鋼混凝土界面接觸熱阻試驗研究

摘 要：火災(zāi)條件下鋼管與混凝土間界面熱阻對結(jié)構(gòu)溫度場有很大影響。利用INSTRON 8874型高溫材料試驗機的高溫接觸熱阻試驗裝置對鋼-混凝土界面接觸熱阻進行了試驗研究，根據(jù)各測點的溫度時間歷程曲線，利用多項式擬和方法外推得到鋼、混凝土界面處溫度值，通過熱傳導方程和接觸熱阻定義得到了界面接觸熱阻。試驗結(jié)果表明，不同界面壓力下鋼管混凝土界面的接觸熱阻數(shù)值比較穩(wěn)定，與文獻結(jié)果相比有一定可靠性；無界面壓力下鋼管混凝土界面的接觸熱阻數(shù)值離散性大，隨溫度變化明顯。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；界面接觸熱阻；火災(zāi)；界面壓力

中圖分類號：TU352.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0034-05

接觸熱阻是由于固體表面間接觸不緊密造成的，當發(fā)生熱量傳遞時，上述非緊密接觸的界面將產(chǎn)生熱阻。在航空航天和機械工程領(lǐng)域，對接觸熱阻進行了大量的理論、試驗和數(shù)值研究[1-7]，這些研究一般對界面模型的精細程度和接觸熱阻值精度要求比較高。而對于土木工程材料，尤其是混凝土材料的特殊性，土木結(jié)構(gòu)界面的接觸熱阻研究還比較少。

火災(zāi)（高溫）條件下鋼管與混凝土間界面熱阻對結(jié)構(gòu)溫度場有很大影響，而溫度場分析對進一步認識鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學性能和耐火極限有重要作用。鋼管混凝土接觸熱阻是由于鋼管和混凝土交界面處接觸不緊密造成的。接觸熱阻的存在減小了鋼管傳向核心混凝土的熱流，導致鋼管升溫加快而混凝土升溫減慢，從而使得鋼管內(nèi)壁與混凝土表面間存在明顯的溫度躍變。在計算中若不考慮界面接觸熱阻，則鋼管內(nèi)壁和混凝土表面溫度相同，這將導致鋼管溫度計算值偏低，混凝土計算值偏高。為了得出準確的溫度場分布，需考慮鋼管與混凝土界面接觸熱阻。

齊晗兵[8]用防護熱板法和圓管法分別對鋼管混凝土界面接觸熱阻進行了測定。Ghojel[9]對未加載的圓鋼管混凝土構(gòu)件的接觸熱阻進行了試驗研究和數(shù)值分析，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋼管混凝土不同方向測量得到的熱阻差別很大，因此最終取值為各個方向的平均值。這說明接觸熱阻大小與界面接觸的緊密程度和材料的物理參數(shù)等密切相關(guān)，研究界面接觸熱阻可取宏觀平均值。同時，考慮到鋼管混凝土柱承受荷載后其界面空隙有所增大，還提出了受荷后鋼管混凝土中鋼管與混凝土的接觸熱阻為未受荷時的12倍。中國還有多位學者[10-14]提出了鋼管混凝土界面接觸熱阻的經(jīng)驗公式和理論解，但運用起來比較復(fù)雜。同時研究也表明，接觸熱阻的存在對結(jié)構(gòu)溫度場分布影響比較大。

從以上鋼管混凝土界面接觸熱阻研究結(jié)果看出，界面接觸熱阻取值研究由于不夠充分，現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的取值。本文應(yīng)用基于INSTRON 8874型高溫材料試驗機的高溫接觸熱阻試驗裝置對鋼管混凝土界面熱阻進行測定，利用該儀器已經(jīng)進行了C/C復(fù)合材料與高溫合金GH600之間高溫接觸熱阻的試驗研究[15]，對鋼-混凝土界面接觸熱阻的研究目的是探討能否為鋼管混凝土溫度場計算提供合理的熱阻取值。

張宏濤，等：鋼混凝土界面接觸熱阻試驗研究

1 高溫下鋼混凝土接觸熱阻試驗方法

1.1 試驗原理

試驗的基本原理是將圓柱型的鋼、混凝土試件在一定壓力下軸向接觸，如圖1所示。鋼試件的一部分位于加熱爐中，對其進行加熱，混凝土低溫端強制冷卻，位于爐子上部的試件側(cè)向做絕熱處理，使熱流自下而上流動。通過測量試件沿軸向不同位置的溫度，進而可計算求得鋼、混凝土界面接觸熱阻。

