温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究1

温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究 摘要摘要 高性能混凝土热力学性能对评价混凝土结构的抗火反应至关重要 这篇 文章展现了温度对不同类型高性能混凝土热力学性能的影响 分别研究了 HSC 高强混凝土 SSC 自密实混凝土 FAC 粉煤灰混凝土 三种混凝土 在 0 800 摄氏度下的比热容 热导率和热膨胀系数 同时也研究了钢纤维 聚 丙烯纤维以及它们混合物对 HSC 和 SCC 的影响 实验结构表明在 0 800 摄氏 度之间 与 FAC 和 HSC 相比 SCC 具有更高的比热容 热导率和热膨胀系数 利用实验数据得出了不同热力学性能的温度函数 所得的热力学性能关系的数 据可以用来评估混凝土结构在火灾下的反应 关键词关键词 热力学性能 自密实混凝土 高强混凝土 纤维混凝土 热膨胀系数 简介简介 混凝土由于有较好的防火性能 而在首先考虑防火安全的建筑物和其他建筑设 施中有着广泛的应用 在过去的几十年中 混凝土技术有了重大研究和发展 并由此产生了高性能混凝土 高性能混凝土包括高强混凝土 自密实混凝土 粉煤灰混凝土和纤维混凝土 他们都有骄傲高的强度 耐久性而且经济 所以 得到了广泛的应用 在建筑物中使用高性能混凝土要考虑他们的防火性能 但 是 一些最近的研究结果表明新型混凝土如高强混凝土并不能提供和普通混凝 土相同的抗火性能 评价建筑结构的防火性能需要了解建筑材料的高温性能 对于混凝土来说 进行防火性能分析需要的性能分析是热学 力学 破坏 和一些特殊性能如火 灾一起的脱落 热学性能包括热导率 比热容 热膨胀系数以及质量损失 破 坏性能如裂缝 力学性能如强度 破坏 和弹性模数 都对结构的防火性能有 很大的影响 除此之外 在一定荷载作用下由火灾引起的脱落 能够改变混凝 土结构的防火反应 这些所有的性能随温度的改变而改变 同时受配合比 骨 料类型 有无纤维和化学掺加剂的影响 最近的一些研究结果表明 由 HSC 和 SCC 组成的结构的防火性能较低 这是由于 HSC 和 SCC 的热力学性能的不同 这同时也表明 HSC 和 SCC 可以 通过掺入钢纤维和聚丙烯纤维来提高其抗火性能 然而 对于纤维是如何提高 抗火脱落的研究很少 要想了解其作用机制需要知道混凝土高温性能 虽然对 于 NSC 的高温性能有许多的数据可查 但是对于新型混凝土如 HSC SCC FRC 和 FAC 却没有数据可查 这份研究的主要目的是评估高性能混凝土的热力学性能 包括 HSC SCC 和 FAC 的热导率 比热容和热膨胀系数 同时也对纤维对性能的影响有所研究 热导率和比热容的测量范围是 20 800 摄氏度 热膨胀系数的测量范围是 20 1000 摄氏度 利用实验数据得出了简单的热力学性能的温度函数 研究意义研究意义 火灾下温度在混凝土结构中的发展很大程度上取决于建筑材料的热力学性能 也就是混凝土和钢筋 当前 却少有新型混凝土如 HSC SSC 和 FAC 的热力 学性能的数据 这篇文章给出了热导率和比热容在 20 800 摄氏度以及热膨胀系 数在 20 1000 摄氏度的实验数据 这些实验数据得出了热力学性能与温度的函 数关系 这些函数关系可以用来计算温度模型和钢筋混凝土火灾下的反应 混凝土的热力学性能混凝土的热力学性能 在众多的建筑材料中 混凝土有较高的耐火性能 然而 一些最近的研究表明 新型混凝土如高强混凝土比普通混凝土抗火性能的低 新型混凝土的低抗火性 能归于强度的快速降低 刚度特性和火诱导剥落的发生 这种剥落经常发生在 高强混凝土中是由于低渗透率引起的混凝土高度压实 剥落引起连接处混凝土 的脱落 这使得钢筋直接暴露在火中 导致构件强度和刚度的快速降低 为预 测结构在火灾中的反应 了解连接构件在火中温度随时间变化的函数是必要的 