含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究.pdf

2 0 1 5年 第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No ． 9 S e p t e mb e r 含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究 李荣 涛 ， C h r 1 S t o p h e r Y ． T U a n 1 ． 大连大学 辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，I 1 6 6 2 2 ； 2 ． D e p t ． o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f N e b r a s k a L i n c o l n ， O m a h a N E 6 8 1 8 2 ， U S A 摘 要 根 据 国 内外 混 凝 土 结 构 火 灾 实验 的研 究 结 果 ， 结 合 笔 者 之 前 的 工 作 基 础 ， 利 用数 值 模 拟 手 段 探 讨 了混 凝 土构件 的含 湿量对其抗 火性能 的影响 ， 这些影响 包括 对温度 场、 蒸汽压力 、 损伤等 ， 并 阐释 了材料 内部在火灾中发生的 现 象及其 背后原 因． 为混凝土结构防减 灾设 计研 究提供 更多的借鉴 。 关键 词 数值分析 ； 含 湿量 ； 混凝土结构 ； 火灾 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h e s o f fi r e r e s i s t a n t e x p e r i me n t s ，b a s e d o n a u t h o r S t h e p r e v i o u s wo r k s ， a n u me r i c a l a n a l y s i s o f t h e e f f e c t o f mo i s t u r e c o n t e n t s o n t h e fi r e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s d o n e ． Th e r e l e v a n t e f f e c t s i n c l u d e t e mp e r a t u r e fi e l d ，v a p o r p r e s s u r e ，me c h a n i c a l d a ma g e a n d S O o n ．I n p a r t i c u l a r ，t h e t h e r mo- h y g r o- me c h a n i c a l d e t a i l e d b e h a v i o r o f c o n c r e t e a n d i t s r e a s o n s a r e e x p l a i n e d ， wh i c h wi l l p r o v i d e i mp o r t a n t r e f e r e n c e f o r t h e fi r e r e s i s t a n c e d e s i g n o f concr et e s t ru ct ur es ． Ke y wor d sNu me r i c a na l y s i s ；Mo i s t ur e c o n t e n t ；Co nc r e t e s t r u c t ur e ；Fi r e 中图分类号 T U 5 2 8 ． 0 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 5 0 9 4 8 0 3 0前 言 作 为 最基 本 的建 筑 材料 之 一 ， 混 凝 土 在 当今 社 会发展中扮演着十分重要的角色。而火灾是 已知所 有 自然和 人 为灾 害 中发 生 概率 最 高 、 危 害 最大 的灾 害之一 ， 因此 ． 早在混凝土材料诞生之初 ， 人们就在 不断探索与研究混凝土材料和结构在高温下 的力 学 性 能 。混凝 土材 料通 常 具有 较好 的抗 火 性 能 ， 主 要体现在以下两个方面 ①不可燃性 ； ②低热传导 性。但是混凝土材料在火灾高温 中却易发生一种称 为高温爆裂 s p a l l i n g 的破坏现象 。这种现象表现为 混凝土结构构件在火灾快速升温过程中 ． 构件表 面 材料层会突然脱落并伴有混凝土碎片的不断飞溅 ， 其主要特征是混凝土结构表层形成深浅不一 的凹 ” ．且多发生于高性能混凝土 H P C 或高强度混凝 土 H S C 结 构 中 。