高温下混凝土孔隙压力试验研究

王思翔 韩阳 李远哲

(1.河南工业大学土木建筑学院,河南 郑州 450001； 2.机械工业第六设计研究院有限公司,河南 郑州 450007)

高温下混凝土孔隙压力试验研究

王思翔11韩阳11李远哲22

(1.河南工业大学土木建筑学院,河南 郑州 450001； 2.机械工业第六设计研究院有限公司,河南 郑州 450007)

高强度混凝土高温下易发生爆裂破坏,升温时混凝土微细观孔隙结构内部蒸汽压的变化与爆裂密切相关。本文通过自行设计的蒸汽压装置测量了混凝土从室温加热至600℃时孔隙结构中蒸汽压的变化,分析了孔隙蒸汽压随温度变化的规律,为探究混凝土高温爆裂蒸汽压机理提供了一种可行的试验方法。

高温;混凝土;蒸汽压;孔隙压力

混凝土在高温下爆裂是一个多重因素、多种作用相互混合的复杂问题,与温度、升温速率、含水率、渗透性能、配合比、养护条件、约束条件等因素密切相关［1一2］,与它们之间的相互作用联系更为紧密。基于爆裂的影响因素众多,关于爆裂机理的探讨一直存在争议,在当今被学术界广泛接受的爆裂机理中,孔隙蒸汽压机理［3］备受关注。蒸汽压理论认为混凝土爆裂是由孔隙结构中自由水和化合水的变化引起蒸汽压所致,随温度升高,混凝土基体中化学结合水分解、释放游离水蒸发均会导致形成蒸汽压梯度,当蒸汽压超过混凝土的抗拉强度时便会出现爆裂。

混凝土抗爆裂研究需要特殊的测量手段,以及一些特制的测试仪器,高温变形、蒸汽压测量及力学性能测试试验都有一定难度,相关学科发展的缓慢和测试手段的局限,都极大地限制了混凝土耐火、抗爆裂研究的发展。目前对于孔隙蒸汽压力一温度的试验主要集中在国外,国内对于这方面理论研究较多,但是试验研究相对较少,本文结合国内外最新的研究成果,自行设计了一套测量高温下混凝土孔隙压力的试验装置,并对普通强度混凝土试块进行了试验,由此验证了该装置测量孔隙压力值的有效性,在此基础上对试验数据进行了分析。希望本文能对高强混凝土爆裂因素研究的试验提供一定的参考。

1 试验方案与实验设计

混凝土在高温下的孔隙压力存在于混凝土内部的微孔结构里面,所以它的测量是一项难度较高的试验,需要特制的气体收集装置和测量装置,还要结合试块来设计加热装置,才能达到较理想的试验目的,本文参考Kalifa等相关研究,［4一5］并在其基础上加以改进,设计了一套测量高温下混凝土孔隙压力的装置,通过该设备对试块单面加热,测量了混凝土在高温下的内部孔隙压力和对应的温度。

1.1 试验设备

本试验所采用的ZQYL型孔隙压力测量装置是专门设计制作的,分为加热部分和测量部分。加热部分采用高温炉,炉膛尺寸为210mm×210mm×110mm。炉膛四周和底面由耐火砖砌成,底面放置电炉丝,设计最高加热温度为800℃。高温炉的温度采集仪及显示屏、压力传感器集成于测量控制箱内,温度传感器通过数据线与K型热电偶连接,压力测量器通过PVC管与压力传感器连接。

1.2 试件制作

试件采用普通强度混凝土制作,设计强度等级为C30,尺寸为200*200*100mm。粗骨料为石灰石碎石,粒径5～20mm连续级配,含泥量＜3%,泥块含量＜0.5%,符合GB8076一2008的规定；细骨料为细度模数2.9的天然砂,含泥量＜3%,泥块含量＜1%；水泥为P·O·42.5硅酸盐水泥。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。减水剂是QX一GX高效减水剂。混凝土配合比如表1所示。

表1 普通混凝土配合比(单位:kg/m3)

图1 试块尺寸及预埋件位置示意图

试块采用自然养护28d,在试块表面除了受热面之外的其他5个面上,涂抹防火漆,这样既可以降低试块表面初始裂缝对测试结果的影响,又可以使试块近似的模拟单面受火的状态。

2 试验过程

2.1 试验现象

设定炉膛温度目标温度为600℃,整个加热时间持续5h。炉膛内的温度从室温升到590℃用时8min,随后炉膛内温度保持在591℃与615℃之间。加热3min后,混凝土试块表面开始冒青烟,且烟量一直增加,到加热90min之后烟量逐步稳定并慢慢减少,在整个试验过程中,冒烟现象一直存在。在加热5h之后,炉膛温度、热电偶温度、孔隙压力值都已经达到稳定,停止加热,炉子自然冷却到室温。

