高温下高强混凝土爆裂研究

孟 燕 ，李逸卓 ，张航榕 ，赵云川 ，曹瑞东

（1.山西大学 电力与建筑学院，太原 030013；2.山西省交通新技术发展有限公司，太原 030012；3.太原理工大学 土木工程学院，太原 030024）

0 引言

混凝土是建筑工程中应用广泛、工程量庞大的建筑材料，但普通混凝土具有自重大、资源消耗量大等劣势，从20世纪60年代，高强混凝土逐步替代普通混凝土应用于建筑工程中，但高温下高强混凝土力学性能会出现劣化，还会发生不同程度的爆裂现象，造成严重的结构事故［1］，因此如何避免高强混凝土的高温爆裂现象成为高强混凝土研究热点。

混凝土板是混凝土建筑结构中重要的承重构件，高强混凝土楼板已成为趋势。在火灾作用下，由于高温混凝土板受火面积较大，往往较普通楼板发生更为严重的破坏。因此探究高强混凝土板爆裂机理［2］对于研究高强混凝土试件爆裂过程及防爆措施有非常重要的工程意义，同时可为抑制爆裂及改善混凝土性能的研究提供有利的借鉴。

1 原材料、试验制备及试验方法

1.1 原材料

试验用到的材料主要有太钢一级粉煤灰、太原狮头425水泥、艾肯硅灰、山西和盛聚羧酸减水剂、水洗河砂、辉绿岩石子，主要用量如表1所示。

表1 高强混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of high strength concrete （单位：kg/m3）

1.2 试件制备及试验方法

本次试验制备规格为400 mm×400 mm×110 mm的混凝土板，内部不同位置处插有与测温仪器相连的热电偶，用以测量不同点处温度，热电偶位置分布如图1（a）所示。在板周围填充石棉，使得板的受火面正对炉内如图1（b）所示，从而较好地还原在真实情况下板单面受火的情况。采用高温试验炉对试件受火面进行升温，升温速率为3℃/min，升温总时长为160 min，连接后的整体及局部示意图如图1所示。温度（T）随时间（t）增长的表达式为：

图1 混凝土板试件详图Fig.1 Detailed drawing of concrete slab specimen

1.3 试验结果

试验通过高温加热炉对试件进行加热，对试验进行160 min的持续追踪，并实时记录内部升温速率及爆炸行为。每隔20 min记录一次试验温度。经过整理得到试验数据，如表2所示。高强楼板单面受火开始爆裂的温度在340℃，此时炉内能听到零星响声，温度在340～478℃响声密集，在温度为478℃时，发生剧烈爆炸。最终的炸裂情况如图2（a）和（b）所示。

表2 试件爆裂温度及爆裂情况Tab.2 Bursting temperature and condition of specimen

绘制测点处温度的变化，得到了如图2（c）的变化趋势。高度差异是各点温度变化的主要原因，整体随着加热时间的延长不断升高。整体变化趋势分为两组，A、B与C三点的温度随时间变化较为一致，D、E与F三点温度随时间变化较为一致。由于其高度相近，因此变化曲线接近。

图2 温度响应及爆裂最终状态Fig.2 Temperature response and final burst state

2 有限元模拟

热应力爆裂机理，即在混凝土受热过程中，由于混凝土热惰性的存在会导致内外产生温差，形成温度梯度，从而导致热应力的产生。文献［2］提到温度梯度会造成混凝土被加热表面附近较高压应力和其它部分拉伸应力的产生，文献［3］提到混凝土在外部受火时，会发生受热膨胀产生拉应力，但受到本身几何形状的束缚，会在边角产生较大压应力。文献［4］认为热应力的产生会诱发热损伤，拉应力超过极限抗拉强度时会发生爆裂。

