高溫下混凝土孔隙壓力試驗研究

王思翔 韓陽 李遠哲

(1.河南工業大學土木建筑學院,河南 鄭州 450001； 2.機械工業第六設計研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

高溫下混凝土孔隙壓力試驗研究

王思翔11韓陽11李遠哲22

(1.河南工業大學土木建筑學院,河南 鄭州 450001； 2.機械工業第六設計研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

高強度混凝土高溫下易發生爆裂破壞,升溫時混凝土微細觀孔隙結構內部蒸汽壓的變化與爆裂密切相關。本文通過自行設計的蒸汽壓裝置測量了混凝土從室溫加熱至600℃時孔隙結構中蒸汽壓的變化,分析了孔隙蒸汽壓隨溫度變化的規律,為探究混凝土高溫爆裂蒸汽壓機理提供了一種可行的試驗方法。

高溫;混凝土;蒸汽壓;孔隙壓力

混凝土在高溫下爆裂是一個多重因素、多種作用相互混合的復雜問題,與溫度、升溫速率、含水率、滲透性能、配合比、養護條件、約束條件等因素密切相關［1一2］,與它們之間的相互作用聯系更為緊密。基于爆裂的影響因素眾多,關于爆裂機理的探討一直存在爭議,在當今被學術界廣泛接受的爆裂機理中,孔隙蒸汽壓機理［3］備受關注。蒸汽壓理論認為混凝土爆裂是由孔隙結構中自由水和化合水的變化引起蒸汽壓所致,隨溫度升高,混凝土基體中化學結合水分解、釋放游離水蒸發均會導致形成蒸汽壓梯度,當蒸汽壓超過混凝土的抗拉強度時便會出現爆裂。

混凝土抗爆裂研究需要特殊的測量手段,以及一些特制的測試儀器,高溫變形、蒸汽壓測量及力學性能測試試驗都有一定難度,相關學科發展的緩慢和測試手段的局限,都極大地限制了混凝土耐火、抗爆裂研究的發展。目前對于孔隙蒸汽壓力一溫度的試驗主要集中在國外,國內對于這方面理論研究較多,但是試驗研究相對較少,本文結合國內外最新的研究成果,自行設計了一套測量高溫下混凝土孔隙壓力的試驗裝置,并對普通強度混凝土試塊進行了試驗,由此驗證了該裝置測量孔隙壓力值的有效性,在此基礎上對試驗數據進行了分析。希望本文能對高強混凝土爆裂因素研究的試驗提供一定的參考。

1 試驗方案與實驗設計

混凝土在高溫下的孔隙壓力存在于混凝土內部的微孔結構里面,所以它的測量是一項難度較高的試驗,需要特制的氣體收集裝置和測量裝置,還要結合試塊來設計加熱裝置,才能達到較理想的試驗目的,本文參考Kalifa等相關研究,［4一5］并在其基礎上加以改進,設計了一套測量高溫下混凝土孔隙壓力的裝置,通過該設備對試塊單面加熱,測量了混凝土在高溫下的內部孔隙壓力和對應的溫度。

1.1 試驗設備

本試驗所采用的ZQYL型孔隙壓力測量裝置是專門設計制作的,分為加熱部分和測量部分。加熱部分采用高溫爐,爐膛尺寸為210mm×210mm×110mm。爐膛四周和底面由耐火磚砌成,底面放置電爐絲,設計最高加熱溫度為800℃。高溫爐的溫度采集儀及顯示屏、壓力傳感器集成于測量控制箱內,溫度傳感器通過數據線與K型熱電偶連接,壓力測量器通過PVC管與壓力傳感器連接。

1.2 試件制作

試件采用普通強度混凝土制作,設計強度等級為C30,尺寸為200*200*100mm。粗骨料為石灰石碎石,粒徑5～20mm連續級配,含泥量＜3%,泥塊含量＜0.5%,符合GB8076一2008的規定；細骨料為細度模數2.9的天然砂,含泥量＜3%,泥塊含量＜1%；水泥為P·O·42.5硅酸鹽水泥。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰。減水劑是QX一GX高效減水劑。混凝土配合比如表1所示。