混凝 土 的高 温爆 裂 是一 种 灾难 性 破坏 。 难 以预见 ， 发 生后会 导致构 件内的钢筋直接 暴露在 高温 中 ， 使整体结构性能被极大削弱 ， 最 后 会提前崩塌 。 由此可见 。 探讨 混凝 土高温爆裂 的机理 ， 阐释 现象发生的背后原 因。 寻找防爆裂的具体措施是混 凝 土材 料结 构 防火减 灾研 究 的重要 内容 之一 。由 基 金项 目 国家 自然科 学基金项 目 1 1 3 0 2 0 3 4 ， 5 1 3 7 8 0 8 5 、 辽 宁省教 育厅基金项 目 L 2 0 1 1 2 1 5 。 48 于实际火灾情况较为复杂 ， 影响混凝土发生爆裂 的 影 响 因素 众 多 ， 比如材 料 的强 度 等级 、 含 湿 量 、 升 温 速率等内因与外 因。因此 ， 本文的 目的是基于国内 外混凝土结构火灾实验结果 ， 结合笔者前期 的研究 基础 ] ， 采用数值模拟手段着重进行混凝土构件 的 含湿量对其抗火性能的影响探讨 。 这些影响包括对 温 度 场 、 蒸 汽压 力 、 损 伤等 ， 以期 为混 凝 土 结 构 防减 灾设计研究提供更多的借鉴。 1 含湿 量对 混凝 土构 件抗 火性 能 的影响 从物理和化学的角度而言 ， 混凝土作为孑 L 隙中 充满水分和空气 的多孑 L 材料 ， 是常温下最复杂的建 筑 工 程材 料 之一 ， 尤其 高 温下 会 发 生更 为复 杂 的物 理化学变化 。在高强混凝土试件 的高温试验 中， 当 混 凝 土受 热 温度 由室 温升 至 2 0 0 ℃时 ，混凝 土 内的 毛细 水 和凝 胶水 会 大 量蒸 发 。 这 一 阶段 可视 为 物理 过 程 温 度持 续 上 升 4 0 0 ℃之 前 ， 除 上述 水 分继 续蒸 发 之 外 ． 还 将 出 现 化 学 结 合 水 结 晶水 的 失 去 现 象 ， 这 个 阶段 被 认 为是 物 理化 学 过程 ； 而温 度 4 0 0 q C 以上阶段主要体现为化学过程 达到4 0 0 ％时， C a O H 开始脱水 ， 生成大量游离 C a O及水蒸汽， 此时已可观 察到 个别 爆裂 现象 的发 生 6 0 0 ℃时 ，黏 土类 和水 泥 水 化 物 均 分 解 ．爆 裂 现 象 在 此 升 温 过 程 中陆 续 发 生 ， 并 程 度加 大 ； 8 0 0 c I 二 以上 ， 混 凝 土 中 的结 晶水完 全 丧失 ． 所有试件均会发 生较严重 的爆裂破坏 ， 几乎 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李荣涛． C h r i s t o p h e r Y ． T u a n 含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究 完 全失 去 承载 能力同 。 ． 对 于 混 凝 土 爆 裂 的机 理 现 虽 还 没有 统 一 的 认 识 ， 但 多倾 向于因混凝 土材料 中湿分 的存在 ， 当混 凝土受热后 ， 热量会被液态水吸收进而使其大量蒸 发 ， 如果蒸发率超过水蒸汽 的迁移速率 ， 就会导致 孑 L 隙水蒸汽压力的形成 。 如图 1 所示 。持续增大 的 水蒸 汽压力 、 高热应力 由温度梯度和约束热膨胀 产生的 与衰减的材料强度必然会引起混凝土构件 表层材料的高温爆裂破坏发生 。而爆裂后的材料 ， 由于损伤的存在 ， 又会进一步加速热传导过程的发 展 。伴随着新的爆裂现象的不断发生 ， 不可避免地 将 会 导致 构 件 表层 混 凝 土一 层 一层 地 被 剥离 ， 直 至 构件内的钢筋直接暴露在高温下 。尤其对于高性能 混凝土 或高强度混凝土 结构 ， 由于． 材料本身的低 渗透性 。 这种破坏现象的发生就更为明显与剧烈。 干硬性 混凝 土 温度 气压 蒸发 区 部分饱和混凝土 图 l 内部孔隙压力引起的爆裂 X 可见 。 混凝土材料 中初始水分的含量 习惯使 用含湿量或相对湿度来表示 是混凝土结构和构件 火灾爆裂的主要影响因素之一 ， 并且含湿量或相对 湿度 与材料发生 高温爆裂 的概率基本成正 比。因 此 ， 一般情况下 ， 虽然影响爆裂发生 的因素众多 ， 但 是干燥的普通混凝土 N S C 结构或构件是不易发生 火灾爆裂 的。而之所 以低含湿量的高性能混凝土 H P C 也易于爆裂的原 因。 是 因其材料的低渗透性 导致高温下产生较高的孔隙气体压力 。 2不同含湿量混凝土构件的高温数值分析研究 火灾或高温实验是进行结 构高温性 能和结构 防火研究的基础 ， 但 由于实际火灾 的复杂性 ， 实验 装置 、 技术和经费 的限制 ， 因此 ， 进行 大规模 、 全方 位的实验测试是无法实现的。从 而 ， 计算机仿真数 值模拟成为一条最为有效的途径 ． 也是研究 的必然 趋势 。