2.2 试验后试块状态

试验后试块底面有微裂缝和密集分布的细孔,与加热前相比有明显的变化。试块上涂抹的防火漆有明显的过火痕迹,防火漆在高温后依然保持表面完好。试块顶面与细管的结合处有水渍,证明在加热过程中,有水从细管和混凝土之间的缝隙中溢出。

3 试验结果和分析

图2为3个测压点的孔隙压力曲线。在刚加热时, 25mm处的孔隙压力先上升,加热53min达到了最大压力值13.44kPa,此时的温度为138.2℃,随即压力开始下降；50mm处的压力峰值在加热1h17min之后出现,最大值达到25.18kPa,此时的温度为149.05℃；而75mm处的孔隙压力值达到了144.2kPa,在加热1h之后出现,对应的温度值为97.22℃。

25mm处距离加热面最近,热量首先传导至此处,压力开始上升,温度的升高致使热量传递到混凝土内部,其中的自由水和结合水开始蒸发形成蒸汽,随着蒸汽的积聚,孔隙内的压力初步增大,由于受到周围混凝土的约束,压力持续升高,直到细小的微裂缝在压力的驱使下形成了贯通到试块表面的裂缝,蒸汽被排出。之后蒸汽压力有了稳定的排出通道,压力值开始降低。

图2 各个测压点的压力曲线

25mm处不仅受到的热量最多,而且也最快。微裂缝形成贯通裂缝的过程不仅受蒸汽水压力的影响,同时,也伴随有温度梯度应力的影响。50mm处的压力峰值出现的比25mm处的晚,且峰值比25mm处的大,对于此处的压力曲线,影响更大的同样是温度应力梯度。50mm处达到压力最大值时温度为149.05℃,比25mm处的138.2℃略高。随着传输距离的增长,损耗的增加,在50mm处受到的温度梯度影响比25mm处的小,只有更大的蒸汽压力才能让细小的微裂缝形成贯通的裂缝,压力才能有途径排出。于是,检测到50mm处的孔隙压力比25mm处的要大一些,在孔隙压力达到25.18kPa之后,贯通的裂缝形成,孔隙压力随之减小。

75mm处测量到的孔隙压力峰值时的温度为97.22℃,压力最大值达到了144.2kPa。这是直接的测量数据,证实了混凝土在高温作用下内部孔隙压力的存在和增长。而且这还是C30级的混凝土,高强度混凝土的密实度要比C30级混凝土好很多,这也就意味着高强度混凝土在高温下内部的孔隙压力值会更大,如此大的压力若没有合适的“通道”让它缓慢排出,一直积聚到临界值突然释放的话,就可能发生爆裂。

75mm处孔隙压力达到峰值时,温度应力梯度对于其裂缝发展起到的作用微乎其微,这就使得微裂缝发展到贯通裂缝所需的压力绝大部分要由蒸汽压力提供。在混凝土内部产生的蒸汽向四周移动,虽有部分逸出混凝土外,但碍于混凝土的致密结构,不能完全排出,就迫使这部分蒸汽向内部迁移,增加了内部压力。

图3所示为测温点随时间变化的温度分布曲线。在加热初期,距受热面25cm处的温度梯度较大,背火面处温度趋于0℃,因此试块内会产生温度应力。进入恒温阶段后,随着热量的传导,温度梯度逐渐趋于平缓。

图3 测点温度曲线

4 结论

混凝土在高温作用下,其内部的孔隙压力在一定范围内会随持续加热而增大,加热过程中,混凝土内温度逐渐升高,到达一定范围后,自由水和化合水蒸发并膨胀,水蒸气向四周移动。由于混凝土内部致密的结构对水蒸汽的抑制阻碍作用使其不能完全排出,这部分水蒸汽便向混凝土内部迁移,随着水蒸汽的不断积聚,混凝土内部的孔隙压力逐渐增大,这也正是水蒸气不断向内部迁移的原因,造成混凝土内部孔隙压力峰值表现出由外向内移动的趋势。试验采用了普通强度混凝土试块,测量了其微细观孔隙结构内部蒸汽压的变化,然高温爆裂易发于高强混凝土,笔者将在此基础上进行改进,继续对高强混凝土爆裂因素研究的试验进行探索。

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

［2］石东升,王海波,刘曙光.影响火灾下混凝土爆裂因素的试验研究［J］.内蒙古工业大学学报,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,硕士,研究方向:高强混凝土高温爆裂;韩阳(1955.6一)男,博士,教授、博士生导师,研究方向:建筑火灾损伤评估、城市防灾减灾。