秸稈纖維復(fù)合墻體的濕熱耦合特性及熱爆機(jī)理＊

王海蓉，趙 哲，楊文兵，梁 棟?

（1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州 510275； 2.廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006）

火災(zāi)次生災(zāi)害的發(fā)生概率和危害性極高.秸稈纖維復(fù)合墻體作為承力構(gòu)件使用，不僅可起圍護(hù)、保溫作用，而且可有效減小框架截面尺寸及配筋量，降低結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).但作為一種典型的多相非均勻復(fù)合材料，其損傷和破裂機(jī)理非常復(fù)雜［1］.在火災(zāi)的作用下，此類建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)行為也更為復(fù)雜和難以控制.因此，衡量秸稈纖維復(fù)合墻體的熱爆裂特性，或者研究其爆裂出現(xiàn)的原因十分重要.

傳統(tǒng)的熱爆分析主要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的類型、火災(zāi)荷載、通風(fēng)等外部條件，通過數(shù)值模擬確定構(gòu)件截面的溫度場(chǎng).這種方法易受不確定因素的影響，如墻體受熱脫水、碳化產(chǎn)物分解會(huì)產(chǎn)生吸熱反應(yīng)，并通過蒸氣及二氧化碳的逸出帶走大量的熱，這些因素會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部得到保護(hù)，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)計(jì)算的結(jié)果難以與實(shí)際相符［2］.Bazant等人［3］采用蒸氣壓理論對(duì)火災(zāi)時(shí)混凝土內(nèi)部的濕熱傳遞過程進(jìn)行了研究，并得到了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的濕度分布規(guī)律.本文擬在前期工作的基礎(chǔ)上，考慮復(fù)合材料非均勻的特性，從墻體的溫度變化、水蒸氣遷移及孔壓場(chǎng)的耦合作用出發(fā)，借助于濕擴(kuò)散、火災(zāi)和反復(fù)載荷試驗(yàn)，研究秸稈纖維復(fù)合墻體的熱工性能及其熱爆裂機(jī)理.研究結(jié)果對(duì)災(zāi)后定損、應(yīng)力集中現(xiàn)象分析和爆裂預(yù)防都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

秸稈纖維復(fù)合墻體的組分以水泥為主，植物纖維、細(xì)骨料、粉煤灰占較小比例，另配以改性外加劑、減水劑和水制成.其主要原料為亞泰水泥廠的低堿度水泥，比表面積為370m2／kg.骨料主要為石灰?guī)r，按照5～20mm連續(xù)級(jí)配.粉煤灰為廣州市黃埔發(fā)電廠的I級(jí)粉煤灰，比表面積為340m2／kg.纖維碎料寬約1～2mm，長(zhǎng)約1～1.5mm，其化學(xué)成分主要為粗纖維、灰分、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素和半纖維素［2］.

根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制作尺寸各異的立方體試塊若干，并將制備好的試件置于電熱烘箱中于100，200，300，400，500，600和700℃烘烤0.5h備用.

1.2 熱工性能實(shí)驗(yàn)

1）導(dǎo)熱系數(shù)：待試件自然冷卻后，采用TPS-2500型導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù).圖1為導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系曲線.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和最小二乘擬合，得到導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的簡(jiǎn)化關(guān)系式為：

式中：λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W／（m·K）；T為溫度，K，且273K≤T≤973K.

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系曲線Fig.1 The curve of thermal conductivity and temperature

2）濕擴(kuò)散系數(shù)：材料的濕擴(kuò)散性采用PCK實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試.實(shí)驗(yàn)過程中，所有與吸收面相鄰的面要保證與水或氣隔離.實(shí)驗(yàn)得到如圖2所示的累計(jì)吸水量曲線.

圖2 累計(jì)吸水量曲線Fig.2 The total absorbing water quantity curve

累計(jì)吸水量和時(shí)間t的開方呈線性關(guān)系［4］：

式中：I為累計(jì)吸水量，kg／m2；Dw為濕遷移系數(shù)，kg／（m2·s1／2）；t為時(shí)間，s.由式（2）和圖2，得不同溫度下的濕遷移系數(shù)（如圖3所示）.為了便于數(shù)值模擬，擬合得到濕遷移系數(shù)與溫度的簡(jiǎn)化關(guān)系式：

式中：273K≤T≤973K.