为了更好的描述这种温度模型 我们就需要知道在 20 800 摄氏度之间的热力学 性能也就是热导率 比热容和热膨胀系数 热导率是当温度垂直梯度为 1 m 时 单位时间内通过单位水平截面积所 传递的热量 混凝土中含有不同形式的水 这些水的形式和多少严重影响着混 凝土的热导率 混凝土的热导率经常采用稳态法和瞬态法测量 在测量湿混凝 土的热导率时 瞬态法要优于稳态法 因为高温下混凝土中的物化反应引起热 量的断续的损失 图 1 显示了 NSC 的热导率的变化 阴影区显示了不同实验过程给出的数据 范围 不同的实验者采用不同的实验仪器 实验方法在不同的实验条件下得出 了不同的实验数据 几乎没有标准的实验方法来侧量热力学性能 一般来说 室温下普通混凝土的热导率在 1 4 和 3 6 之间 热导率随温度的增加而缓慢降 低 且这种降低主要取决于混凝土的配合比 含水量和渗透性 比热容是单位质量物质的热容量 即使单位质量物体改变单位温度时的吸 收或释放的内能 比热容主要受混凝土含水量 骨料类型和密实度的影响 图 2 显示了普通混凝土随温度变化的比热容 阴影区则显示了不同研究者的研究 数据范围 这种变化的主要影响因素是实验过程中的混凝土的含水量 骨料类 型 实验环境和实验仪器 热膨胀系数是等压 p 一定 条件下 单位温度变化所导致的体积变化 由温 度升高引起的热应力导致了热膨胀系数的线性变化 混凝土的热膨胀系数主要 影响因素是水泥类型 含水量 骨料类型 温度和混凝土的龄期 混凝土的热 膨胀系数还受其他因素的影响 如含水量变化引起的附加体积的变化 化学反 应 水化反应 成分变化 有温度变化引起的温度应力引起的裂缝 在某些情 况下 由于加热或温度升高引起的水分的减少会导致热收缩 并且这可能导致 整体的体积减少 也就是说收缩大于膨胀 图 3 显示了普通混凝土热膨胀系数 的变化数据 阴影部分表示了不同研究者给出的实验数据范围 从图中可以看 出 热膨胀系数从室温的 0 增加到 700 摄氏度的百分之 1 3 并且随后在达到 1000 摄氏度时保持为一个常数 混凝土连接处热导率 比热容 热膨胀系数的不同影响着它们的温度效应 这反过来导致了火灾下结构构件的响应的不同 例如 热导率增加百分之十会 导致更高的构件温度的增加 从而会引起混凝土结构百分之五的抗火性能的降 低 由此 可靠的热导率 比热容 热膨胀系数数据是得到较好的抗火性能评 价的关键 以往的研究表明普通混凝土的热力学性能变化较大 这种变化可能是在试 验过程中由于采用不同的试验方法 实验仪器的短缺 不同的实验条件引起的 除此之外 对于新型混凝土如 HSC FAC SCC FRC 的高温下的热力学性能的研 究数据是有限的 实验程序实验程序 这个综合复杂的实验是利用 HSC SCC FAC 三种混凝土来测量热力学性能 为 了更好的研究纤维对热力学性能的影响 钢纤维 聚丙烯纤维及其化合物分别 掺入了 HSC 和 SCC 不同的温度条件下测量不同试件的热导率 比热容和热膨 胀系数 配合比和实验样本配合比和实验样本 三种混凝土 HSC SCC FAC 用来制作测量热力学性能的样本 还有三种纤维 钢纤维 聚丙烯纤维 及其混合物分别掺入到 HSC SCC 中 试件编号分别为 HSC HSC S HSC P HSC H SCC SCC S SCC P SCC H 在这其中 S P H 分别代表 钢纤维 聚丙烯纤维和他们的混合物 所有的混凝土均使用普通水泥 最大直 径为 10mm 的石灰岩粗骨料和自然沙子作为细骨料 为达到预计的混凝土配合 比 加入一些矿物添加剂 如硅粉 粉煤灰 对于纤维加强 HSC 和 SCC 掺入了商业可用纤维如 Novocon XR 型刚纤维 和 monofilament 型聚丙烯纤维 钢纤维长 38mm 直径 1 14mm 抗拉强度为 966MPa 聚丙烯纤维采用不吸水类型的 长为 20mm 比重为 0 91 熔点为 162 摄氏度 HSC