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高层建筑纳米硅粉防火耐热混凝土应用性能研究

2024-11-11 59 上传者：管理员

摘要：为探究高层建筑纳米硅粉防火耐热混凝土应用性能，对不同纳米硅粉掺入量条件下的混凝土实验试件尺寸变化、质量变化和耐压强度变化记录和分析。结果表明在混凝土当中掺入纳米硅粉能够有效促进混凝土材料抗高温变形性能的提升、减少混凝土质量损失、提高试件耐压强度，纳米硅粉防火耐热混凝土抗高温变形性能强、致密性强、耐压强度大，具备极高应用性能。

关键词：
应用性能
混凝土
纳米硅粉
防火
高层建筑
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高层建筑火灾是一种严重危害人民生命财产安全与社会发展的重大灾害。高层建筑物火灾是一种快速蔓延的火灾，给疏散和灭火带来很大的困难。另外，由于高层建筑的结构复杂，人口密集，在火灾中疏散困难。多起高层建筑火灾的救援事例显示，现有的救援方法并不能完全应用于高层建筑的发展[1]。因为混凝土具有使用寿命长、维修成本低、热稳定性好、施工灵活等优点，因此在现代建筑中得到了广泛的应用。与此同时，混凝土是一种耐热性较差的材料，其耐热性在200℃～1300℃之间[2]。但当发生火灾时，其所产生的高温仍会使混凝土的性能发生较大变化，虽不会丧失其承载功能，但对处于火场中的建筑构件也会产生不利的影响。而且，在高温条件下，难以维持其应有的物理机械性质，从而导致在火灾之后，会出现构件形变，如果情况严重的话，还有可能出现坍塌。纳米硅粉混凝土是一种新型建材，可在较高温度下保持一定的物理、机械特性，属特种混凝土。为探究纳米硅粉防火耐热混凝土在高层建筑中的应用性能，本文开展下述研究。

1、实验材料与方法

1.1 实验材料

为探究高层建筑纳米硅粉防火耐热混凝土的应用性能，进行实验研究。实验材料主要为用于制备纳米硅粉防火耐热混凝土的材料，包括：水泥、粉煤灰、集料和纳米硅粉[3]。其中，水泥材料选用42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰材料选用II等级粉煤灰；集料包括细集料和粗集料[4]。表1中记录了水泥各项技术性能指标。

表1 水泥的各项技术性能指标

再将纳米硅粉的技术性能指标记录如表2所示。

表2 纳米硅粉技术性能指标

除上述材料外，在实验过程中还要用到的材料有高效减水剂，选用JKPCA-01型号聚羧酸高性能减水剂，在使用时其掺入量应当控制在凝胶材料总质量的0.25%～2.2%[5]。

1.2 实验设备

在实验过程中需要用到的仪器设备包括电热鼓风干燥箱、电阻炉等。其中电热鼓风干燥箱可选用DHG-9123A型号，运行电压为220V；温度控制范围为RT+10～250℃。该型号电热鼓风干燥箱外壳内部全部由镜子型不锈钢电弧焊制成，外壳由钢板制成[6]。热风循环系统是由能够在高温下持续运行的风扇以及适当的风管组合而成，可以改善工作室内部的温度均匀性[7]。在实验过程中，可以根据对环境温度的需要，通过温度控制板，可对箱内的进气、排气流量进行调整[8]。DHG-9123A型号电热鼓风干燥箱完成对混凝土的烘干处理，在处理的过程中，应当将温度控制在110℃左右。

电阻炉可选用KSY-6-16型号，该型号电阻炉的功率为6KW；输入电压为220V；控制电流为30A；输出电压为0～210V；电源频率50Hz。利用KSY-6-16型号电阻炉对混凝土材料进行均匀煅烧，煅烧过程中升温速率应当控制在8～10℃/min范围内，在煅烧温度达到500℃后保温持续60min[9]。

1.3 实验方法

实验选择在建材实验室中完成，按照普通混凝土拌合物性能实验和力学性能实验的相关要求标准进行。针对掺入不同量纳米硅粉的混凝土，分别在不同批次制作3组实验试件。试件的尺寸为100mm×100mm×100mm，在持续24h后拆模，标准养护时间为28d。在达到养护龄期后，可选择按照室温、100℃和500℃不同温度，对制备的混凝土实验试件进行处理[10]。完成处理后，对各个实验试件的尺寸、质量以及耐压强度进行测定。表3中记录了混凝土具体的配合比设计方案。

表3 混凝土具体的配合比设计方案

除表3中数据外，各个配合比方案下减水剂的用量均未4.52kg/m3，水的用量均为150kg/m3。按照序号从1～6每组纳米硅粉的掺量分别为0%、1%、3%、5%、7%、9%。