圖3 濕遷移系數(shù)隨溫度的變化曲線Fig.3 The moisture diffusion coefficient under different temperature

2 濕熱耦合模型

2.1 濕熱耦合模型

根據(jù)蒸氣壓與裂縫擴(kuò)展理論［5－7］，考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化、水蒸氣遷移及孔壓場(chǎng)對(duì)蒸氣遷移的耦合作用，將結(jié)構(gòu)內(nèi)部分為已干燥區(qū)、類飽和層和正在干燥區(qū).取火線長(zhǎng)度方向?yàn)檠芯繉?duì)象，得濕熱耦合模型，如圖4所示.

圖4 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的濕熱傳遞模型Fig.4 Heat－moisture transfer model

2.2 基本數(shù)學(xué)公式

為簡(jiǎn)化研究，作如下基本假設(shè)［5－7］：①結(jié)構(gòu)內(nèi)部為均勻、各向同性的介質(zhì)；②受熱過程中，內(nèi)部不會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，且常溫下是飽和的；③結(jié)構(gòu)內(nèi)部只有水蒸氣的分壓，且認(rèn)為水蒸氣為理想氣體；④只考慮“類飽和面”之前的壓力場(chǎng).基于以上假設(shè)，由擴(kuò)散方程得：

式中：T為溫度，℃；k為滲透率，mm2／s；ρ為質(zhì)量密度，kg／m3；c為比熱，kJ／（kg·K）；在類飽和層dv內(nèi)有：

式中：p為壓力，kPa；w為濕蒸氣質(zhì)量密度，kg／m3；M為相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)水蒸氣是0.018kg／mol；考慮水分?jǐn)U散的驅(qū)動(dòng)力為水蒸氣濃度梯度，即：

式中：J為質(zhì)量通量；D為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù).根據(jù)質(zhì)量平衡方程，有：

把式（6）代入式（7），得：

式中：水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)D＝2.29×10－5×（1＋T／273）1.75.結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳質(zhì)過程符合Darcy方程：

式中：q為流速，m／s；Dw為濕遷移系數(shù)，kg／（m2·s1／2）；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s.Dw為變量時(shí)，方程變?yōu)椋?/p>

類飽和層的水（自由水，結(jié)合水）在高溫下吸收大量的熱，會(huì)改變溫度場(chǎng)的分布.對(duì)于連續(xù)各向同性的均勻介質(zhì)，水的遷移對(duì)溫度場(chǎng)的影響為：

式中：λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W／（m·℃）；Q為熱源密度，W／m3；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W／（m3·℃）.

3 分析與討論

令距離步長(zhǎng)h＝0.001mm，時(shí)間步長(zhǎng)τ＝10s，質(zhì)量密度ρ＝1 862kg／m3，采用有限差分方法，進(jìn)行數(shù)值模擬.

3.1 截面的溫度場(chǎng)

以150mm×150mm×150mm的塊狀試件為研究對(duì)象，得到截面的溫度場(chǎng)分布如圖5所示.由圖5可知：截面長(zhǎng)度方向上的溫度差異較大.試件受熱15min時(shí)，受火側(cè)面的溫度已達(dá)700℃，但距受火側(cè)面100mm處卻接近常溫.雖隨火災(zāi)時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點(diǎn)的溫度會(huì)有所增加，但升幅有限.

圖5 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布Fig.5 The temperature field of various time

同等尺寸的試件澆筑前預(yù)埋自制鎳鉻鎳硅K型熱電偶，在ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)間單面受火，以獲得截面的溫度分布情況.試件受熱45min后的兩側(cè)面測(cè)點(diǎn)溫升情況，如圖6和圖7所示.可見：火災(zāi)初期受熱側(cè)面的溫升比模擬結(jié)果稍慢，待到燃燒后期，試件與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)間內(nèi)部熱量交換達(dá)到平衡后，與模擬曲線趨于一致；而非受熱側(cè)面因受到環(huán)境溫度的影響，其溫升普遍比模擬曲線高.

3.2 截面的熱爆裂特性

圖6 受火側(cè)面測(cè)點(diǎn)的溫升曲線Fig.6Temperature curve of fire side

圖7 非受火側(cè)面測(cè)點(diǎn)的溫升曲線Fig.7 Temperature curve of no fire side

圖8所示為截面的壓力分布情況.如圖8所示，在受火側(cè)面附近壓力存在一個(gè)極大值.且，無論受熱時(shí)間如何，壓力分布都會(huì)呈現(xiàn)先增加，然后減少，再重新增加的趨勢(shì).這說明：受火側(cè)面較近易出現(xiàn)初次爆裂.隨著濕熱傳遞和類飽和層向非受火側(cè)面的推移，在新的表面還會(huì)出現(xiàn)新的爆裂［8－9］.

