火災(zāi)下纖維自密實(shí)混凝土的爆裂行為預(yù)測(cè)

張 聰, 夏超凡, 袁 振, 李志華

(1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214000; 2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100024)

火災(zāi)通常會(huì)引起混凝土材料與結(jié)構(gòu)的高溫爆裂,降低其安全性和耐久性.混凝土的高溫爆裂包括熱-濕爆裂(220～320℃)、熱-力爆裂(430～660℃)和熱-化學(xué)爆裂(>700℃)[1].其中,熱-濕爆裂是由混凝土內(nèi)部的高溫蒸汽壓力引起,會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層崩落,是最常見(jiàn)的一種爆裂形式,亦是學(xué)術(shù)界與工程界最關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2].

引入纖維,尤其是合成纖維,是降低混凝土發(fā)生高溫下熱-濕爆裂風(fēng)險(xiǎn)的有效方式之一[3-7].由于爆裂自身的復(fù)雜性,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于由蒸汽壓力引起的混凝土以及纖維混凝土熱-濕爆裂研究主要集中于試驗(yàn)方面,如觀測(cè)爆裂形態(tài)、爆裂時(shí)間、爆裂溫度以及測(cè)試混凝土與纖維混凝土內(nèi)部的蒸汽壓力等[8-14].而針對(duì)混凝土和纖維混凝土高溫爆裂預(yù)測(cè)理論的研究主要集中于：(1)混凝土和纖維混凝土內(nèi)部最大蒸汽壓力的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式[4-5,15];(2)基于多相多孔介質(zhì)模型建立預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部高溫蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程的數(shù)學(xué)-物理方法[16-29].但是,目前依然欠缺能夠考慮纖維作用的混凝土高溫蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程以及爆裂行為的理論預(yù)測(cè)方法.

本文選取高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土(SCC)基體,開(kāi)展了SCC和纖維自密實(shí)混凝土(FRSCC)火災(zāi)作用下內(nèi)部蒸汽壓力的測(cè)試試驗(yàn),分析了鋼纖維、細(xì)聚丙烯(PP)纖維、粗PP纖維以及混雜纖維對(duì)SCC內(nèi)部蒸汽壓力-時(shí)間-溫度關(guān)系的影響規(guī)律,并采用多相多孔介質(zhì)一維模型對(duì)SCC和FRSCC內(nèi)部蒸汽壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè),對(duì)由蒸汽壓力所引起的混凝土爆裂行為進(jìn)行了分析.本文研究結(jié)果可為混凝土、SCC以及FRSCC的火災(zāi)高溫爆裂研究提供一定的理論與試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 基體材料

自密實(shí)混凝土(SCC)基體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C60,原材料包括：P·O 52.5R水泥,45μm方孔篩篩余(1)文中涉及的篩余、減水率、水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.14.16%;Ⅱ級(jí)粉煤灰,45μm方孔篩篩余9.2%;石英砂為中砂,細(xì)度模數(shù)2.51;石子粒徑為5～15mm;減水劑為Sika聚羧酸高效減水劑,減水率為30%.SCC的水膠比為0.32,其配合比見(jiàn)表1.

1.2 纖維材料

表1 SCC配合比

鋼纖維(SF)：上海貝卡爾特有限公司,有端部彎鉤,長(zhǎng)度60mm,直徑0.75mm,抗拉強(qiáng)度1100MPa,彈性模量200～210GPa,密度7.8g/cm3,4600 根/kg;細(xì)PP纖維(MIPPF)：深圳維特耐工程材料有限公司,長(zhǎng)度9mm,直徑18μm,熔點(diǎn)170℃,密度0.91g/cm3,35×109根/kg;粗PP纖維(MAPPF)：深圳維特耐工程材料有限公司,長(zhǎng)度45mm,直徑0.74μm,熔點(diǎn)170℃,密度0.91g/cm3,50140根/kg.試件中纖維的摻量及其28d抗壓強(qiáng)度如表2所示.

表2 試件中纖維的摻量及其28d抗壓強(qiáng)度

1.3 試件制作

參照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》,測(cè)試了新拌混凝土的工作性能,結(jié)果如表3所示.采用150mm×150mm×550mm棱柱體試件測(cè)試SCC及FRSCC受火時(shí)的內(nèi)部蒸汽壓力.成型前,在梁底距離受火面30mm位置處預(yù)埋壓力傳感器(見(jiàn)圖1);成型后,將試件放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h后拆模,接著將其放入水中養(yǎng)護(hù)28d，然后取出進(jìn)行蒸汽壓力測(cè)試.

