（材料学专业论文）高强混凝土（砂浆）受火爆裂条件与机理研究.pdf

摘要 摘要 随着高强混凝士在建筑上的大量使用，关于其各种性能的研究也在逐渐开展。由于建 筑火灾发生频繁，混凝土在火灾条件下的性能备受关注。爆裂现象作为混凝土的一个破坏形 态，它的发生条件、机理至今尚未研究透彻。因此亟需大量的试验和理论研究来充实人们对 于它的了解。本文从胶砂试件出发，研究了高强胶砂和普通胶砂试件的爆裂现象及部分爆裂 规律，总结了爆裂程度与各影响因素的关系。最后深入分析了爆裂的发生机理，并建立了数 学模型来对试验现象做出解释。本文由四个章节组成，主要内容如下： 第一章概括了爆裂现象的由来、爆裂的危害、国内外研究现状及研究意义和研究方法。 指出爆裂作为火灾时危害性较大的破坏形式，应该深入研究、找出规律、提出对策。鉴于国 内外尚无机理研究的系统方法，本文尝试从胶砂试件出发，通过试验、理论分析、模型建立 三个方面进行分析。 第二章列出了针对胶砂试件做的一系列试验。在自定义爆裂程度的基础上，找出爆裂 程度与温度、时间、升温速度、水灰比、内部含水率等的关系。指出爆裂是个随机性和离散 性很强的现象，存在临界爆裂温度和爆裂初始时间。湿含量对于爆裂是个非常重要的影响因 素。根据p p 纤维试件、硅灰试件和普通试件的对比，以及p p 纤维试件各个条件下p c k 试 验结果，说明湿扩散性跟爆裂有着密切的关系，例如硅灰的加入使得试件更易爆裂，而p p 纤 维的加入可以降低爆裂的程度和几率。另外，对于净浆、胶砂、混凝土三者的爆裂特征进行 了比较，对于配筋试件做了一些观察研究，表明爆裂可能与钢筋有一定关系。 第三章从混凝土高温时物理化学变化出发，详细剖析了内部温度变化，水蒸汽迁移造 成的孔压力，以及孔压场和温度场对蒸汽迁移的耦合作用。指出混凝土的渗透系数和扩散系 数对于孔压有着重要影响。分析了“类饱和层( 面) ”的形成及变化过程。最后在分析以往 机理理论的基础上，给出了爆裂的机理模型及图示。 第四章简单介绍了国内外对于有关爆裂及其机理的数学模型的研究现状，尝试了在给 定温度制度下混凝土内部温度场和气压场的计算，并对计算结果进行了分析。根据计算结果 对试验现象做出了合理的解释。最后给出了爆裂面积率在1 s 0 8 3 4 升温制度下与部分材料参 数关系的预测公式，并与试验现象进行了对比。 第五章给出了全文的重要结论。 本文通过相当数量的试验，一定程度上总结了胶砂试件的爆裂规律及影响因素。对于 进一步研究混凝土的爆裂提供了有益的借鉴和参考，由于胶砂试件可以基本反映出混凝土的 爆裂特性，而且可以剔除骨料的影响，使得分析更加接近爆裂的真正机理。试验采用燃油炉， 升温曲线贴近i s 0 8 3 4 制度，比普遍采用的电炉更能说明火灾下混凝土材料的真实变化。 文中依据流体动力学、渗流力学、传热学、热力学等基本知识以及众多研究者的研究 结果，对于高温时混凝土内部的湿热传导进行了比较深入的剖析，说明了蒸汽压与爆裂的密 切关系，明确了蒸汽压理论是解释爆裂的很好理论。最后在分析的基础上以图示的方法给出 了爆裂现象中湿热传导的物理模型。 由于湿热耦合作用的复杂性，本文在简化的基础上通过几个经典方程得出了关于蒸汽 压的二阶偏微分方程，并使用差分方法得出数值解，解析结果可以对爆裂现象作出一定的解 释，说明此方程是合理的。 关键词：火灾、高强混凝土、爆裂、p p 纤维、硅灰、p c k 方法、湿迁移、湿热耦 合、类饱和层、模型、预测 东南大学硕士学位论文高强混凝( 砂浆) 受火爆裂条件与机理研究 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o n so fh s c m i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ) t oc o n s t r u c t i o n , t h er e s e a r c h o ni t sp e r f o r m a n c e s8 1 oc a r r i e do u tc o n t e m p o r a r i l y a st i mf i r ed i s a s t e rh a p p e n e df r e q u e n t l yi n b u i l d i n g s ，t h eb e h a v i n ro fc o n c r e t ea tf i r ec o n d i t i o n si sm u c hc o n c e r n e do n a sac o r r u p tf o r ma t f i r e ，t h es p a i l i n g c o n d i t i o n sa n di t sm e c h a n i s mh a sn o tb e e ni n v e s r i g a t e d c o m p l e t e l y a c o n s i d e r a b l eo fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e ss h e u l db e d