S 和 SCC S 中的钢纤维每立方米中 45Kg 约占质量的百分之 一点七五 HSC P 和 SCC P 中的聚丙烯纤维为 1Kg 每立方米 占总质量的百分 之 0 05 HSC H 和 SCC H 中 钢纤维和聚丙烯纤维分别为 42Kg 每立方米和 1Kg 每立方米 分别占总质量的百分之 1 75 和 0 05 每一类型的混凝土 试件的制作体积为 柱面为 9075 150mm 棱柱体为 10100 100 300mm 试件在浇筑一天后出模 保养环境是百分之六十的湿度和二 十摄氏度 圆柱试件的抗压试验在浇筑后的 7 天 28 天 90 天进行 混凝土棱 柱体用来做升温下的混凝土的热力学性能测试 热力学性能的测试在混凝土浇 筑后九十天的四个月内进行 表 1 给出了详细的混凝土配合比组成和实验条件 表 2 给出了不同龄期混 凝土的抗压强度 混合物 Limus 显示了石灰岩可以提高混凝土的流动性 工 业副产品硅粉 粉煤灰和矿渣在制作 HSC 的过程中具有胶结特性 为了得到适 当的配合比在 SCC HSC FAC 和 FRC 中掺入了化学添加剂如增塑剂 缓凝剂 减水剂 FAC 与其他混凝土相比有较高的强度 HSC 和 SCC 有混凝土生产厂 提供 而 FAC 是在实验室条件下自行配制 这也可能是 FAC 基友较高强度的 原因之一 实验仪器实验仪器 热力学性能的测量采用商业可用仪器 比热容和热导率的实验仪器为 Hot Disk TPS2500S 热能静态分析仪 实验仪器和火炉相连接 试件放在火炉里 这样试 件就可以暴露在火中并可以达到预计的温度 目前的实验仪器就是利用瞬态平 面热法来测量实验材料在室温到 800 摄氏度之间的热力学性能 水平探测器放 在试件的两等分之间 这个传感器即可以作为一个发热器同时又可以作为一个 探测器 电阻温度计 传感器使用 kapton 或 mica 与外界隔绝 Kapton 传感器 用于 0 200 摄氏度的测量 Mica 传感器用于 100 800 摄氏度之间的测量 当使 用稳态加热器时 传感器温度开始升高热量开始在试件中传播时就开始进行测 试 在测量的过程中试件的温度扩散要均匀 图 4 则表明了 mica 传感器被安装 在放在样品器组件中的两个混凝土试件之间 样品器组件同时也安装在火炉中 以便试件可以暴露在高温下 对热膨胀系数的测量 使用的是 TMA TMA 利用中心可移动的线性可差 动传感器 LVDT LVDT 可以把与试件直径改变相对应的数据输出 TMA 可 用于测量混凝土试件在室温到 1000 摄氏度的直径变化 平头针标准膨胀探测器 安放在混凝土试件上 同时有静力器以保证探头的固定 试件的温度不断升高 探针的移动则表明试件的膨胀或收缩 实验过程实验过程 用 TPS 进行热导率和比热容的测量 试件尺寸是 60 60 25mm 的棱柱体 热膨 胀系数的测量采用的之间按尺寸是 10 10 18 的棱柱体 试件自然风干 并且表 面光滑以便可以与传感器较好的连接 热导率和比热容的测量有 13 个温度测量 点分别是 20 100 200 300 400 450 500 550 600 650 700 750 和 800 摄氏度 较高 温度采用较小的增量是为了更好的得到混凝土热力学性能 热力学性能研究的 混凝土的龄期是不小于六个月 混凝土试件放在与 Hot Disk 相连的火炉中 目标温度 传感器电阻以及测 量时间都有程序设定 每一次实验 火炉的温度都要达到目标温度 并且要保 持到整个试件达到目标温度 在这个过程中 热导率和比热容有数据采集系统 进行收集 然后把火炉温度升高到下一个目标温度直到温度达到 800 摄氏度 每升高 100 摄氏度大约平均需要 25 分钟 升高 50 摄氏度大约需要 17 分钟 若 要整个试件达到目标温度 每升高 100 摄氏度需要 300 分钟 升高 50 摄氏度需 要 210 分钟 这样一个完整的实验过程需要大约 52 