为此 ， 作者基于之前的混凝土材料高温下非 线性行为的数值分析工作 。 利用数值模拟手段开 展 更深层次地分析含湿量对混凝土构件抗火 性能 的影 响 考虑初始相对湿度 R H分别为 2 5 ％、 5 0 ％和 7 5 ％ 的 3 0 c m厚的三个混凝土墙体 ． 依据升温曲线对墙面 A不断加热。 利用有限元法数值模拟分析此问题 ， 有 限元数值模型简图如图 2 。除初始相对湿度外 ， 设三 个混凝土墙体 的主要材料参数相 同， 见表 1 。 D C 图 2 有限元模型简 图 表 1 主要材料参数 B 图 3 ～ 图 7分别 给出了三种初始相对湿度情况 下在 2 0 mi n时 ，自加热面沿墙体厚度方 向的温度 、 蒸汽压力 、 相对湿度 、 等效塑性应变和损伤度的数 值模拟分布曲线。 从 图 3中可知 ， 三种初始相对湿度情况下温度 分布规律基本相 同，即由加热面处逐渐向里降低 ， 且温度梯度在靠近加热面处最高 。但初始相对湿度 越高 ， 内部温度升高的速度就会相对越慢 。 这是 由 越 赠 O ． O 2 0 ． 0 4 至加热面的距离， m 温度分布 比较 O O ． 0 2 0．04 至加热面 的距离／ m 图 4 蒸 汽压力分布 比较 ． 49 ． 3 图 O 6 5 4 3 2 1 O B d W／ 出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 3期 堡 赠 靛 至加热 面的距离／ m 图 5 相对湿度分布 比较 至加热 面的距离／ m 图 6 等效 塑性应变 分布 比较 至加热面的距离， m 图 7 力 学 损 伤 分 布 比较 于含湿量越高蒸发所需的热量就越多。 随着加热的不断进行 ， 混凝土 内的水分会吸收 大量热量进而蒸发 ， 如果蒸发率超过水蒸汽 的迁移 速率 ， 孔 隙中必然就会形成水蒸汽压力 ， 如图 4所 示。而在气体压力梯度的驱使下 ， 水蒸汽又会 向相 对冷热的两个区域运动 ， 在较冷 区域水蒸汽重新凝 结形成近似饱 和层 ， 阻碍气体 的相对迁移 ， 见 图 5 ， 这种现象通常称为“ 湿阻 Mo i s t u r e C l o g ” 阎 。并且可 以观察到 ，初始相对湿度越高湿 阻现象越 明显 ， 蒸 汽压力 的数值也会随之显著上升。 图 6和图 7分别从塑性失效和损伤破坏两方 面分别展示 了混凝土材料 的高温破坏规律 ． 高蒸汽 一 5 0一 压 力 对 两者 的 影 响显 而易 见 。 同时 ， 初 始相 对 湿 度 越高产生 的蒸汽压力就会越大 ， 进而对材料 的破坏 就会越严重 ，所得数值分析结论 与相应实验 结果 十分吻合【 9 - l o 1 。 3结论 初始相对湿度的高低对高温下混凝土材料 的 温度分布趋势影响不大 ， 但会影响到材料内部升温 速率 的快慢 ， 即初始相对湿度越 高 ， 内部升温速率 就越慢 ； 较高的初始相对湿度会带来更加显著 的高 温 湿 阻现 象 发 生 ， 从 而 导致 材 料 内更 大 的蒸 汽 压 力 出现 ； 高蒸汽压力会引起混凝土材料 的力学性能发 生明显改变 ． 再结合温度梯度和约束热膨胀产生的 高热应力会触发材料的高温爆裂破坏 。高含湿量是 产生高蒸汽压力的必要前提。因此 ， 混凝土材料 中 含 湿 量 是 混 凝 土 结 构 和 构件 火 灾爆 裂 的 主要 影 响 因素之一 ， 并且与材料发生高温爆裂的概率基本成 正 比 参考文献 [ 1 ] He r t z K D ． L i mi t s o f s p a l l i n g of fi r e - e x p o s e d c o n c r e t e [ J ] ． F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， 3 8 1 0 3 1 1 6 ． [ 2 】 薛苏泉． 预应力混 凝土结构抗火性能研究综述 [ J ] ． 混凝土 与水泥制品。 2 0 1 2 7 5 8 6 2 ． [ 3 ] 郑 海波． 钢筋 混凝土结构 高温抗火性能研 究[ J 1 ． 混凝土与 水泥制品， 2 0 1 3 1 6 1 6 5 ． [ 4 ] 李荣涛．混凝 土火 灾高温 中传热传质 的数值模拟分析 [ J 】 ． 混凝土． 2 0 1 0 4 1 0 1 3 ． [ 5 】 李荣涛． 一种高温下混凝土化学塑性一 损 伤耦 合本构模型 [ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 0 ， 3 1 5 l 5 8 5 一 l 5 9 1 ． 【 6 】 谢伟 锋， 李 丽娟， 陈智泽 ， 等 ． 高强 混凝土 高温 下爆裂 机理 探讨[ J ] ． 新型建筑材料， 2 0 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