e v e l o p e d t o d e e p e nt h e k n o w l e d g e e l li ti nt h i sa r t i c l e ，t h em o r t a rs p e c i m e ni su s e dt oi n v e s t i g a t et h ep h e n o m e n aa n dt h e r e g u l a t i o n s o f h i g hs t r e n g t ha n dn o r m a ls t r e n g t hs p e c i m e n ss p a l l i n g ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed e g r e eo fs p o i l i n ga n di t sk e ya f f e c t i n gf a c t o r si ss u m m a r i z e d ，i nt h ee n do ft h i s a r t i c l e ，t h em e c h a n i s mo fs p a i l i n gi s d i s c u s s e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt o e x p l a i nt h ep h e n o m e n ao fe x p e r i m e n t s f i v ec h a p t e r s a r ei n c l u d e d ，t h em a i ns u b s t a n c ea r e i l l u s t r a t e d f o l l o w s ： h ic h a p t e r1 ，t h eo r i g i ne n dp e r m c i n u s n e s so ft h ec o n c r e t es p a l l l i n gi sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa th e m ea n da b r o a d ，t h es i g n i f i c a n c ee n dt h em e t h o d so fr e s e a r c ha r e g e n e r a l i z e d i ti si n d i c a t e dt h a tf o r t h es p a l l i n g sg r e a td e s t r o yt os t r u c t o m sa n dm a t e r i a l s ，i ts h o u l d b es t u d i e dd e e p l y , i t sr e g u l a t i o n ss h o u l db ef o u n do u ta n ds o m ec o u n t e r m e a s u r es h o u l db ep u t f o r w a r d i nt h ev i e wo ft h a tt h e r ei sn os y s t e m a t i cm e t h o d sf o rr e s e a r c h t h i se r t i c l ea t t e m p t st o a n a l y z et h em o r t a rs p e c i m e nt h r o u g he x p e r i m e n t s t h e o r e t i c a l 仃i a 王a n dm o d e l i n g i nc h a p t e r2 ，as e r i e so fe x p e r i m e n t so p e r a t e da tm o r t a ra r el i s t e da f t e rd e f i n i n gt h e s p a i l i n gd e g r e e ( s d ) ，t h e r e l a t i o nb e t w e e ns da n d t e m p e r a t u r e ，t i m e , h e a t i n gr a t e , w a t e rc e m e n t r a t i oa n di n n e rm o i s t u r ec o n t e n ti sr e c e i v e di ti si n d i c a t e dt h a tt h ep h e n o m e n o no f s p o i l i n gi sf h l l o fr a n d o m n e s sa n dd i s c r e t e n e s sa n dt h e r ee x i s tat h r e s h e l dt e m p e r a t u r ea n di n i t i a ls p o