高溫下混凝土孔隙壓力試驗(yàn)研究

王思翔 韓陽(yáng) 李遠(yuǎn)哲

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001； 2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

高溫下混凝土孔隙壓力試驗(yàn)研究

王思翔11韓陽(yáng)11李遠(yuǎn)哲22

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001； 2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

高強(qiáng)度混凝土高溫下易發(fā)生爆裂破壞,升溫時(shí)混凝土微細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部蒸汽壓的變化與爆裂密切相關(guān)。本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)的蒸汽壓裝置測(cè)量了混凝土從室溫加熱至600℃時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)中蒸汽壓的變化,分析了孔隙蒸汽壓隨溫度變化的規(guī)律,為探究混凝土高溫爆裂蒸汽壓機(jī)理提供了一種可行的試驗(yàn)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(gè)多重因素、多種作用相互混合的復(fù)雜問(wèn)題,與溫度、升溫速率、含水率、滲透性能、配合比、養(yǎng)護(hù)條件、約束條件等因素密切相關(guān)［1一2］,與它們之間的相互作用聯(lián)系更為緊密?；诒训挠绊懸蛩乇姸?關(guān)于爆裂機(jī)理的探討一直存在爭(zhēng)議,在當(dāng)今被學(xué)術(shù)界廣泛接受的爆裂機(jī)理中,孔隙蒸汽壓機(jī)理［3］備受關(guān)注。蒸汽壓理論認(rèn)為混凝土爆裂是由孔隙結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)合水分解、釋放游離水蒸發(fā)均會(huì)導(dǎo)致形成蒸汽壓梯度,當(dāng)蒸汽壓超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)出現(xiàn)爆裂。

混凝土抗爆裂研究需要特殊的測(cè)量手段,以及一些特制的測(cè)試儀器,高溫變形、蒸汽壓測(cè)量及力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)都有一定難度,相關(guān)學(xué)科發(fā)展的緩慢和測(cè)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(fā)展。目前對(duì)于孔隙蒸汽壓力一溫度的試驗(yàn)主要集中在國(guó)外,國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面理論研究較多,但是試驗(yàn)研究相對(duì)較少,本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的研究成果,自行設(shè)計(jì)了一套測(cè)量高溫下混凝土孔隙壓力的試驗(yàn)裝置,并對(duì)普通強(qiáng)度混凝土試塊進(jìn)行了試驗(yàn),由此驗(yàn)證了該裝置測(cè)量孔隙壓力值的有效性,在此基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。希望本文能對(duì)高強(qiáng)混凝土爆裂因素研究的試驗(yàn)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土在高溫下的孔隙壓力存在于混凝土內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)里面,所以它的測(cè)量是一項(xiàng)難度較高的試驗(yàn),需要特制的氣體收集裝置和測(cè)量裝置,還要結(jié)合試塊來(lái)設(shè)計(jì)加熱裝置,才能達(dá)到較理想的試驗(yàn)?zāi)康?本文參考Kalifa等相關(guān)研究,［4一5］并在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn),設(shè)計(jì)了一套測(cè)量高溫下混凝土孔隙壓力的裝置,通過(guò)該設(shè)備對(duì)試塊單面加熱,測(cè)量了混凝土在高溫下的內(nèi)部孔隙壓力和對(duì)應(yīng)的溫度。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的ZQYL型孔隙壓力測(cè)量裝置是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作的,分為加熱部分和測(cè)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(shè)計(jì)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(cè)量控制箱內(nèi),溫度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與K型熱電偶連接,壓力測(cè)量器通過(guò)PVC管與壓力傳感器連接。

1.2 試件制作

試件采用普通強(qiáng)度混凝土制作,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,尺寸為200*200*100mm。粗骨料為石灰石碎石,粒徑5～20mm連續(xù)級(jí)配,含泥量＜3%,泥塊含量＜0.5%,符合GB8076一2008的規(guī)定；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)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(jí)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(yù)埋件位置示意圖

試塊采用自然養(yǎng)護(hù)28d,在試塊表面除了受熱面之外的其他5個(gè)面上,涂抹防火漆,這樣既可以降低試塊表面初始裂縫對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,又可以使試塊近似的模擬單面受火的狀態(tài)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

設(shè)定爐膛溫度目標(biāo)溫度為600℃,整個(gè)加熱時(shí)間持續(xù)5h。爐膛內(nèi)的溫度從室溫升到590℃用時(shí)8min,隨后爐膛內(nèi)溫度保持在591℃與615℃之間。加熱3min后,混凝土試塊表面開(kāi)始冒青煙,且煙量一直增加,到加熱90min之后煙量逐步穩(wěn)定并慢慢減少,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,冒煙現(xiàn)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(jīng)達(dá)到穩(wěn)定,停止加熱,爐子自然冷卻到室溫。

2.2 試驗(yàn)后試塊狀態(tài)