試驗測點布置如圖1所示。測點按位置從上到下標識為“1，2，3，0，4，5，6”，各測點間的距離如表1，其中界面位置標為0。通過測溫儀可測得不同時刻各測點的溫度。由不同時刻鋼、混凝土各測點溫度進而可以用最小二乘法分別擬合外推得到不同時刻鋼、混凝土界面的溫度Ts、Tc，從而求得界面處溫度躍變ΔT。

1.2 試驗簡介

試驗采用清華大學力學實驗室的基于INSTRON 8874型高溫材料試驗機的高溫接觸熱阻試驗裝置，如圖2所示。整個裝置由加熱裝置、保溫裝置、測溫裝置、冷卻裝置、加載裝置及試件等組成。

圖2 基于INSTRON 8874型高溫材料試驗機的高溫接觸熱阻試驗裝置

Fig.2 The high temperature thermal contact resistance testing device based on INSTRON 8874 testing machine

混凝土試件采用C30自密實混凝土，水泥是42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰是Ⅱ級粉煤灰，粗骨料是豆石（5～20連續(xù)級配），細骨料是河砂，外加劑是聚羧酸高性能減水劑。配比為水泥210 kg/m3，粉煤灰360 kg/m3，石子870 kg/m3，砂子650 kg/m3，水200 kg/m3，減水劑2.5 kg/m3。首先澆筑150 mm×150 mm×550 mm的混凝土試塊，養(yǎng)護到7 d時，用水鉆取芯，水鉆鉆頭為φ32。取出的混凝土芯直徑29 mm，高150 mm。取出混凝土芯后，用混凝土切割機將其切斷，并用角向磨光機將混凝土表面打磨平整，得到所需尺寸的混凝土試件。然后將試件置于鉆床上，在試件側(cè)向打孔，以便插入熱電偶測溫。打完孔之后，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d?；炷猎嚰睆?9 mm，高40 mm，側(cè)向測溫孔直徑3 mm，側(cè)向的測溫孔深入到試件中心處。鋼試件采用Q345鋼，試件直徑為30 mm，高115 mm（不包括試件夾持部分），測溫孔直徑3 mm，深入到試件中心處，試件如圖3所示。

圖3 混凝土試件和鋼試件

Fig.3 Test specimen of concrete and steel

2 試驗結(jié)果與分析

為了對比分析鋼混凝土在不同界面壓力下接觸熱阻隨溫度的變化規(guī)律，分別利用壓力加載裝置測得了加載值為0、0.5、1、3和6 kN（分別對應(yīng)界面壓力為0、0.76、1.51、4.54、9.08 MPa）時的接觸熱阻試驗結(jié)果。根據(jù)鋼管混凝土實際工作狀態(tài)，有界面壓力表明鋼管和混凝土界面沒有分離而且緊密接觸，無界面壓力表明鋼管和混凝土界面沒有壓力，但是沒有分離。

根據(jù)試驗原理，首先需要測得在不同界面壓力時圖1試件中各測點的溫度時間歷程曲線，見圖4，然后利用多項式擬和方法外推得到鋼、混凝土界面處不同時刻的溫度值。由于測點溫度變化的高度非線性，為盡量保證界面外推溫度的可靠性，測點溫度的取值以溫度時間歷程曲線平穩(wěn)變化開始，比如圖4中測點1，溫度起始值為35℃。圖4中250 s之前混凝土界面溫度利用1、2、3點溫度值擬和2次多項式得到，250 s之后（比如500 s時）混凝土界面溫度可以利用此時刻測點1、2、3的溫度建立3次多項式和500 s之前混凝土界面溫度值建立5次多項式利用規(guī)劃求解得到500 s混凝土界面溫度，然后根據(jù)界面處的溫度值，利用式（3）得到界面處的熱流密度，然后代入式（2）得到界面接觸熱阻。