i l i n gt i m e m o i s t u r ec o n t e n t 妇av i t a lf a c t o rt os p o i l i n g a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s te x p e r i m e n t sa m o n gn o r m a l s p e c i m e n ，w h i c hc o n t a i n i n gp o l y p r o p y l e n e ( p p ) f i b e ro rs i l i c af u m ea n dt h e i rp c ke x p e r i m e n t s a f t e rv a r i o u sc o n d i t i o n s ，i ti sd e c l a r e dt h a tm o i s t u r ed i f n l s i v i t yt i e 叩w i t hs p a l l i n gf o re x a m p l e , s p e c i m e na f t e ra d d i t i o no fs i l i c af u m ep r o n et os p o i l ，h o w e v e r , t h eo n e sw i t hp p f i b e rd on o t b e s i d e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p o i l i n go fc e m e n tp a s t e ，m o r t a ra n dc o n c r e t ea r ec o m p a r e d ，a n d s o m es t e e lr e i n f o r c e ds p e c i m e n8 r eo b s e r v e d , w h i c hs h o wt h a tt h es p a l l i n gm a yh a v ec o r r e l a t i o n s w i t hs t e e lb a r i nc h a p t e r3 ，d e p a r t i n gf r o mt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g eo fc o n c r e t ea t h i g h t e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ep o r ep r e s s u r ec a u s e db yv a p o rm i g r a t i o na n dt h ec o u p l i n g e f f e c to n v a p o rm i g r a t i o nb y t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ep r e s s u r ef i e l d ，a r ea d d r e s s e di nd e t a i l i t i ss h o w e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t ya n dt h ed i f f u s i v i t yh a v eg r e a ti m p o r t a n c eo nt h ep o r ep r e s s u r e t h e f o r m a t i o na n dt h ec h a n g eo f “q u a s i s a t u r a t e dl a y e r a r ca n a l y z e dh e r e f i n a l l y , am e c h a n i s m m o d e la n di t si l h i s t r a t i o na r eo b t a i n e d i nc h a p t e r4 ，t h ep r e s e n ts t u d ys t a t u sa th o m ea n da b r o a do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f t h ec o n c r e t es p a l l i n ga n di t sm a c b e n i s ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nf o r t h ei n n e rt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ep r e s s u r ef i e l da tag i v e nt e m p e r a t u r er e g i m ei so p e r a t