在对纳米硅粉防火耐热混凝土的应用性能分析时，需要结合具有非稳态导热、常物性和无内热源的能量方程，其表达式为：

公式中，T表示温度参数；t表示时间参数；x表示材料厚度；α表示热扩散系数。公式中，α可以通过下述公式得出：

公式中，λ代表导热系数；ρ代表混凝土实验试件的密度；c代表材料的比热容。

评价耐火材料的技术指标一般包括了以下几个方面：耐火度、荷重软化温度的耐压强度、热冲击稳定度、烧结线变形、热胀膨胀、导热系数等。其中，耐压强度具体包括烘干耐压强度、烧后耐压强度以及相对耐压强度（烧后耐压强度与烘干耐压强度之比）。通过对烧结体的耐压强度的测定，可对其在高温下微观结构的改变进行宏观分析，并对其所能承受的应力进行评估。而相对耐压强度值则能直接反映出在高温下混凝土的剩余强度及破坏速率。《耐热混凝土应用技术规程》《YB/T4252-2011》中的技术规范对110℃干燥后的混凝土的设计强度，在500℃高温下，其剩余强度大于50%的设计强度，且不能产生裂缝。

2、实验结果分析与讨论

2.1 纳米硅粉防火耐热混凝土尺寸分析

根据上述实验方法，在完成试验后，为实现对纳米硅粉防火耐热混凝土尺寸的变化分析，记录在500℃高温煅烧后混凝土实验试件的收缩值，将得到的结果绘制成图1所示。

图1 500℃高温煅烧后混凝土实验试件的收缩值

在高温下，混凝土内部自由水的蒸发和水化产物的失水，使混凝土产生了干缩变形，干缩变形的数值直接体现了水分的流失。在100℃～110℃时，水泥石中的毛细孔水等游离水开始挥发，在180℃时，水化硅酸钙凝胶开始失水，发生收缩，在这个时候，混凝土的收缩和热膨胀达到了一个平衡，在280℃～330℃时，水化铝酸发生失水，在这个阶段，混凝土的收缩量增加，在400～450℃时，氢氧化钙发生分解失水，混凝土收缩量增加。

结合图1中500℃高温煅烧后混凝土实验试件的收缩情况可以看出，若不掺入纳米硅粉，则普通混凝土材料的收缩值为7.5×10-4，当掺入1%～9%的纳米硅粉后，混凝土实验试件的收缩值呈现出先递减后递增的变化趋势，但总体而言，掺入纳米硅粉的混凝土实验试件的收缩值小于未掺入纳米硅粉的混凝土实验试件。其中，当掺入纳米硅粉的量在3%～7%范围内时，混凝土实验时间的收缩值较为接近，且收缩值均较低，进一步说明在该范围内的混凝土实验试件抗高温变形能力强。通过上述得出的实验结果可以证明，在混凝土当中掺入纳米硅粉能够有效促进混凝土材料抗高温变形性能的提升，同时，为了达到最理想的应用性能，应当将纳米硅粉的掺入量控制在3%～7%范围内。

2.2 纳米硅粉防火耐热混凝土质量分析

在初步实现对纳米硅粉防火耐热混凝土尺寸的分析，并明确纳米硅粉防火耐热混凝土具备更强抗高温变形能力的基础上，再对纳米硅粉防火耐热混凝土质量的变化情况进行分析。表4和表5分别记录了在100℃烘干条件下和500℃煅烧后混凝土实验试件质量。

表4 100℃烘干条件下混凝土实验试件质量

表5 500℃煅烧后混凝土实验试件质量

对比表4和表5中的数据可以看出，各个混凝土实验试件在经过500℃的高温煅烧后，其质量都有着不同程度损失。通过进一步分析得出，加入纳米硅粉末后，混凝土的质量损失比未加入纳米硅粉末的混凝土要小。这主要是因为，在高温下，SiO2粉体的反应速率加快，起到了更好的充填作用，提高了混凝土的致密性，减缓了自由水的蒸发。其中，在3%～7%的掺量下，混凝土的质量损失最小。样品的失重反映了样品的失重状态，其失重状态与样品的尺寸变化规律相吻合。

2.3 纳米硅粉防火耐热混凝土耐压强度分析

为进一步分析纳米硅粉防火耐热混凝土耐压强度，在完成实验后，将混凝土实验试件在高温煅烧前后的耐压强度进行记录，如表6所示。

表6 混凝土实验试件在高温煅烧前后的耐压强度

表6中记录的实验结果可以看出，在常温条件下，普通的混凝土材料和掺入纳米硅粉的混凝土材料，其耐压强度均超过了设计强度，充分满足高层建筑施工对耐热混凝土提出的技术要求。在经过100℃的烘干处理后，普通混凝土实验试件的耐压强度比常温耐压强度低，而掺入纳米硅粉的混凝土实验试件耐压强度比常温耐压强度略有降低或保持不变。这一现象说明，掺入纳米硅粉的混凝土实验试件耐压强度受温度的影响更小，同时也进一步证明其热稳定性更高。

3、结束语

本文上述以高层建筑建设为背景，针对纳米硅粉防火耐热混凝土的应用性能进行了全面探究。通过实验的方式，验证了掺入纳米硅粉后的混凝土材料具备极高的应用性能，充分满足高层建筑防火耐热需要。

参考文献:

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