鋼纖維混凝土內(nèi)部溫度的實(shí)驗(yàn)研究

章冕

摘要：通過對埋設(shè)熱電偶的不同類型混凝土分別加熱到700 ℃ 后，對混凝土內(nèi)部埋設(shè)熱電偶處周邊提取試樣，檢測試件內(nèi)部經(jīng)歷的最高溫度，結(jié)果表明， 鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性好，而且在混凝土中摻入的鋼纖維越多，熱傳導(dǎo)性能越好。

關(guān)鍵詞：混凝土； 熱電偶； 高溫

引言

建筑物遭受火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)受熱而升溫，由于混凝土是熱惰性材料，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生不均勻的溫度場。與之相應(yīng)，混凝土材料性能惡化，發(fā)生截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)性能下降，出現(xiàn)不同程度的損傷。因此混凝土內(nèi)部受火溫度的研究是火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)檢測和鑒定的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)性研究。

一般說來，構(gòu)件內(nèi)部曾遭受的最高受火溫度分布可通過兩條途徑確定[1]：一是在已知空間內(nèi)氣體溫度-時(shí)間曲線的前提下，利用構(gòu)件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方程及相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解；或利用構(gòu)件內(nèi)部溫度場的簡化計(jì)算模型，確定構(gòu)件內(nèi)部的最高溫度分布；二是直接進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場取樣，然后根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)確定構(gòu)件內(nèi)部不同點(diǎn)的最高受火溫度。

1.熱電偶測溫基本原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢，因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

熱電偶是由二根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱作熱電偶的熱端（工作端）；和導(dǎo)線連接的一端稱作冷端。把熱電偶的熱端插入需要測溫的媒體內(nèi)，冷端置于外面，如果兩端所處的溫度不同（譬如，熱端溫度為T，冷端溫度為T ），則在熱電偶的回路中便會(huì)產(chǎn)生熱電勢E，該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度T和T 均有關(guān)，如果保持T 不變，則熱電勢只和T有關(guān)。也就是說，在熱電偶材料已定的情況下，它的熱電勢E只是被測溫度T的函數(shù)，我們測得E的數(shù)值后，就可知道被測溫度的大小。

2.實(shí)驗(yàn)概況與實(shí)驗(yàn)方法

一般情況下，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的總體布置如圖1所示，各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體型號由于實(shí)驗(yàn)溫度和試件尺寸，以及所需費(fèi)用高低的不同而自行選配。

試件

圖 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體布置圖

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過在試件內(nèi)部埋設(shè)熱電偶，利用熱電偶測溫法，測量普通混凝土和鋼纖維

混凝土內(nèi)部的溫度變化，得出溫度—時(shí)間曲線，比較鋼纖維混凝土與普通混凝土溫度場的差異，并驗(yàn)證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導(dǎo)性。

2.2 試件的制備

本實(shí)驗(yàn)的測量采用了邊長為150mm的立方體試件，并且在各混凝土中截面指定位置處預(yù)埋熱電偶，如圖2。

本文為了測量升溫過程中普通混凝土和鋼纖維混凝土的溫度分布和溫度變化，制備了3組邊長為150mm的立方體試件，為了實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)測量，澆注時(shí)每個(gè)試件內(nèi)部均預(yù)埋了三條熱電偶，熱電偶布置在各混凝土具有代表性的中截面處，測點(diǎn)布置如圖2所示內(nèi)部C（2，3）、A（3，3）、B（3，2）交點(diǎn)處 （D點(diǎn)為混凝土表面點(diǎn)）。試件編號如表1：

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

（1）實(shí)驗(yàn)采用高溫實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行加熱，爐膛內(nèi)部的溫度由鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶量測，而試件內(nèi)部溫度由埋設(shè)的細(xì)而輕的鎳鉻-鎳硅K型熱電偶絲做的傳感器量測，熱電偶接入數(shù)據(jù)采集儀。當(dāng)混凝土試件到達(dá)56d齡期之后將試件從養(yǎng)護(hù)室拿出，放進(jìn)高溫爐中加熱，一次升降溫實(shí)驗(yàn)中，按照加熱速度為8-10℃/min對試件施加高溫荷載，加熱到700℃，爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫1小時(shí)。在此過程中分別測出每個(gè)混凝土試件中4個(gè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線 （即混凝土內(nèi)部A、B、C三個(gè)點(diǎn)及表面D點(diǎn)）。

（2）通過預(yù)埋熱電偶記錄試件表面和內(nèi)部溫度的變化，采用巡檢儀自動(dòng)采集、記錄和分析溫度變化的全過程；在不同加熱時(shí)段檢測構(gòu)件表面和內(nèi)部各點(diǎn)溫度，為進(jìn)一步模擬試件的加熱實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