e d ，a n d s e i n e a n a l y s i s i st a k e nt ot h er e s u l t s t h e s er e s u l t s s o m ee x p l a n a t i o ni s g i v e nt o t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s b e s i d e s ，a l le m p i r i c a le q u a t i o ni sg i v e na tl a s tt op r e d i c tt h es p a u i n ga r e ar a t e a t t h e r e g i m e o f l s 0 8 3 4 ，a n d t h e p r e d i c t i o n r e s u l t s i sc o m p a r e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s c h a p t e r 5g i v e si m p o r t a n tc o n c l u s i o no f t h i sa r t i c l e a c c o r d i n gt ot h ec o n s i d e r a b l ea m o u n t o f e x p e r i m e n t s ，t h er e g u l a t i o na n dt h ee f f e c tf a c t o r s 摘要 o fm o r t a r s p e c i m e n ss p a l l i n ga r er e c e i v e di np a r t s w h i c hc a rp r o v i d es o m er e f c r e a c c st of u r t h e r s t u d yo fc o n c r e t es p a l l i n gb e c a u s e t h r o u g hm o r t a rs p e c i m e n ，t h eo h a r a c t c r i s t i c o fc o n c r e t e s p a l l i n gc a nb er e f l e c t e dp r a c t i c a l l y ，a n dw h i c he x c l u d e st h ec o m p l e xe f f e c to fa g g r e g a t e s ，t h e a n 咖s i si sc l o s e rt or e a l i t y a no i l - b u r u i n gf u r n a c ei s a p p l i e dt h r o u g ht h ew h o l ee x p e r i m e n t s p r o c e s s ，a n dt h eh e a t i n gr e g i m em e a s u r e di sd o s et oi s 0 8 3 4 ，w h i o hm a k e st h ee x p e r i m e n t sm o r e a p p r o x i m a t et or e a lo h a v g eo f c o n c r e t ei nf i r e s o m eb a s i c k n o w l e d g e o ff l u i d d y n a m i c s ，f l u i d m e c h a n i c si n p o r o u sm e d i a ， t h e r m o d y h a l i t e sa n dm a n yr e s e a r c hr o s u l 协w a su s e dt oa n a l y z ei n - d 印t ht h em o i s t u r ea n dh e a t c o n d u c t i o ni m i d ec o n c r e t ea th i g ht c m p c r a t u r et h a ts h e w st h ei n t i m a t et e l a t i o nb e t w e e nt h e v a p o rp r e s s u r ea n dt h es p a l l i n g ，a n dt h a tv a p o rp r e s s u r eh y p o t h e s i sc a l li n t e r p r e tt h es p a l l i n g p h e n o m e n aq u i t ew e l l f i n a l l y , ap h y s i c a lm o d e l i n go fm o i s t u r ea n dh e a tc o n d u c t i o ni