混凝土破坏准则是判断混凝土在复杂的外部条件下是否破坏的条件，也是一种判别混凝土性能的重要依据。混凝土外部受热膨胀会产生相当大的拉应力，但混凝土不可能无限制的膨胀，受到几何形状限制时便会产生一定的压应力，从而导致试件发生爆裂。研究表明，拉应力是裂纹扩展的主要原因［5］。当试件产生的拉应力超过极限抗拉强度时，试件即发生破坏［6］，Rankine破坏准则作为经典破坏准则可以较为准确地描述脆性材料的破坏状态，因此高强混凝土高温下的爆裂选取Rankine破坏准则。

2.1 模型建立及参数确定

2.1.1 模型建立及边界条件

利用有限元软件建立了尺寸为400 mm×400 mm×110 mm的三维模型。由于模型的温度随着时间的增长而发生变化，故此研究为瞬态过程。热传导边界条件为第三类边界条件，具体参数如表3所示。在模拟中，假定结构的温度场是均匀的，热量以对流和辐射的方式传递给混凝土模型，采用四面体网格算法对模型进行计算。

表3 混凝土热应力模拟边界条件Tab.3 Boundary conditions for thermal stress simulation of concrete

2.1.2 高温作用下材料的热工力学性能

混凝土材料热工参数的选取直接影响高温下混凝土的传热过程和温度变化情况，模拟取混凝土骨料与砂浆的整体参数作为研究，赋予模型混凝土的各项参数用以模拟混凝土真实状态，混凝土的热工参数主要包括导热系数λc、比热容Cc、密度ρc(T) 3个方面，混凝土的力学性能主要包括膨胀系数αc(T)、弹性模量EC等，本研究中材料热工力学性能参数均采用欧洲规范［8］进行确定。模型各项参数如下所示：

（1）弹性模量。

式中，Ec为常温下高强混凝土的弹性模量，参考文献［9-10］，其数值取40.7 GPa。

（2）密度。

式中，ρc为常温下混凝土的密度，高强混凝土一般取为2 400 kg/m3[11]。

（3）热膨胀系数。

式中，热膨胀系数是指物体由于热膨胀，在温度每升高1℃时的体积变化，单位为1/K。

（4）导热系数。

式中，导热系数λc为材料传导热量的能力，单位为W/(m·K)。

（5）恒压热容。

式中，恒压热容Cc为体系每升高1℃所吸收的热量，单位为J/(kg·K)。

2.1.3 混凝土的破坏准则参数

据高温爆裂机理及破坏准则的描述可知，混凝土的抗拉强度和抗压强度是探究破坏准则的两项重要指标。混凝土在高温情况下的抗拉、抗压强度都会发生不同程度的衰减，而且其变化的趋势也不尽相同；时旭东［12］等人经过研究发现，抗压强度在300℃之前与常温时的区别不大，在300℃之后呈线性下降趋势，在接近900℃的高温时小于常温下抗压强度的10%；赵军［13］等人通过试验探究发现高强混凝土在200℃、300℃、400℃、600℃和800℃时对应的抗拉强度分别为常温时的76%、73%、65%、33%和21%。而在400℃之前的抗压强度下降不明显，在600℃和800℃时的抗压强度为常温时的83%和45%。常温抗压抗拉数据采用实测值，据此，本文中的高温下抗拉强度和抗压强度值如表4所示。

表4 高温下试件抗拉、压强度取值Tab.4 Value of tensile strength and pressure degree of specimen under high temperature

2.2 模型验证

为验证本文建立的混凝土模型有限元分析的准确性与可靠性，利用试验数据与计算结果进行比较对比分析，如图3所示。从图中可以看到，模拟温度与实验炉温较为接近，A、B、C、D、E和F六点的计算值与实验值吻合较好，证明模型及所选参数较为可靠。

图3 温度场模拟结果与试验结果的对比Fig.3 Comparison of simulation results and experimental results of temperature field