（3）對混凝土試件采用不同的加熱溫度、鋼纖維摻量等因素，通過熱電偶測溫實(shí)驗(yàn)，分析這些因素對溫度場的影響。

（4）依據(jù)試驗(yàn)獲取的構(gòu)件內(nèi)部的溫度—時(shí)間曲線，分析各系列混凝土試件的溫度變化，比較普通混凝土與鋼纖維混凝土的差別，并驗(yàn)證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導(dǎo)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從下面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖3到圖5中可以看出，在加熱過程中，最高溫度加熱到700℃，大致的趨勢是鋼纖維摻量為1.0%的混凝土試件要比鋼纖維摻量為0.5%的混凝土試件對溫度的傳播速度快，而鋼纖維摻量為0.5%的混凝土比沒有摻加鋼纖維的普通混凝土溫度的傳播速度快，即在大部分相同時(shí)刻下溫度高低依次是SF1.0>SF0.5>CON，這說明鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性更好，且同一試件內(nèi)，加熱過程中同一時(shí)刻下各點(diǎn)溫度高低根據(jù)各點(diǎn)位置深淺依次是D>C>B>A，即離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱的D點(diǎn)溫度低于兩面受熱的C點(diǎn)溫度。

圖3 加熱到700℃過程中SF1.0 圖4 加熱到700℃過程中SF0.5

各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線 各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線

圖5加熱到700℃過程中CON 圖2 試件中截面測點(diǎn)布置示意圖

各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線

4 作用機(jī)理分析

綜合以上對鋼纖維混凝土高溫后溫度變化可以看出，鋼纖維的摻入使混凝土具有較好的熱傳導(dǎo)性能，現(xiàn)結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)[5] [6]及作者的體會(huì)論述如下：

（1）出現(xiàn)以上試驗(yàn)的結(jié)果是因?yàn)榛炷恋臒醾鲗?dǎo)系數(shù)飽水狀態(tài)時(shí)為112 ～114W/m ℃，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為水的1/25 ，因此干燥狀態(tài)下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)更小，即混凝土隨著溫度的升高，水分被蒸發(fā)出去，混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高而減少；而鋼材具有更好的傳導(dǎo)性能，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為混凝土的20～30倍。又由于鋼纖維在混凝土中是三維亂向分布且互相搭接，因而它的摻入可使混凝土在高溫下更快地達(dá)到內(nèi)部溫度的均勻一致。所以從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來分析，跟理論基本上是一致的，即鋼纖維混凝土的摻量越多，溫度傳遞越快。由于鋼纖維的摻入使混凝土在高溫下更快地達(dá)到內(nèi)部溫度的均勻一致，從而減少溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，減少內(nèi)部損傷，并可抑制由于快速的溫度變化產(chǎn)生的混凝土體積變化，從而減少材料內(nèi)部微缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展，減緩了材質(zhì)的劣化，這也是前一章中所說的在同一高溫作用后混凝土力學(xué)性能隨著鋼纖維摻量的增加而增長的原因之一。

（2）在升溫、恒溫過程中，鋼纖維材質(zhì)本身發(fā)生晶體組織及晶體結(jié)構(gòu)的變化，并且經(jīng)受了類似熱處理的過程，使其溫度傳遞速度發(fā)生一系列變化，從而影響其本身溫差，詳細(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步探討與研究。

以上僅是對鋼纖維在高溫混凝土中作用的幾點(diǎn)粗淺的分析，要詳細(xì)分析其機(jī)理，必須對混凝土中的鋼纖維在高溫時(shí)、高溫后所發(fā)生的物理、力學(xué)等一系列的變化做詳盡的試驗(yàn)研究，這方面的工作有待進(jìn)一步開展。

5結(jié)論

本章綜合考慮了不同混凝土類型，加熱到不同最高溫度和混凝土試件內(nèi)部各個(gè)不同點(diǎn)的溫度時(shí)間變化，通過預(yù)埋熱電偶，測量了不同混凝土類型各個(gè)不同點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線，測定不同高溫后鋼纖維混凝土與普通混凝土試件內(nèi)部不同深度處所達(dá)到的最高溫度得出以下結(jié)論：

1.最高溫度加熱到700℃，鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性好，而且在混凝土中摻入的鋼纖維越多，熱傳導(dǎo)性能越好。

2.在同一試件內(nèi)，加熱過程中同一時(shí)刻各點(diǎn)溫度高低根據(jù)各點(diǎn)位置是離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱點(diǎn)的溫度低于兩面受熱點(diǎn)的溫度。

3.混凝土試件經(jīng)過高溫加熱并恒溫一個(gè)小時(shí)后，混凝土內(nèi)部溫度并沒有達(dá)到均勻一致。在今后的研究中，如果想使整個(gè)混凝土內(nèi)部溫度都達(dá)到受火溫度，應(yīng)適當(dāng)增加混凝土試件的恒溫時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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