nt h e p h e n o m e n o n o f s p a l l i n g i so b t a i n e d b y g r a p h p r e s e n t a t i o n b a s i s o f a n a l y s i s b e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t i o n o fc o u p l i n go fm o i s t u r ea n dh c nat w o - u r d c r p a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u a t i o na b o u tv a p o rp r e s s u r ei sd e r i v e dt h r o u g hs o m ec l a s s i c a le q u a t i o n so nt h eb a s i s o f s i m p l i f l c a d o n , a n dt h er e s o l u t i o ni sr e c e i v e db yd i f f e r e n t i a lm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec 0 1 t eo f r e s a l bs o m ea p p a r e n tp h a n o m e n o n o f s p a l l i n gc 拍b ee x p l a i n e d ，w h i c hi n d i t vt h a t 啦。鹎u a t i o n i sb a s i c a l l yc o r r e c t k e y w o r d s ：f i r e - h i g h s t r e n g t l m o n e r e t e ，s p a l l i n g ，p pf i b e r ，s i l i c af u m e p c km e t h o d ， m o i s t u r em i g r a t i o n ，c o u p l i n go f m o i a t e r ea n dh e a t ，s e m i - s a t u r a t e dl a y e r ，m o d e l i n g ，p r e d i c t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取摄 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：曼些15 一 导师签名： 日 期：。；毕车 东南大学硕士学位论文高强混凝士( 砂浆) 受火缮裂条件与机理研究 本文符号及其含义一览 t - 温度( ) 卜时间( s ) 口线膨胀系数 a 导热系数( j ( s m c ) ) k 渗透率( m 2 ) c 单位热容( 比热) d 扩散系数 d r 一常扩散系数 p 质量密度 o 混凝土内的应力 f 卜一混凝土的强度 q 热源密度 h 相对孔隙湿度 p 0 _ 平液面的蒸汽压 r 弯曲液面的蒸汽压 p m d 一最大孔压力 n 饱和蒸汽压 r 弯液面曲率半径 y 表面张力 q 流速( m s ) u 动力粘度 r 重力加速度 t 广饱和温度 p 孔隙率 w _ i 气化水密度 w - - 混凝土质量含水率 k 表示湿热系数 k 水力传导率 f 。为毛细力 甲毛细势能( 浸润) 梯度 d 广饱和混凝土中孔隙水的扩散系数 m 分子量 j 质量通量 a 爆裂面积率 r 水灰比 第一章绪论 1 1 爆裂问墨的产生 第一章绪论 从6 0 年代至今，高效减水荆的应用，粉体工程的发展，使得混凝土的性能在强度， 工作性，耐久性等方面都有了长足的进步。9 0 年代以后出现了兼备高强、高耐久性与高工 作性的混凝土，研究者将其称为高性能混凝土( h i g hp 目f b m n c o n c r e t e ，h p c ) ，广泛应用 于桥梁、隧道、海洋结构、高速公路等基础设施以及高层建筑l l2 i 。 首先，在原材料上，它一般使用高标号水泥( 4 2 5 号以上) 、中低热水泥、球状水泥、 调粒水泥、活化水泥等高性能水泥品种，采用优质骨料，骨料不但要具有较高强度，还要有 较好的级配和较小粒径。另外，合理比例的超细矿物掺合料和新型高效减水荆也是必不可少 的。其次，在工艺参数上，水胶比一般小于o 4 0 ，单位立方米粗骨料体积含量0 4 m 左右 巩。盟5 m m ，砂率在3 4 3 9 之间，胶凝材料用量5 0 0 6 0 0 k g ，新型高效减水剂o 5 1 4 。最后在施工工艺上，采用强制式搅拌机，泵送施工，高额振动。坍落度损失控制和 混凝土养护剂养护也是使其高强的有效措旆。 正是由于高性能混凝土在选料，工艺上的优化，它在宏观结构和微观结构上也有许多 特点。宏观上，由于高性能混凝土的低水灰比和高流动性，避免了普通混凝土的大孔洞和蜂 窝的产生，总体的孔隙率也大大降低。