表1 普通混凝土配合比(單位:kg/m3)

圖1 試塊尺寸及預埋件位置示意圖

試塊采用自然養護28d,在試塊表面除了受熱面之外的其他5個面上,涂抹防火漆,這樣既可以降低試塊表面初始裂縫對測試結果的影響,又可以使試塊近似的模擬單面受火的狀態。

2 試驗過程

2.1 試驗現象

設定爐膛溫度目標溫度為600℃,整個加熱時間持續5h。爐膛內的溫度從室溫升到590℃用時8min,隨后爐膛內溫度保持在591℃與615℃之間。加熱3min后,混凝土試塊表面開始冒青煙,且煙量一直增加,到加熱90min之后煙量逐步穩定并慢慢減少,在整個試驗過程中,冒煙現象一直存在。在加熱5h之后,爐膛溫度、熱電偶溫度、孔隙壓力值都已經達到穩定,停止加熱,爐子自然冷卻到室溫。

2.2 試驗后試塊狀態

試驗后試塊底面有微裂縫和密集分布的細孔,與加熱前相比有明顯的變化。試塊上涂抹的防火漆有明顯的過火痕跡,防火漆在高溫后依然保持表面完好。試塊頂面與細管的結合處有水漬,證明在加熱過程中,有水從細管和混凝土之間的縫隙中溢出。

3 試驗結果和分析

圖2為3個測壓點的孔隙壓力曲線。在剛加熱時, 25mm處的孔隙壓力先上升,加熱53min達到了最大壓力值13.44kPa,此時的溫度為138.2℃,隨即壓力開始下降；50mm處的壓力峰值在加熱1h17min之后出現,最大值達到25.18kPa,此時的溫度為149.05℃；而75mm處的孔隙壓力值達到了144.2kPa,在加熱1h之后出現,對應的溫度值為97.22℃。

25mm處距離加熱面最近,熱量首先傳導至此處,壓力開始上升,溫度的升高致使熱量傳遞到混凝土內部,其中的自由水和結合水開始蒸發形成蒸汽,隨著蒸汽的積聚,孔隙內的壓力初步增大,由于受到周圍混凝土的約束,壓力持續升高,直到細小的微裂縫在壓力的驅使下形成了貫通到試塊表面的裂縫,蒸汽被排出。之后蒸汽壓力有了穩定的排出通道,壓力值開始降低。

圖2 各個測壓點的壓力曲線

25mm處不僅受到的熱量最多,而且也最快。微裂縫形成貫通裂縫的過程不僅受蒸汽水壓力的影響,同時,也伴隨有溫度梯度應力的影響。50mm處的壓力峰值出現的比25mm處的晚,且峰值比25mm處的大,對于此處的壓力曲線,影響更大的同樣是溫度應力梯度。50mm處達到壓力最大值時溫度為149.05℃,比25mm處的138.2℃略高。隨著傳輸距離的增長,損耗的增加,在50mm處受到的溫度梯度影響比25mm處的小,只有更大的蒸汽壓力才能讓細小的微裂縫形成貫通的裂縫,壓力才能有途徑排出。于是,檢測到50mm處的孔隙壓力比25mm處的要大一些,在孔隙壓力達到25.18kPa之后,貫通的裂縫形成,孔隙壓力隨之減小。

75mm處測量到的孔隙壓力峰值時的溫度為97.22℃,壓力最大值達到了144.2kPa。這是直接的測量數據,證實了混凝土在高溫作用下內部孔隙壓力的存在和增長。而且這還是C30級的混凝土,高強度混凝土的密實度要比C30級混凝土好很多,這也就意味著高強度混凝土在高溫下內部的孔隙壓力值會更大,如此大的壓力若沒有合適的“通道”讓它緩慢排出,一直積聚到臨界值突然釋放的話,就可能發生爆裂。