表3 新拌混凝土的工作性能

圖1 蒸汽壓力-溫度測(cè)試裝置Fig.1 Set-up for temperature and pressure measurement

1.4 高溫試驗(yàn)

采用蒸汽壓力傳感器(見(jiàn)圖1)對(duì)SCC進(jìn)行內(nèi)部蒸汽壓力測(cè)試.由圖1可見(jiàn)：梁四周填塞耐火棉實(shí)現(xiàn)單面受火工況;采用探針式熱電偶監(jiān)測(cè)SCC內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度.其中,多孔燒結(jié)金屬網(wǎng)的孔徑為4μm,孔均勻分布;金屬管內(nèi)徑為2mm.高溫試驗(yàn)前,在金屬管中注滿(mǎn)高密度硅油,以保證蒸汽壓力的有效傳輸和轉(zhuǎn)換.參考ISO 834-1《Fire-resistance tests-Elements of buiding construction-Part 1:General requirements》中的溫度-時(shí)間曲線,通過(guò)燃燒丙烷氣體在梁底施加火災(zāi)溫度荷載,升溫至600℃,保溫1h.

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸汽壓力-溫度-時(shí)間關(guān)系

圖2為試件測(cè)點(diǎn)的蒸汽壓力(p)-溫度(T)-時(shí)間(t)關(guān)系曲線.由圖2可見(jiàn)：(1)與SCC相比,纖維的摻入降低了SCC內(nèi)部的蒸汽壓力;纖維對(duì)FRSCC蒸汽壓力的影響順序?yàn)镕RSCC-MIPPF>FRSCC-MAPPF>FRSCC-SF;與單摻纖維的FRSCC相比,混雜纖維的使用進(jìn)一步降低了SCC內(nèi)部的蒸汽壓力.這是因?yàn)镻P纖維170℃時(shí)會(huì)開(kāi)始熔化,將產(chǎn)生大量連通的微通道,從而釋放了混凝土內(nèi)部的蒸汽壓力;而鋼纖維與SCC之間存在界面過(guò)渡區(qū),該區(qū)域疏松多孔,是SCC內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)之一,亦可成為蒸汽壓力釋放的通道.(2)與SCC相比,纖維的摻入延長(zhǎng)了試件測(cè)點(diǎn)峰值蒸汽壓力的出現(xiàn)時(shí)間.這是由于纖維的摻入提高了SCC的高溫滲透性,從而延緩了峰值壓力的出現(xiàn).(3)試件達(dá)到峰值蒸汽壓力所對(duì)應(yīng)的溫度為197～240℃;纖維的摻入降低了峰值蒸汽壓力所對(duì)應(yīng)的溫度,其中鋼纖維對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度的影響最為明顯.這是由于鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m,是SCC的20～50倍、是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的1800 倍,因此鋼纖維的摻入可以降低SCC內(nèi)部的溫度梯度,使其溫度分布更加均勻.(4)雖然細(xì)PP纖維的摻量明顯低于粗PP纖維,但細(xì)PP纖維對(duì)蒸汽壓力的降低效果優(yōu)于粗PP纖維,說(shuō)明相比于纖維摻量,PP纖維的根數(shù)對(duì)于SCC內(nèi)部蒸汽壓力的影響更為顯著.

圖2 試件測(cè)點(diǎn)的蒸汽壓力-溫度-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of vapor pressure-temperature-time for the measured points of speicmens

2.2 蒸汽壓力預(yù)測(cè)與爆裂分析

將混凝土梁截面沿厚度方向劃分計(jì)算網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1(a)).圖1(a)中：L為混凝土梁截面厚度;變量x為計(jì)算節(jié)點(diǎn)距離受火面的深度,x=0為受火面位置,x=L為梁頂非受火面位置.根據(jù)Powers[30]、Atlassi[31]以及Mills[32]的研究,單位體積混凝土中各組分質(zhì)量可按式(1)～(4)計(jì)算.

mcw=0.23αumcem

(1)

mgw=0.93αumcem+0.34αpηf(mf/mc)mcem

(2)

mfw=(mw/mc-0.44αu)mcem-mgw

(3)

(4)

式中：mcw為單位體積混凝土中化學(xué)結(jié)合水的質(zhì)量;αu為水泥的水化程度;mcem為單位體積混凝土中水泥的質(zhì)量;αp為粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度;ηf為粉煤灰中非晶硅的含量,本文取55%;mf/mc為粉煤灰與水泥的質(zhì)量比;mfw為單位體積混凝土中自由水的質(zhì)量;mgw為單位體積混凝土中吸附水的質(zhì)量;mw/mc為水灰比.