而且，随着水胶比的降低，孔隙率也逐步减小。如对 于w c = o 5 的水泥浆体，孔隙率在2 5 3 0 之间，而对于w c = o 2 5 的水泥浆体，孔隙率 仅有7 l o 。由于混凝土是一种结构敏感性材料，孔隙率的降低带来一系列性能的改进， 如抗渗性的提高，及由高抗渗性带来的耐腐蚀性和抗碳化性的提高。 根据冯乃谦1 2 1 的观点，高强混凝土属于高性能混凝土的范畴。虽然冯乃谦并没有提到 耐高温性能，但本文作者认为，这也应该是高性能混凝土的一个性能。因此，本文在对混凝 土的定义问题上暂不使用“高性能混凝土”这一称谓，而只使用“高强混凝土”( h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e ，h s c ) 的说法。 “爆裂”的英文说法，是“s p a l l ”或“s p a u i n g ”，还有的是“e x p l o s i v es p a l l ”。“s p a l l ” 词原意是指材料表面的剥落，散裂，在很多领域都有涉及，本身并没有“爆”的意思。由 于很多试验者发现混凝土在高温下发生这种剥落破坏时都伴随有劈劈啪啪的声音，故将 “s p a l l ”就翻译为“爆裂”。其实“e x p l o s i v es p a l l ”一词更适合这个中文词义。但由于习惯， 大家都认为“s p a l l ”或“s p a l l i n g ”在混凝土问题上就是指的“爆裂”，因此，本文也就遵循 习惯，将“s p a l l ”直接称为“爆裂”。 爆裂的现象也根据试件的不同而略有区别，但总的特征是表面有肉眼可辨的明显的 “凹坑”剥落后的痕迹，或大块的剥离，不同于一般的裂缝呈细长状。爆裂的面积和深 度也不一样，可以据此推断试件或构件的爆裂程度。 k h e r t z ( 1 9 8 4 ) 报道了在爆裂方面的最早的观察结果9 l 。他研究了一个1 2 0 1 7 0 m p a 的混凝土圆柱。在加热圆柱时，在温度3 0 0 3 5 0 内，大部分圆柱都爆裂了。以后，试 图通过增加混凝土组分的方法来解决这问题。如使用特殊的水泥和骨料、特别低的水灰比 及加入引气剂等( 见d i e d e r i c h s 和j u m p p a n e n1 9 9 2 ) 。其他也有尝试掺加钢丝网或钢纤维 来增强抗拉强度。但这些措施也只起到了很小的效果，或或多或少的离散效果。后来，很多 研究者都认识到了高强混凝土的这一“缺点”。 末南大学硕士学位论文高强混凝土( 砂浆) 受火爆裂条件与机理研究 1 2 囊的危害 由于高强混凝土越来越多地在高层或超高层建筑中使用，所以，这些混凝土在火灾下 的承载能力和耐久性就值得研究者们分析了。有资料显示”。】，我国每年建筑火灾发生率居 高不下，严重地危害人们的生命安全及财产安全。研究表明，混凝土在火灾情况下，其表 面温度可高达8 0 0 ，一般也要达到5 0 0 6 0 0 。在这种高温下，混凝土构件一旦发生破坏， 将使构件截面面积减小，承载力大大下降，尤其是当爆裂发生时，严重的爆裂会使钢筋保护 层完全失去，使钢筋直接暴露在高温下。众所周知，钢筋在3 0 0 c 左右就会软化，再加上截 面的缩小，构件的承载力将急剧降低。这种情况对于高强混凝土结构的安全性带来了极大危 害。因此，通过对爆裂的研究，找到一种抑制爆裂的方法是极其必要的。 1 3 国内外对曩问的研究现状 关于爆裂问题的研究可以追溯到上世纪六七十年代随着核工业和化工工业的兴起，很 多混凝土容器或维护结构要经受高温。因此，针对普通混凝土高温下的力学及其它性能得到 了广泛的重视1 7 。2 ”，其中也包括轻集料混凝土的爆裂问题。随着爆裂问题的出现，很多研究 者都认识到爆裂对于结构的危险性。另外，关于混凝土火灾后的评价也有一些综述p l 。进入 1 9 9 0 年代后，对于高强混凝土或高性能混凝土的高温性能的研究日益增多。虽然如此，对 于爆裂的研究却受到试验条件的限制，很少有人能够进行系统的、全面的研究。大多数的研 究仍然是构建在表面的，外观层次之上，而且是零散的。因为关于爆裂的机理至今仍然不是 非常清晰。由于试验方法、试件尺寸、试验原材料的不同，对于一些问题，研究者们都各持 己见。比如，就爆裂问题的发生与混凝土强度的关系，很多人认为强度高的混凝土更易发生 爆裂，但是，s h i r l e y ，b u r g ，f i o r a t o 等人( 1 9 8 7 ) 做的试验却表明高强试件和普通试件没有 明显区别。w i l l i a m s 和g a s h e d ( 1 9 8 7 ) 报道说，高强混凝士显示出与普通混凝土同样的甚 至更好的性能口1 。又如关于混凝土爆裂的初始温度问题，很多学者也是各有各的意见，这也 是正常的，因为日前关于爆裂的研究没有任何通用的方法和标准。 关于爆裂的机理问题，一直以来也是研究者争论的话题。目前占主要地位的机理假说 有三种：1 ) 热不相容理论，即认为高温时混凝土和钢筋之间，骨料和浆律之问产生物理性 能的不一致变化引起爆裂；2 ) 温度应力理论，即认为是混凝土内外温差产生的温度应力最 终导致爆裂；3 ) 蒸汽压理论或称孔压理论，即认为混凝土的爆裂是由于内部高温所引起的 蒸汽导致。