為簡潔，圖4～圖7只列出了鋼混凝土界面壓力為0 MPa時，各測點的溫度時間歷程。圖中實線表示通過熱電偶測得的各測點不同時刻的溫度值，虛線表示由所測值擬合外推得到的鋼、混凝土界面處不同時刻的溫度值。由以上所得的溫度，可求得各試件接觸熱阻隨鋼界面溫度和不同界面壓力下的數(shù)值，變化曲線如圖8所示。圖8中“0 MPa-1”表示界面壓力為0 MPa時，第1個試件測得的接觸熱阻值，由于數(shù)據(jù)離散性較大，取0 MPa時4個試件接觸熱阻的平均值做出一條曲線，標示在圖中為“0 MPa”。

從溫度時間歷程曲線可以得到，鋼混凝土界面溫差一直存在而且比較大。由于無界面壓力情況下，界面間隙較有壓力時大，計算所得的界面溫差也較受壓時大。無界面壓力情況下，界面最大溫差平均值為139。由于溫差受界面粗糙度影響較明顯，所以，受壓時界面溫差最大值有一定的離散性，界面壓力為0.76 MPa時界面最大溫差平均值為80，1.51 MPa時為58，4.54 MPa時為68，9.08 MPa時為82。

從接觸熱阻結(jié)果看出，當無界面壓力時，隨著界面平均溫度的升高，接觸熱阻逐漸減小。這與李冬歡等[15]對金屬和復(fù)合材料界面的接觸熱阻變化規(guī)律比較一致，原因可能是由于界面間輻射效應(yīng)增強和空氣熱導率的升高，接觸熱阻開始降低。但當存在界面壓力時，接觸熱阻值變化很小，即使界面壓力從0.76 MPa到9.08 MPa，熱阻值隨溫度變化也不大，平均值保持在0.001～0.004 m2·℃/W，而未受載荷時鋼管混凝土界面接觸熱阻，Ghojel[9]的結(jié)果是0.000 5～0.000 8 m2·℃/W，齊晗兵[8]的結(jié)果是0.004 m2·℃/W。同時，把Ghojel根據(jù)試驗推導的未受載荷和受載荷時鋼管混凝土界面接觸熱阻的經(jīng)驗公式結(jié)果表示在圖8中，本文的試驗結(jié)果基本落在Ghojel的范圍內(nèi)，但是由于受載荷時Ghojel認為界面會有分離，所以他簡單估計受載荷時界面接觸熱阻為未受載時的12倍。

從試驗數(shù)據(jù)的離散性來看，沒有界面壓力時，結(jié)果離散性比較大，同一溫度下不同試件接觸熱阻值變化范圍最大為0.006～0.02，說明界面空隙和緊密程度對接觸熱阻影響很大。當有界面壓力時，即使只有0.76 MPa，接觸熱阻值變化范圍最大為0.002～0.006，離散性比較小，說明有界面壓力下，鋼管混凝土界面接觸熱阻值還是比較可靠的。

綜合以上分析，接觸熱阻在界面不受壓力時數(shù)值較大，并且隨溫度變化影響明顯。界面受壓力后，熱阻減小，并且受溫度影響較小。根據(jù)鋼管混凝土的實際工作狀態(tài)和便于工程應(yīng)用，本文建議鋼管與混凝土界面沒有壓力同時沒有分離時的接觸熱阻值可近似取0.013（200 ℃）～0.006（450 ℃）m2·℃/W，隨溫度線性變化，對于界面有分離的情況建議根據(jù)分離情況取文獻[9-10] 的0.003～0.01 m2·℃/W；鋼管與混凝土界面有壓力的接觸熱阻由于受溫度影響較小，結(jié)合齊晗兵[8] 的結(jié)果0.004 m2·℃/W，建議取試驗結(jié)果平均值0.003 m2·℃/W。

3 結(jié)論

基于INSTRON 8874型高溫材料試驗機的高溫接觸熱阻試驗裝置對鋼混凝土界面接觸熱阻進行測定，結(jié)果表明，試驗結(jié)果與文獻結(jié)果相比具有一定可靠性。鋼與混凝土界面有壓力的試驗結(jié)果與文獻結(jié)果比較接近，鋼與混凝土界面沒有壓力時界面接觸熱阻值離散性較大，而且受溫度影響比較大。試驗結(jié)果可以為鋼管混凝土溫度場計算提供熱阻取值。

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（編輯 王秀玲）