个小时 图 5 显示了不同目 标温度的时间温度增长关系 试件和火炉温度有 Hot Disk 软件控制 一旦进行 一个给定温度的测量 火炉温度就会升高到下一个目标温度 并保持到整个试 件达到目标温度 为证明试验的可靠性 会进行同一类型混凝土的重复试验 为此会选择 3 个 SCC 和 2 个 HSC 进行整个温度范围的重复测量 热导率和比 热容的变化范围保持在百分之五以内 才可以证明试验的可靠性 对热膨胀系数的测量 试验样本使用 ASTM E831 06 然而 由于混凝土 是水化材料 试件采用棱柱体形式 因此它们可以有基本一致的骨料和水泥含 量 贯穿于整个试验温度中三个 TMA 用于测试三种不同类型的混凝土 在热膨胀 系数的测量中 混凝土时试件 TMA 可移动表面的支座上 探针放在试件上 温度增长取决于特定试验的温度范围 一但试件放在 TMA 的表面 试验就开 始了并且有软件来控制记录随温度增加试件直径的变化 对于混凝土试件 设 定温度是每分钟升高 5 摄氏度 这样每个试件需要三小时二十分钟达到目标温 度 1000 摄氏度 图 6 显示了热膨胀系数实验中的温度坡度 结果及讨论结果及讨论 实验所得的热导率 比热容和热膨胀系数性能在下一节给出 实验所得数据用 于讨论热力学性能不同参数的作用 热导率热导率 图 7 显示了 HSC SCC FAC 的热导率的时间函数关系 室温下三种混凝土的热 导率在 2 4 和 3 3 之间 这三种混凝土在室温到 400 摄氏度之间都随温度的升高 而降低 在 400 500 摄氏度之间基本保持不变 随后到 800 摄氏度又呈下降趋 势 这种趋势可能是由于在加热过程中混凝土中含水量发生变化 0 400 摄氏度 之间热导率的迅速下降是由于随温度升高混凝土中的自由水蒸发导致了混凝土 中含水量的下降造成的 400 500 摄氏度之间的微小变化是混凝土中结合水的分 离造成的 500 摄氏度以后热导率缓慢降低是水化硅酸钙中少量强结合水的蒸 发 FAC 的热导率变化趋势和 HSC 的变化趋势基本一致 结果就是 FAC 和 HSC 的热导率没有较大的区别 SCC 的热导率也有相似的趋势 但是在 600 摄 氏度以后 SCC 比其他混凝土的热导率稍高 这可能是由由于掺入了较多的化学 物质 提高了水中的可溶解的化学离子的数量 化学离子的数量的增多提高了 SCC 的热导率 图 8 和图 9 分别给出了纤维对 HSC 和 SCC 热导率随温度变化的影响 对 于 HSC 这种趋势显示了钢纤维 聚丙烯纤维及其混合物的掺入在 600 摄氏度 之前对热导率的改变没有较大作用 在 600 摄氏度以后 纤维对加强纤维混凝 土 SCC 有轻微影响 这种趋势与水化硅酸钙的水化作用以及钢纤维本身有较大 热导率有关 对于 SCC 纤维对其热导率有影响 因为与 SCC P 相比 SCC S SCC H 有较高的热导率 这可能是由于钢纤维的热导率比聚丙烯纤维的热导率高 然 而 如图 9 所示 SCC 的三种含有纤维的热导率在整个的实验温度过程中有相 似的趋势 比热容比热容 图 10 给出了 FAC SCC 和 HSC 随温度变化的比热容 三种类型混凝土的比热容 在 400 摄氏度之前基本保持为常数 400 650 摄氏度之间呈增大趋势 650 800 摄氏度之间又保持为一个常数 相比较而言 SCC 和 FAC 有较高的比热容 原 因是 SCC 和 FAC 比 HSC 的渗透率低 较多的热量用于释放结合水 表 3 则给 出了不同混凝土的渗透性 可以看出 SCC 和 FAC 的渗透率低于 HSC 的渗透率 由于多余的热量用于混凝土中的结合水 所以 SCC 和 FAC 有较高的比热容 Kodur 和 Sultan 研究说在 600 摄氏度以后 HSC 的比热容受水泥砂浆与骨料理化 反应的影响 这同样用于 FAC 和 SCC 在 600 摄氏度以后一部分的热量用于提 高碳酸盐骨料混凝土的温度 与 HSC 