很长时间以来由于缺乏有效的试验佐证，研究者不能确定到底哪个理论更加接 近真实情况。 由于前苏联和美国在混凝土高温领域的研究已经为数不少，也取得了很多成果，所以 许多关于爆裂的研究也都借鉴了他们的研究成果和方法。蒸汽压理论的提出和这些研究成果 有着密切的联系。p i e r r vk a l i f a ( 2 0 0 1 ) f l o l 等人对于混凝土内部蒸汽压的测量，使得蒸汽压 理论有了试验的证实。当然试验的误差是存在的，一些细节问题也值得探讨。但是，正是如 此，使很多研究者对于蒸汽压理论非常支持。 事实上，1 9 7 0 年代末，b a z a n t 等人对于混凝土内部的湿热传递以及蒸汽压做过一番理 论性的研究”】。他总结了前人对于混凝土内部湿热传递的研究成果，使用有限元对蒸汽压 进行了计算。虽然那时并没有牵扯到爆裂问题，但可见那是混凝土的安全性就早已提到日程 上来。迄今为止，关于高温下混凝土内部水分迁移，渗透以及扩散系数的研究屡见不鲜。这 也是蒸汽压理论能够为大多数研究者接受的一个原因。 另外，如何防范爆裂也是研究者们关心的课题。自爆裂现象被人们认识以来，就有很 2 第一章结论 多研究者想改善混凝土的这种性能缺憾。在混凝土中掺入混合材是很多研究者都尝试的途 径，但是事实证明，这一途径并不奏效。另外，当加入过多的硅灰时，还会加大混凝土爆裂 的可能性。加入引气剂也是很多研究者容易想到的方法，引气剂可以改善混凝土的微孔结构， 在提高抗渗性方面功不可没。但试验的结果是，引气剂的效果并不理想。还有研究者使用了 钢纤维和钢丝网，实际的效果是许多试件爆裂的更加严重了。最后，有机纤维被使用到混凝 土中，特别是聚丙烯( p p ) 纤维，这种纤维制作方便，原料充足。事实上p p 纤维在混凝土 上的用途最先不是用来改善爆裂性，是用来改善混凝土的抗渗、耐磨、耐冲击等性能。根据 k a l i f a ( 2 0 0 1 ) 0 0 的研究，p p 纤维能够大大降低混凝土高温时的孔压力，减小混凝土爆裂的 机会。而且随着纤维含量的增大，孔压力会减小。另外，他还发现，掺有p p 纤维的混凝土， 高温后，裂缝很密很细，约2 pr a ，而索混凝土中裂缝疏而宽，约1 0 m 。这从另一个侧面 反映了p p 纤维融化后留下的孔道能够使应力均匀化。他还认为，纤维的细观作用机理与掺 入量有关，当纤维较多时( 1 7 5 k g m a ) ，主要使纤维单独起作用；当掺入量较低时，纤维并 不是单独起作用，而是与基体共同作用，其效率取决于微结构的状态。王正友( 2 0 0 2 ) ( 1 2 1 也通过试验证实混杂纤维也同样可以起到改善混凝土爆裂的效果。 有关爆裂的数学模型的研究工作主要在温度场研究、孔压研究以及热质传递几个方 面。之所以集中在这些领域，可能是因为一方面流体力学、多孔介质的流体力学、传热学， 以及热力学发展得比较完善，容易建立数学关系方程；另一方面，大多研究者都比较赞同蒸 汽压理论，而蒸汽压理论的核心又是热质传递。有关这些方面的具体讨论详见4 1 节。 1 4 本文研究的意义硬思路 建筑结构的耐火设计包括以下两方面内容1 1 m ：1 ) 建筑物在给定火灾条件下( 火灾荷 载、通风条件、结构形式等) ，其结构能否确保稳定而不失效倒塌；2 ) 如果评估结果将发生 倒塌采取什么技术措施予以避免。这两方面内容的全面的、正确的评价离不开对材料高温 性能的研究。高强混凝土作为普遍使用的工程材料，其高温性能到目前为止尚不能完全加以 了解。尤其是爆裂这种新出现的现象，研究者尚没有得出一致的结论。所以根据我国现有的 混凝土的特征，亟需提供一个相对系统、相对完善的关于爆裂性的研究结果。 本文的研究时间较短，水平有限，希望能够在国内的这个研究领域起到抛砖引玉的作 用。并希望在其他研究者研究的基础上进一步揭示爆裂的条件及完善爆裂机理。给今后的研 究者提供些相对丰富的研究数据及参考。 首先，需要弄清楚的是混凝土爆裂的条件，即什么情况下，混凝土会爆裂，这是一个 需要大量试验来总结的问题。本文将通过对爆裂影响因素的逐一细化和分类，确定这些因素 分为内部因素和外部因素。外部因素包括温度高低、恒温时间、升温速度等；内部因素包括 水灰比、含水量( 或湿含量) 、组分不同等。试验中尽量使其他因素一致，突出要研究的因 素的不同，从而使研究结果更加易于分析。考虑到爆裂的随机性和离散性较大，本文使用胶 砂试件代替混凝土。试验表明，胶砂试件和混凝土的爆裂现象是一致的。而且，胶砂试件也 是广义上的混凝土。 其次，对于混凝土爆裂的机理探讨。本研究选择受火、冷却后混凝土的吸水性系数作 为表征高温时混凝土湿迁移性的间接参数，并联系爆裂现象进行分析。 在机理研究方面，将现有机理假说进行分析。主要抓住混凝土内部的水分迁移及蒸汽 压的形成来讨论。最后是对于爆裂现象的机理的一个数学模拟，计算温度场和孔压场的分布， 并根据计算结果对试验现象作出解释和说明。并给出预测爆裂面积率的经验公式。 东南大学硕士学位论文高强混凝土( 砂浆) 受火爆裂条件与机理研究 第= 章混凝曩条件与机理的试验研究 2 1 试验原材料、设鲁硬试件恻鲁 为了贴近工程实际，本研究使用了工程中常用的原材料。