試驗(yàn)后試塊底面有微裂縫和密集分布的細(xì)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(guò)火痕跡,防火漆在高溫后依然保持表面完好。試塊頂面與細(xì)管的結(jié)合處有水漬,證明在加熱過(guò)程中,有水從細(xì)管和混凝土之間的縫隙中溢出。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖2為3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的孔隙壓力曲線(xiàn)。在剛加熱時(shí), 25mm處的孔隙壓力先上升,加熱53min達(dá)到了最大壓力值13.44kPa,此時(shí)的溫度為138.2℃,隨即壓力開(kāi)始下降；50mm處的壓力峰值在加熱1h17min之后出現(xiàn),最大值達(dá)到25.18kPa,此時(shí)的溫度為149.05℃；而75mm處的孔隙壓力值達(dá)到了144.2kPa,在加熱1h之后出現(xiàn),對(duì)應(yīng)的溫度值為97.22℃。

25mm處距離加熱面最近,熱量首先傳導(dǎo)至此處,壓力開(kāi)始上升,溫度的升高致使熱量傳遞到混凝土內(nèi)部,其中的自由水和結(jié)合水開(kāi)始蒸發(fā)形成蒸汽,隨著蒸汽的積聚,孔隙內(nèi)的壓力初步增大,由于受到周?chē)炷恋募s束,壓力持續(xù)升高,直到細(xì)小的微裂縫在壓力的驅(qū)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(wěn)定的排出通道,壓力值開(kāi)始降低。

圖2 各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力曲線(xiàn)

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(guò)程不僅受蒸汽水壓力的影響,同時(shí),也伴隨有溫度梯度應(yīng)力的影響。50mm處的壓力峰值出現(xiàn)的比25mm處的晚,且峰值比25mm處的大,對(duì)于此處的壓力曲線(xiàn),影響更大的同樣是溫度應(yīng)力梯度。50mm處達(dá)到壓力最大值時(shí)溫度為149.05℃,比25mm處的138.2℃略高。隨著傳輸距離的增長(zhǎng),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(xì)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(cè)到50mm處的孔隙壓力比25mm處的要大一些,在孔隙壓力達(dá)到25.18kPa之后,貫通的裂縫形成,孔隙壓力隨之減小。

75mm處測(cè)量到的孔隙壓力峰值時(shí)的溫度為97.22℃,壓力最大值達(dá)到了144.2kPa。這是直接的測(cè)量數(shù)據(jù),證實(shí)了混凝土在高溫作用下內(nèi)部孔隙壓力的存在和增長(zhǎng)。而且這還是C30級(jí)的混凝土,高強(qiáng)度混凝土的密實(shí)度要比C30級(jí)混凝土好很多,這也就意味著高強(qiáng)度混凝土在高溫下內(nèi)部的孔隙壓力值會(huì)更大,如此大的壓力若沒(méi)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(huà),就可能發(fā)生爆裂。

75mm處孔隙壓力達(dá)到峰值時(shí),溫度應(yīng)力梯度對(duì)于其裂縫發(fā)展起到的作用微乎其微,這就使得微裂縫發(fā)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(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽向四周移動(dòng),雖有部分逸出混凝土外,但礙于混凝土的致密結(jié)構(gòu),不能完全排出,就迫使這部分蒸汽向內(nèi)部遷移,增加了內(nèi)部壓力。

圖3所示為測(cè)溫點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度分布曲線(xiàn)。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(nèi)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。進(jìn)入恒溫階段后,隨著熱量的傳導(dǎo),溫度梯度逐漸趨于平緩。

圖3 測(cè)點(diǎn)溫度曲線(xiàn)

4 結(jié)論

混凝土在高溫作用下,其內(nèi)部的孔隙壓力在一定范圍內(nèi)會(huì)隨持續(xù)加熱而增大,加熱過(guò)程中,混凝土內(nèi)溫度逐漸升高,到達(dá)一定范圍后,自由水和化合水蒸發(fā)并膨脹,水蒸氣向四周移動(dòng)。由于混凝土內(nèi)部致密的結(jié)構(gòu)對(duì)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(nèi)部遷移,隨著水蒸汽的不斷積聚,混凝土內(nèi)部的孔隙壓力逐漸增大,這也正是水蒸氣不斷向內(nèi)部遷移的原因,造成混凝土內(nèi)部孔隙壓力峰值表現(xiàn)出由外向內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。試驗(yàn)采用了普通強(qiáng)度混凝土試塊,測(cè)量了其微細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部蒸汽壓的變化,然高溫爆裂易發(fā)于高強(qiáng)混凝土,筆者將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),繼續(xù)對(duì)高強(qiáng)混凝土爆裂因素研究的試驗(yàn)進(jìn)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(zāi)下混凝土爆裂因素的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(2):131一132.

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［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(qiáng)混凝土高溫爆裂;韓陽(yáng)(1955.6一)男,博士,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向:建筑火災(zāi)損傷評(píng)估、城市防災(zāi)減災(zāi)。