75mm處孔隙壓力達到峰值時,溫度應力梯度對于其裂縫發展起到的作用微乎其微,這就使得微裂縫發展到貫通裂縫所需的壓力絕大部分要由蒸汽壓力提供。在混凝土內部產生的蒸汽向四周移動,雖有部分逸出混凝土外,但礙于混凝土的致密結構,不能完全排出,就迫使這部分蒸汽向內部遷移,增加了內部壓力。

圖3所示為測溫點隨時間變化的溫度分布曲線。在加熱初期,距受熱面25cm處的溫度梯度較大,背火面處溫度趨于0℃,因此試塊內會產生溫度應力。進入恒溫階段后,隨著熱量的傳導,溫度梯度逐漸趨于平緩。

圖3 測點溫度曲線

4 結論

混凝土在高溫作用下,其內部的孔隙壓力在一定范圍內會隨持續加熱而增大,加熱過程中,混凝土內溫度逐漸升高,到達一定范圍后,自由水和化合水蒸發并膨脹,水蒸氣向四周移動。由于混凝土內部致密的結構對水蒸汽的抑制阻礙作用使其不能完全排出,這部分水蒸汽便向混凝土內部遷移,隨著水蒸汽的不斷積聚,混凝土內部的孔隙壓力逐漸增大,這也正是水蒸氣不斷向內部遷移的原因,造成混凝土內部孔隙壓力峰值表現出由外向內移動的趨勢。試驗采用了普通強度混凝土試塊,測量了其微細觀孔隙結構內部蒸汽壓的變化,然高溫爆裂易發于高強混凝土,筆者將在此基礎上進行改進,繼續對高強混凝土爆裂因素研究的試驗進行探索。

［1］Long T.Phan.Pore pressure and explosive spalling in concrete［J］.Materials and Structures,2008(41):1623一1632.

［2］石東升,王海波,劉曙光.影響火災下混凝土爆裂因素的試驗研究［J］.內蒙古工業大學學報,2007,26(2):131一132.

［3］M.B.Dwaikat,V.K.R.Kodur.Hydrothermal model for predicting fire一induced spalling in concrete structural systems［J］. Fire Safety Journal,2009(44):425一434.

［4］Kalifa P,Menneteau D,Quenard D.Spalling and pore pressure in HPC at high temperature［J］.Cement Concrete Res, 2000(30):1915一1927.

［5］Bangi M R,Horiguchi T.Pore pressure development in hybridfiber一reinforcedhighstrengthconcreteatelevated temperatures［J］.Cem Concr Res,2011,41(11):1150一1156.

ExPerimental Studyon Pore Pressure of Concrete at High TemPerature

Wang Sixiang1Han Yang1Li Yuanzhe2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Henan University of Technology,Zhengzhou Henan 450001;2.SIPPR Engineering Group Co.,Ltd, Zhengzhou Henan 450007)

High一strength concrete is easy to burst with damage under high temperature,and the change of the internal vapor pressure of the concrete micro pore structure is closely related to the detonation when the temperature rises. In this paper,through the vapor pressure device that designed by ourselves,we measured the change of the internal vapor pressure of the concrete pore structure under the temperature changing from room temperature to 600℃,and analyzed the rules of the pore vapor pressure changing along with the temperature.This work provides a feasible experimental method for exploring the concrete high temperature burst mechanism of vapor pressure.

high temperature;concrete;vapor pressure;pore pressure

TU528

A

1003一5168(2015)07一0111一3

2015一6一11

王思翔(1988.12一),男,碩士,研究方向:高強混凝土高溫爆裂;韓陽(1955.6一)男,博士,教授、博士生導師,研究方向:建筑火災損傷評估、城市防災減災。