢筋的锈蚀速度。
本案例现场检测中构件损坏程度，裂缝形式、钢筋锈蚀情况基本以冲天炉屋面洞口（热源）为核心，呈环形放射状分布，随距离增加，损坏程度逐步减弱，该现象与理论计算分析基本相符。
三、防治与处理
根据对厂房现场的检查及检测，采用相应的计算软件对不符合安全使用要求的砼构件进行加固处理计算，具体处理措施如下所示：
1、原3～5×E～F轴天棚板拆除后重新现浇。
2、原3～5×E～F轴冲天炉洞口南北两侧次梁拆除后重新现浇。
3、3～5×E～F轴天棚板板底沿板短方向粘贴200g宽100＠500mm碳纤维进行加固处理。
4、3～5×B轴、3～5×C轴梁采用底部粘贴一层200g宽250mm碳纤维进行加固处理。
5、3～5×D轴梁采用底部粘贴二层200g宽250mm碳纤维进行加固处理。
6、3～5×F轴梁采用底部粘贴二层200g宽250mm碳纤维、侧面采用粘贴U型200g宽100＠300mm碳纤维进行加固处理。
7、3×A～F轴、4×A～F轴、5×A～F轴梁均采用增大截面法后再粘贴碳纤维进行加固处理。
8、砼构件均在表面涂刷防火、耐高温涂料。
三、结论与启示
1、根据相关文献，构件在短时高温（火灾）550～800℃作用下，混凝土颜色为以灰白色为主呈浅黄色，而根据我们现场所检查到的温度在300～350℃持续高温作用下混凝土颜色也以灰白色为主呈浅黄色，即在相对较低温度持续影响下与短时高温（550～800℃）影响下混凝土表面颜色基本相似。
2、高温下的受弯构件，除了承受正常荷载引起的弯距之外，还有一个温度产生的附加弯距，这两者的共同作用使受弯构件承受弯距的能力大为降低。
3、在本案例中对受损构件进行维修加固后，并在后期使用过程中加强结构防护，注重跟踪观测，经过将近半年的观测使用，砼构件完好无损。
4、在以后的该类房屋设计中，可适当加大冲天炉上部炉口与结构构件的间距，并采用耐高温材料，消除或减弱持续高温对钢筋砼结构构件的影响。
参考文献
[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
[2]《建筑工程事故分析与处理》江见鲸、龚晓南、王元清、崔京浩编著中国建筑工业出版社
关键词：高温混凝土构件破坏机制防治
TU756
一、案例说明
1、鉴定起因
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉厂房屋面梁、板出现露筋、钢筋锈蚀、局部板脱落等现象后，该公司申请我中心进行房屋安全鉴定。
2、房屋概况
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉厂房，建于1995年，为二层框架结构，框架主梁截面尺寸为350×1200mm、次梁截面尺寸为250×500mm，钢筋砼现浇板楼、屋盖，钢筋砼现浇楼面、屋面板厚度均为100mm，板内配有间距为100mm，直径为10mm的光圆钢筋网片，梁、板为同期浇注，刚性防水平屋面。建筑面积约为240m2。该厂房无正规设计、监理及质量监督。厂房屋面结构层梁、柱相对位置关系示意图详见下图：
3、现场情况调查
江苏江淮动力股份有限公司气缸盖厂飞轮铸造冲天炉自1995年投入使用至今，每月除一日停炉检修、维护以外，其余均在生产运营中。冲天炉上部炉口距屋面板及洞口边梁距离为1500mm，屋面板及洞口边梁长期处于温度在300～350℃的火焰熏烧，并承受约2×2.5t的炉重。
4、现场检测
a、4～5×E～F轴屋面现浇板板底混凝土酥裂严重，露筋达90％以上，其中板跨中部变形、损坏尤其严重，局部结构已脱落。
b、冲天炉洞口周边边梁梁芯砼酥裂，纵向主筋锈蚀、膨胀严重，结构构件已丧失承载能力。
c、3～5×D～E轴屋面现浇板底混凝土酥裂、剥落严重，露筋达60％以上，钢筋截面尺寸因锈蚀而大面积削弱，最薄处约2.2mm，部分板底钢筋已锈蚀断裂，变形、损坏程度板跨中部大于其余部位。
d、E×4～5轴梁砼表面呈灰黄色，梁体砼酥裂严重，纵向主筋锈蚀、膨胀严重，结构构件已基本丧失承载能力；D×4～5轴梁体侧面在箍筋位置裂有多条竖向缝，其中一条缝宽为0.24mm。
e、C×4～5轴、B×4～5轴、B×3～4轴、C×3～4轴梁侧均裂有斜缝，裂缝部位均集中在距主梁500mm范围处，裂缝形式为倒八字形，裂缝宽度在0.05mm ～0.16mm之间。
ｆ、靠近冲天炉的屋面现浇板板底出现不同程度的保护层剥落、露筋、钢筋锈蚀等现象，且该现象以冲天炉屋面洞口为核心，呈星形辐射状分布。经检测，板保护层厚度在8～10mm之间，梁、板砼碳化深度均大于6mm。
二、持续高温下混凝土构件损坏机理分析