有機(jī)/酸復(fù)合溶液作用時(shí)，一方面因?yàn)槊褐械牡V物質(zhì)能與復(fù)合溶液中酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得礦物質(zhì)溶解，反應(yīng)方程式見(jiàn)式(1)～(6)所示。這與X射線衍射結(jié)果一致，碳酸鹽礦物的溶解，粘土礦物的溶解和重結(jié)晶等，說(shuō)明煤中礦物質(zhì)與有機(jī)/酸復(fù)合溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

混凝土的熱傳導(dǎo)控制方程如式(5)所示.

(5)

式中：ρ為混凝土的密度;c為混凝土的比熱;λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);T為混凝土內(nèi)部溫度;t為受火時(shí)間.

混凝土的水分傳輸方程如式(6)所示[21].

(6)

式中：k混凝土的滲透系數(shù);ρfw為自由水的密度;ηfw

為自由水的動(dòng)力黏度,可按Sengers[33]提出的公式計(jì)算;mgw-r為因溫度作用而釋放的吸附水質(zhì)量;mcw-r為因溫度作用而釋放的化學(xué)結(jié)合水質(zhì)量.

Mitsuo等[34]的研究表明,混凝土受火時(shí)其內(nèi)部因水分的遷移而存在干燥區(qū)、濕潤(rùn)區(qū)和飽和區(qū)，區(qū)內(nèi)的蒸汽壓力按Saul等[35-36]所提出的公式計(jì)算.混凝土熱傳導(dǎo)分析時(shí),假定混凝土的溫度場(chǎng)以及化學(xué)結(jié)合水均勻分布;混凝土內(nèi)部同一計(jì)算深度處的蒸汽壓力亦是均勻分布,初始值為0.混凝土內(nèi)部吸附水和自由水的初始分布分別按式(7)、(8)計(jì)算[37-38].

(7)

(8)

式中：φx為受火深度x處混凝土的相對(duì)濕度;φec為混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度;a為混凝土養(yǎng)護(hù)齡期;S為混凝土孔隙水的飽和度;λ1、λ2和λ3為計(jì)算系數(shù),可按Jiang等[38]的研究成果取值.

受火面(x=0)和非受火面(x=L)的熱傳導(dǎo)邊界條件分別如式(9)、(10)所示.

(9)

(10)

式中：hf和he分別為受火面和非受火面的換熱系數(shù);Tf為火焰溫度；ε0和εL分別為受火面和非受火面的表面輻射系數(shù);T|x=0和T|x=L分別為受火面和非受火面的溫度;γ為Stefan-Bolzmann常數(shù)；Te為混凝土內(nèi)部計(jì)算點(diǎn)的溫度，0

受火面(x=0)的水分傳輸邊界條件為mfw|x=0=0和p|x=0=0.非受火面(x=L)的水分傳輸邊界條件為：

mfw|x=L=φeρg,TV|x=L

(11)

p|x=L=φepsvp,Ta

(12)

式中：φe為非受火面的環(huán)境濕度;ρg,T為溫度T時(shí)的干燥飽和水蒸氣密度;V|x=L為x=L處的孔體積;psvp,Ta為常溫下的飽和蒸汽壓力.

混凝土和PP纖維混凝土的高溫滲透性(K)如圖3(a) 所示[6,29].鋼纖維對(duì)混凝土高溫滲透性的影響暫忽略不計(jì)[39-40].混凝土中化學(xué)結(jié)合水按如圖3(b) 所示曲線均勻釋放至混凝土孔隙中[41]，Wc,r為化學(xué)結(jié)合水釋放率;吸附水按Ichikawa等[21]所建議的方式均勻釋放至混凝土孔隙中.