3 模拟结果与分析

3.1 温度场结果分析

参考试验结果，发现105 min～151 min为混凝土板剧烈爆裂区间，为分析温度场及爆裂的具体变化情况，重点研究140 min的高温响应。

结合图4—图6，发现混凝土板温度场有以下特点：

图4 不同时间温度云图Fig.4 Temperature nephogram at different time

在对板进行加热的过程中，沿受火面到背火面的温度呈下降趋势，并且下降速率先大后小。由图5及图6（a）可知，在同一水平面上，不同位置处的温度中部高、四周低。板中间的整体的温度远低于受火面。

图5 140 min混凝土板切片云图Fig.5 Cloud picture of 140 min concrete slab

图6 140 min不同情况下温度变化Fig.6 Temperature change in 140 min under different conditions

由于混凝土的热惰性的存在，使得混凝土在短期之内无法将热量快速传递到内部，形成一定的温差，这也是产生热应力的原因。

3.2 应力场结果分析

对爆裂进一步研究，提取了140 min相应的云图及点图进行分析。

从图7切片图中可以发现，拉应力在混凝土板的高度方向上呈梯形分布，尤以受火一面拉应力最大，越靠近背火面，拉应力越小，且拉应力大的面积也在逐步减小；压应力于四周分布。

图7 140 min第一主应力切面分布Fig.7 Distribution of the first principal stress section in 140 min

在图8中，可以清楚看出越靠近中部，压应力越小，在中部拉应力达到最大。受火面中部由于膨胀，热交换面积加大，交换速率较快，混凝土板整体都向炉内膨胀，凸起程度随着与受火面距离的加大而减小。各个水平面上凸起部分热交换面积都比同水平高度上的部分大，使得凸起部分形成一条热量传递的通道，由于越靠近背火面，凸起程度越小，能够传递的热量也越来越少，温差也越来越小，故而拉应力也在逐渐减小，凸起部分整体呈梯形分布，故拉应力也呈梯形分布。

图8 140 min板中部水平方向应力变化Fig.8 The change of horizontal stress in the middle of plate in 140 min

3.3 破坏过程

为对模拟结果进行分析，提取了混凝土板侧面、受火面与中部的三个示意面，三个截面位置如9所示。

通过图10，可以发现在105 min时，受火面的棱边部分已经开始剥落；在125 min时，棱边处剥落面积增大到一定程度且扩散至角落；130 min时，角落混凝土脱落下来，从135 min到145 min这段时间内反映了受火面中心区域从开始破坏到破坏加深的过程；155 min，受火面完全破坏。对比模拟破坏过程与试验发现，破坏的开始时间和破坏过程较为相似，对于此类危险性性较大的试验，模拟分析能起到一定的指导意义。

图9 试件分析面示意图Fig.9 Schematic diagram of specimen analysis surface

图10 试件破坏过程Fig.10 Failure process of specimen

4 结论

本文通过对高强混凝土板进行高温爆裂试验，记录了板内温度场的变化及爆裂具体过程，并利用有限元软件建模，应用Rankine破坏准则并结合相关参数对高强混凝土板高温爆裂行为进行了研究，研究结果证明所选参数具备一定的可行性，可以较合理对高温作用下混凝土板温度变化、应力变化及爆裂过程进行仿真，相关结论如下。

（1）外界温度在340℃左右时，高强混凝土板开始破坏。外界温度在478℃时，高强混凝土发生剧烈爆炸。

（2）混凝土受热膨胀，膨胀程度随与受火面的距离的增大而减小，在距受火面同一距离处的温度中部高、周围低，与受火面的距离越大，此种现象越明显。

（3）在温升过程中，温度作为载体在混凝土内部传递，产生了一定的温差，导致了热应力的产生，板中体现为拉应力，周围产生较大压应力。压应力会使试件最早出现损伤，当拉应力超过极限抗拉强度时，混凝土板破坏。随着温度的持续升高，板的不同位置处拉应力分别达到极限抗拉强度，加剧爆裂的发生。

（4）综合模拟与试验得到的结果，超高强混凝土板的破坏过程为：板的受火面的棱边处最早剥落，随后破坏扩散至角，最后受火面炸裂。