1、热传导系数、热膨胀系数、热容及质量密度等因数是影响持续高温下混凝土构件力学性能的主要因素，其中热容及质量密度相对热传导系数、热膨胀系数来说，其重要性相对较弱，如对质量密度，由于混凝土构件在加温过程中水分的蒸发，混凝土的质量密度在受热过程中有所降低。但总的来说所占比例较小，在实际计算时，都把混凝土的质量密度看作常数，而有些文献则把熱容和质量密度合在一起考虑。在此，我们重点分析热传导系数和热膨胀系数对混凝土构件性能的影响。
a、热传导系数
热传导系数是指单位温度梯度下，通过单位面积等温度的热流速度，单位为W/（m·OC）。混凝土构件热传导系数主要受骨料种类、含水量、混凝土配合比等因数的影响。将本案例中温度T=300℃代入混凝土和钢筋热传导系数公式中进行计算：
λ0=a+b×T/120+c×(T/120)20 OC≤T≤1200 OC
λ=-0.0329T+54.7
求得混凝土构件热传导系数λ0=1.43W/（m·OC）
钢筋热传导系数λ=37.13W/（m·OC）
b、热膨胀系数
热膨胀系数是指温度升高1度时物体单位长度的伸长量，单位为1/ OC。将本案例中温度T=300℃代入混凝土和钢筋热膨胀系数公式中进行计算:
ａ0=a×10-4+bT×10-6+cT2×10-1120 OC≤T≤800 OC
ａs=1.5×10-5T
求得混凝土构件热膨胀系数ａ0=2.52×10-3/OC
钢筋热膨胀系数ａs=4.5×10-3/OC
由以上所求得的结果可知，在相同的温度条件下，混凝土与钢筋的热传导系数、热膨胀系数均相差较大。不同的热传导系数和热膨胀系数降低了混凝土与钢筋的粘结强度，对构件的裂缝、变形和承载能力造成影响。
2、高温下钢筋混凝土抗压强度及抗拉强度降低的机理是：随温度的不断升高，水分蒸发形成空隙，水泥水化生成的氢氧化钙脱水，体积膨胀促使裂缝扩展，骨料和砂浆的膨胀系数不等，产生较大的内应力，加上未水化的水泥颗粒和骨料中的石英成分形成晶体，内部骨料形成裂缝等原因，使强度下降。由于升温过程中水分的蒸发，内部微裂缝的形成，高温下混凝土的抗拉强度比抗压强度损失要大。
钢筋砼构件损坏（失效）的基本过程为在持续高温（热传导系数、热膨胀系数等因数）及有害气体影响下→钢筋混凝土构件出现变形和裂缝→钢筋锈蚀膨胀→裂缝扩展→钢筋锈蚀程度加重，有效截面削弱过大，承载力显著下降→最终构件失效、破坏。并且构件受热面的一侧材料膨胀变形大，而非受热面一侧材料的膨胀变形小，这种不均匀膨胀变形加速了承载力下降速度。在本案例中，因现浇板钢筋保护层厚度不足，进一步加快了钢筋的锈蚀速度。
本案例现场检测中构件损坏程度，裂缝形式、钢筋锈蚀情况基本以冲天炉屋面洞口（热源）为核心，呈环形放射状分布，随距离增加，损坏程度逐步减弱，该现象与理论计算分析基本相符。
三、防治与处理
根据对厂房现场的检查及检测，采用相应的计算软件对不符合安全使用要求的砼构件进行加固处理计算，具体处理措施如下所示：
1、原3～5×E～F轴天棚板拆除后重新现浇。
2、原3～5×E～F轴冲天炉洞口南北两侧次梁拆除后重新现浇。
3、3～5×E～F轴天棚板板底沿板短方向粘贴200g宽100＠500mm碳纤维进行加固处理。
4、3～5×B轴、3～5×C轴梁采用底部粘贴一层200g宽250mm碳纤维进行加固处理。
5、3～5×D轴梁采用底部粘贴二层200g宽250mm碳纤维进行加固处理。
6、3～5×F轴梁采用底部粘贴二层200g宽250mm碳纤维、侧面采用粘贴U型200g宽100＠300mm碳纤维进行加固处理。
7、3×A～F轴、4×A～F轴、5×A～F轴梁均采用增大截面法后再粘贴碳纤维进行加固处理。
8、砼构件均在表面涂刷防火、耐高温涂料。
三、结论与启示
1、根据相关文献，构件在短时高温（火灾）550～800℃作用下，混凝土颜色为以灰白色为主呈浅黄色，而根据我们现场所检查到的温度在300～350℃持续高温作用下混凝土颜色也以灰白色为主呈浅黄色，即在相对较低温度持续影响下与短时高温（550～800℃）影响下混凝土表面颜色基本相似。
2、高温下的受弯构件，除了承受正常荷载引起的弯距之外，还有一个温度产生的附加弯距，这两者的共同作用使受弯构件承受弯距的能力大为降低。
3、在本案例中对受损构件进行维修加固后，并在后期使用过程中加强结构防护，注重跟踪观测，经过将近半年的观测使用，砼构件完好无损。
4、在以后的该类房屋设计中，可适当加大冲天炉上部炉口与结构构件的间距，并采用耐高温材料，消除或减弱持续高温对钢筋砼结构构件的影响。
参考文献
[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
[2]《建筑工程事故分析与处理》江见鲸、龚晓南、王元清、崔京浩编著中国建筑工业出版社