相比 SCC 和 FAC600 700 摄氏度之间比 热容的显著提高是因为 SCC 和 FAC 中含有较多的化学及矿物成分 图 11 和图 12 分别给出了纤维对 HSC 和 SCC 的比热容的作用 钢纤维 聚丙烯纤维和他们的混合物对混凝土的比热容有些许影响 400 摄氏度以前三 种混凝土的比热容保持不变 但 400 摄氏度以后纤维对混凝土的比热容有轻微 的影响 600 摄氏度以前钢纤维和混合物纤维与聚丙烯纤维对混凝土的影响相 似 但在 600 800 摄氏度之间 含有聚丙烯纤维的混凝土的比热容有所降低 HSC S 和 HSC H 中的钢纤维有助于控制裂缝在高温下的发生及增长 由此混凝 土的密实度并没有降低 所以也就有较大的比热容 然而 对于 HSC P 在燃 烧后聚丙烯纤维遭到破坏 导致了混凝土多孔性的增加 结果就是 由于有较 多的裂缝 HSC P 混凝土渗透性增加 在较高温度时 HS PO 有较低的热导率 图 12 表明了与 SCC P 相比 SCC S 和 SCC H 有相似的裂缝控制和密实度保持 热膨胀系数热膨胀系数 图 13 给出了 HSC SCC FAC 热膨胀系数的温度函数变化 所有混凝土的热膨胀 系数均随温度的增加而增加 三种混凝土的热膨胀系数在 20 600 之间均随温度 的升高而显著增加 主要原因是混凝土中的组织骨料和水泥砂浆的存在 在 600 800 摄氏度之间 由于在水化过程中化合水的蒸发引起收缩而使热膨胀系数 比较平缓 在 800 摄氏度以后 热膨胀系数重新随温度的增高而增大 是由于 出现微小裂缝以后石灰石骨料的脱碳反应 由于水泥基质中氢氧化钙在 800 摄 氏度的水化 使得混凝土在 800 1000 摄氏度之间的热膨胀系数最大 与此同时 石灰石骨料中的结合水蒸发并导致了热膨胀系数的最大 在图 13 中我们可以看 到 在整个实验过程中 SCC 的热膨胀系数比其它两种混凝土稍高 这可能是由 于 SCC 含有较高的化学和矿物混合物以及较低的渗透率 在 800 1000 摄氏度之 间 FAC 出现热收缩 可能是混合物中含有粉煤灰 Shehata 已经证明粉煤灰可 以减少混凝土的膨胀 并且这种减少取决于粉煤灰体积的大小 图 14 给出了纤维对 SCC 和 HSC 热膨胀系数的影响 纤维对 SCC 和 HSC 的热膨胀系数均有影响 对于 HSC 纤维的掺入降低了它的热膨胀系数 一般 来说 这种作用在 400 1000 摄氏度之间最为明显 这可能跟钢纤维的不同热膨 胀系数和钢纤维对裂缝产生的控制作用有关 纤维的掺入提高了 SCC 的热膨胀 系数 而聚丙烯纤维对 HSC 和 SCC 热膨胀系数的提高的作用最小 总的来说 SCC 比 HSC 的热膨胀系数高出百分之零点四 热力学性能的关系热力学性能的关系 利用实验数据得到 SCC HSC FAC 的热力学性能的函数关系 热力学性能用 如下形式为表示 热导率和比热容在 20 800 摄氏度间及热膨胀系数在 20 1000 摄氏度间的实验数据关系 实验关系以线性回归为基础 对于回归分析 实验 数据作为因变参数而温度做为自变参数 Minitab 软件可以通过回归分析发现线 性规律 数据模型的准确性用 R2表示 R2表示与预测相关的数据的偏差的百分 率 函数 R2 的值在 0 和 1 之间 如果为 1 则表示方程与预测想吻合 与实验数 据相符合的 R2的值在符合 0 84 和 0 9 之间 就表明热力学性能比较合理 由于 纤维的作用不是很明显 所以在这里的关系式同样适用于加强纤维的 HSC 和 SCC 除非特别注明 热导率热导率 实验数据清楚的表明热导率主要受高性能混凝土的类型和温度变化的影响 为 了反映这种趋势 分别给出了 SCC HSC FAC 的表达式 每一种类型混凝土 的热导率表达式在两个温度范围给出 分别是 20 400 摄氏度和 400 800 摄氏度 之间 表达式如下 比热容比热容 比热容主要受混凝土