圖3 混凝土滲透性、化學(xué)結(jié)合水釋放率與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability of concrete, release percentage of chemically-bond water and temperature

由蒸汽壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力σt為[21]：

σt=βtp(T)

(13)

式中：βt為尺度因子,參考Zeiml等人的研究[42],本文取1；p(T)為試件內(nèi)部蒸汽的壓力.

圖4為試件蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比.由圖4可見(jiàn),試件蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近.

圖4 試件蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of predicted and experimental datas of vapor pressure development process of specimens

綜上,本文所用的計(jì)算模型可以用于自密實(shí)混凝土以及纖維自密實(shí)混凝土火災(zāi)作用下內(nèi)部蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè).但是,必須注意理論計(jì)算曲線的上升段較試驗(yàn)曲線偏高,這是因?yàn)樵谟?jì)算模型中對(duì)滲透系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律僅做了非常簡(jiǎn)單的三線式假定(見(jiàn)圖3(a)).而實(shí)際上,隨著溫度的升高,纖維以及纖維與基體之間的界面均會(huì)受到影響,在一定程度上將引起滲透性的增加,而本文為了使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化,忽略了鋼纖維對(duì)于滲透性的影響,并假定PP纖維達(dá)到170℃的熔點(diǎn)時(shí)才會(huì)對(duì)混凝土的滲透性產(chǎn)生影響,這必然會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算曲線的上升段較試驗(yàn)曲線偏高.因此,后續(xù)研究中應(yīng)適當(dāng)開(kāi)展高溫滲透性的相關(guān)試驗(yàn)研究,為理論計(jì)算提供參考依據(jù).

將自密實(shí)混凝土的潛在爆裂區(qū)域簡(jiǎn)化為具有一定厚度的空心圓球[43],如圖5所示.

圖5 蒸汽壓力引起的爆裂區(qū)域簡(jiǎn)化過(guò)程Fig.5 Process of simplification for pore pressure induced spalling

在球壁半徑為r位置取微元體,存在徑向拉應(yīng)力σr和法向拉應(yīng)力σθ.根據(jù)彈性理論,σθ可表示為：

(14)

式中：a為球體的內(nèi)徑;b為球體的外徑.

當(dāng)r=a時(shí),σθ出現(xiàn)最大值：

(15)

根據(jù)混凝土爆裂蒸汽壓力理論,當(dāng)σθ,max超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度σs時(shí),蒸汽壓力將引起混凝土內(nèi)部的開(kāi)裂現(xiàn)象,即出現(xiàn)爆裂.SCC和FRSCC的極限抗拉強(qiáng)度σs隨溫度的變化關(guān)系如圖6所示[44](PP為聚丙烯纖維).取σθ,max=σs，可計(jì)算出混凝土的開(kāi)裂深度(b/a)的臨界值.經(jīng)計(jì)算本文研究工況下1

圖6 SCC和FRSCC的極限抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系[44]Fig.6 Relationship between ultimate tensile strength and temperature of SCC and FRSCC

圖7為火災(zāi)高溫作用后混凝土的脫落現(xiàn)象.由圖7可見(jiàn)：混凝土脫落層較淺,這與理論預(yù)測(cè)結(jié)果較為一致.

圖7 火災(zāi)作用后混凝土的脫落現(xiàn)象Fig.7 Flaking of concrete after fire exposure

3 結(jié)論

(1)纖維的摻入降低了自密實(shí)混凝土(SCC)內(nèi)部的蒸汽壓力、延長(zhǎng)了峰值蒸汽壓力出現(xiàn)的時(shí)間、降低了峰值蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的溫度.

(2)細(xì)聚丙烯(PP)纖維對(duì)SCC內(nèi)部蒸汽壓力的降低效果優(yōu)于粗PP纖維,相比于PP纖維摻量,PP纖維的的根數(shù)對(duì)SCC內(nèi)部蒸汽壓力的影響更為顯著.

(3)與單摻纖維相比,混雜纖維的摻入進(jìn)一步降低了SCC內(nèi)部的蒸汽壓力.

(4)通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文采用的多相多孔介質(zhì)一維模型可以較好地預(yù)測(cè)SCC和FRSCC火災(zāi)作用下內(nèi)部蒸汽壓力發(fā)展過(guò)程和高溫爆裂行為.