见表2 1 1 。 表21 1 试验用原材料 材料参数 水泥 细集料( 河砂) 租骨科 水 减水剂 聚丙烯纤维 硅灰 金宁羊p i 4 2 5 r ，比表面积3 lo l l i t 堍 密度26 5 9 c m 3 。细度模数2 7 玄武岩，珥。= l o m m 自来水 迈地一1 0 0 ( 萘系) 上海产粉荆 5 6 m m 长，江苏丹阳丹强丝 9 4 0 - e u ，挪威 试验设备主要为自制燃油炉见图2 1 1 。 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 薷、 _ j i i 图2 1 1 燃油妒剖面图 t e m p e r a t u r e e l e v a t i o n 1 ， ，+ 一_ 。一 f。 + 型j j j 群瓣引 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 02 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 0 t i m e ( r a i n ) 图2 1 ，2 燃油炉的升温曲线及和1 s 0 8 3 4 升温曲线 4 一o。)8u订广，：lpiul aj3苟j9dej- 第二章混凝土爆裂条件与机理的试验研究 试验采用的是i s 0 9 3 4 推荐的标准升湿曲线， r o ) = 3 4 5 l g ( 8 f 6 0 + 1 ) + 2 0 温度( t ) 和时间( t ) 的关系【1 q 为 ( 2 1 1 ) 这里，t 的单位为s 。实际上这条曲线较难达到。但实测的曲线与标准曲线相差不大。另外， 为了对比燃油炉与电炉的区别，使用了升温速度较慢的电炉，以上升温曲线见图2 1 2 。 鉴于本研究的时间较短，采取了以下试验成型方式： 1 ) 采用以砂浆为主，净浆和混凝土为辅的方式。因为，第一，水泥胶砂爆裂的现象要 比混凝离散性小，而且可以减小实验强度；第二，在没有弄清楚爆裂的真正原因静，先把 骨料排除在外，就可以更加明确地研究水泥胶砂的影响；第三，设备因素，由于炉膛的有效 空间限制，如果作混凝土试件，那么将会使试验周期加长。 2 ) 试件的成型步骤为：干拌5 秒后，徐徐加水，并在2 0 3 0 秒内加完，手动慢速搅拌 3 分钟左右停机；将搅拌好的胶砂均匀装入下料漏斗中，开动振动台，下料时间为0 4 0 秒， 振动适当时间后停机。养护以采取5 0 6 0 c 水养1 4 天的方法为主。 2 2 螺曩鬃件的探寻 2 2 1 评价曩裂的参数 要研究爆裂，首先要确定表征爆裂的几个特征参数，包括：爆裂程度的参数、爆裂的临 界温度、爆裂的出现时间。爆裂的程度与许多条件有关，而这些条件又分为外部环境因素和 内部性能因素。外部因素如温度，加热时间和升温制度的不同：内部因素如水灰比，内部掺 合物，含水率等。 1 ) 爆裂的程度 爆裂的程度从直观的角度来看，无疑照片是最好的说明。本研究对爆裂的结果都做了 照片的拍摄。但是，从研究的角度来说，又迫切需要一种可以评价爆裂程度的一种量的概念。 所以，试验中，尝试了以下表达式： 爆裂程度= 平均爆裂面积率爆裂的比率 ( 2 21 ) 其中爆裂面积率是这样得到的：将试件受火面划分为一定数量的格子。如图2 2 i 所示 钐肜 形髟 钐钐 钐珍形 彭形 钐 钐习 钐彩澎 芴杉 钐形 彩 钐形彭钐 钐钐 形 钐芴 图2 2 1 爆裂面积划分示意 ( 阴影表示爆裂面部分) 将每个格子的爆裂面积相加再比上整个受热面面积就得到整体的爆裂面积率。在爆裂的边 缘，可以将曲线近似为直线。爆裂的比率就是同一批试件中爆裂数与整体数量之比。 2 ) 爆裂的临界温度 爆裂的临晃温度是指爆裂出现时刻环境的温度。根据许多文献的介绍和作者的试验经 验，将研究范围确定在3 0 0 6 0 0 之间。 5 东南大学硕士学位论文 高强混凝土( 砂浆) 受火爆裂条件与机理研究 3 ) 爆裂的出现时间 爆裂出现时间又叫初爆时刻，即从加热开始到爆裂初次发生时试件的受热时间。 2 2 2 影响爆裂的因素 影响混凝土爆裂与否的因素可谓错综复杂。很难用一两句话概括，也比较难以说清楚， 这可能就是很多文献极少总结的原因所在。笔者通过多次多角度的试验，尝试了对于爆裂程 度与诸多因素的关系进行总结。这些因素无非包括外因和内园，外因包括受火制度，温度高 低，加热时间、是否为明火等：内因包括试件的水灰比，含水率和硅灰的掺入量等。另外， 对于净浆、砂浆、混凝土的区别作一定介绍。另外尝试了钢筋对于试件爆裂的影响。 一、影响爆裂程度的外因 1 ) 爆裂程度与温度的关系 图222 示意了胶砂试件不同温度同一恒温时间下的爆裂情况： 3 0 0 0 8 0 6 趟0 4 蹦 裂 蝼0 2 0 o 4 0 0 5 0 0 图22 2 各温度下爆裂情况对比 3 0 0 3 5 0 4 0 04 5 05 0 05 5 0 6 0 0 温度( 。c ) 图223 爆裂程度与温度关系 6 第二章混凝土爆裂条件与机理的试验研究 从图2 2 2 可以看出，随着温度的升高，试件表面爆裂现