圖8 不同時(shí)刻壓力場(chǎng)分布Fig.8 The pressurefield of various time

圖9～圖12所示為截面的壓力極值（壓力峰值）、受熱時(shí)間、截面溫度以及初次爆裂深度之間的關(guān)系.圖中顯示：1）初次爆裂大都發(fā)生在20～31 mm之間；2）隨著火災(zāi)的持續(xù)，壓力峰值快速上升

；3）壓力峰值出現(xiàn)的位置所對(duì)應(yīng)的溫度集中在300～400℃；4）初次爆裂出現(xiàn)的深度受溫度的影響.溫度越高，初次裂紋深度越大.

圖9 壓力峰值與初次裂紋深度的關(guān)系Fig.9 The relation between peak pressure and crack depth

圖10 壓力峰值與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 The relation between peak pressure and time

圖11 溫度與壓力峰值的關(guān)系Fig.11 The relation between peak pressure and temperature

圖12 溫度與初次裂紋深度的關(guān)系Fig.12 The relation between temperature and crack depth

3.3 試件的殘余抗壓強(qiáng)度

最后，根據(jù)《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》（GB／T 7314－2005），利用INSTRON 8506型四立柱液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)若干受熱后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試以檢驗(yàn)材料的熱爆性能.

表1列出了不同含水率的試件在經(jīng)歷了400℃高溫作用之后的殘余抗壓強(qiáng)度、壓力峰值和濕遷移系數(shù).其中，含水率為4%，5%，6%，7%的試件的殘余抗壓強(qiáng)度與初次爆裂的壓力峰值較接近；含水率為2%和3%的試件的殘余試件的殘余抗壓強(qiáng)度與初次爆裂的壓力峰值差異較大.這可能是因?yàn)椋汉瘦^低的試件內(nèi)部連通孔的數(shù)量較少，濕遷移系數(shù)較小，所以它的實(shí)際殘余抗壓強(qiáng)度比初次爆裂的壓力峰值要低［10］.

表1 不同含水率的復(fù)合墻體的殘余抗壓強(qiáng)度Tab.1 The residual compressive strength under different moisture content

圖13 材料殘余抗壓強(qiáng)度溫度關(guān)系Fig.13 The relation between residual compressive strength and temperature

圖14 材料的殘余彈性模量溫度關(guān)系Fig.14 The relation between residual elastic modulus and temperature

圖13和圖14所示分別是含水率為4%的試件殘余抗壓強(qiáng)度相對(duì)值、殘余彈性模量相對(duì)值隨溫度的變化關(guān)系曲線.從圖13可以看出，相對(duì)于混凝土而言，若火災(zāi)溫度低于400℃，秸稈纖維復(fù)合材料的殘余抗壓強(qiáng)度相對(duì)值將大于混凝土材料.而火災(zāi)溫度高于450℃時(shí)，復(fù)合墻體會(huì)喪失超過50%的抗壓強(qiáng)度.圖14則表明：材料的殘余彈性模量隨火災(zāi)溫度的關(guān)系較復(fù)雜，沒有確定的規(guī)律性.

4 結(jié) 論

1）初次爆裂出現(xiàn)的位置受火災(zāi)時(shí)間、溫度的影響.隨著火災(zāi)時(shí)間的持續(xù)，截面溫度升高，壓力迅速增長(zhǎng).溫度越高，類飽和層向非受火側(cè)推移越快，初次裂紋深度越大.

2）壓力峰值、初次爆裂出現(xiàn)的位置所對(duì)應(yīng)的溫度集中在300～400℃，這與抗壓強(qiáng)度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符.秸稈纖維復(fù)合材料在300℃左右開始出現(xiàn)明顯的抗壓強(qiáng)度喪失，主要是因?yàn)榧?xì)微裂紋的出現(xiàn).

3）材料的熱爆裂性能受濕遷移系數(shù)的影響.火災(zāi)外部條件不變的情況下，濕遷移系數(shù)增大，壓力峰值將增大，試件就不容易爆裂.

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