火災下纖維自密實混凝土的爆裂行為預測

張 聰, 夏超凡, 袁 振, 李志華

(1.江南大學 環境與土木工程學院, 江蘇 無錫 214000; 2.中國建筑材料科學研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室, 北京100024)

火災通常會引起混凝土材料與結構的高溫爆裂,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-化學爆裂(>700℃)[1].其中,熱-濕爆裂是由混凝土內部的高溫蒸汽壓力引起,會導致混凝土保護層崩落,是最常見的一種爆裂形式,亦是學術界與工程界最關注的熱點問題之一[2].

引入纖維,尤其是合成纖維,是降低混凝土發生高溫下熱-濕爆裂風險的有效方式之一[3-7].由于爆裂自身的復雜性,目前國內外學者對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方面,如觀測爆裂形態、爆裂時間、爆裂溫度以及測試混凝土與纖維混凝土內部的蒸汽壓力等[8-14].而針對混凝土和纖維混凝土高溫爆裂預測理論的研究主要集中于：(1)混凝土和纖維混凝土內部最大蒸汽壓力的經驗預測公式[4-5,15];(2)基于多相多孔介質模型建立預測混凝土內部高溫蒸汽壓力發展過程的數學-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展過程以及爆裂行為的理論預測方法.

本文選取高強度自密實混凝土(SCC)基體,開展了SCC和纖維自密實混凝土(FRSCC)火災作用下內部蒸汽壓力的測試試驗,分析了鋼纖維、細聚丙烯(PP)纖維、粗PP纖維以及混雜纖維對SCC內部蒸汽壓力-時間-溫度關系的影響規律,并采用多相多孔介質一維模型對SCC和FRSCC內部蒸汽壓力進行了預測,對由蒸汽壓力所引起的混凝土爆裂行為進行了分析.本文研究結果可為混凝土、SCC以及FRSCC的火災高溫爆裂研究提供一定的理論與試驗依據.

1 試驗

1.1 基體材料

自密實混凝土(SCC)基體設計強度為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、水膠比等均為質量分數或質量比.14.16%;Ⅱ級粉煤灰,45μm方孔篩篩余9.2%;石英砂為中砂,細度模數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,長度60mm,直徑0.75mm,抗拉強度1100MPa,彈性模量200～210GPa,密度7.8g/cm3,4600 根/kg;細PP纖維(MIPPF)：深圳維特耐工程材料有限公司,長度9mm,直徑18μm,熔點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,長度45mm,直徑0.74μm,熔點170℃,密度0.91g/cm3,50140根/kg.試件中纖維的摻量及其28d抗壓強度如表2所示.

表2 試件中纖維的摻量及其28d抗壓強度

1.3 試件制作

參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》,測試了新拌混凝土的工作性能,結果如表3所示.采用150mm×150mm×550mm棱柱體試件測試SCC及FRSCC受火時的內部蒸汽壓力.成型前,在梁底距離受火面30mm位置處預埋壓力傳感器(見圖1);成型后,將試件放入混凝土標準養護室養護24h后拆模,接著將其放入水中養護28d，然后取出進行蒸汽壓力測試.

表3 新拌混凝土的工作性能

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

1.4 高溫試驗

采用蒸汽壓力傳感器(見圖1)對SCC進行內部蒸汽壓力測試.由圖1可見：梁四周填塞耐火棉實現單面受火工況;采用探針式熱電偶監測SCC內部測點溫度.其中,多孔燒結金屬網的孔徑為4μm,孔均勻分布;金屬管內徑為2mm.高溫試驗前,在金屬管中注滿高密度硅油,以保證蒸汽壓力的有效傳輸和轉換.參考ISO 834-1《Fire-resistance tests-Elements of buiding construction-Part 1:General requirements》中的溫度-時間曲線,通過燃燒丙烷氣體在梁底施加火災溫度荷載,升溫至600℃,保溫1h.

2 結果與討論

2.1 蒸汽壓力-溫度-時間關系

圖2為試件測點的蒸汽壓力(p)-溫度(T)-時間(t)關系曲線.由圖2可見：(1)與SCC相比,纖維的摻入降低了SCC內部的蒸汽壓力;纖維對FRSCC蒸汽壓力的影響順序為FRSCC-MIPPF>FRSCC-MAPPF>FRSCC-SF;與單摻纖維的FRSCC相比,混雜纖維的使用進一步降低了SCC內部的蒸汽壓力.這是因為PP纖維170℃時會開始熔化,將產生大量連通的微通道,從而釋放了混凝土內部的蒸汽壓力;而鋼纖維與SCC之間存在界面過渡區,該區域疏松多孔,是SCC內部的薄弱環節之一,亦可成為蒸汽壓力釋放的通道.(2)與SCC相比,纖維的摻入延長了試件測點峰值蒸汽壓力的出現時間.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.(3)試件達到峰值蒸汽壓力所對應的溫度為197～240℃;纖維的摻入降低了峰值蒸汽壓力所對應的溫度,其中鋼纖維對測點溫度的影響最為明顯.這是由于鋼纖維的導熱系數為45W/m,是SCC的20～50倍、是空氣導熱系數的1800 倍,因此鋼纖維的摻入可以降低SCC內部的溫度梯度,使其溫度分布更加均勻.(4)雖然細PP纖維的摻量明顯低于粗PP纖維,但細PP纖維對蒸汽壓力的降低效果優于粗PP纖維,說明相比于纖維摻量,PP纖維的根數對于SCC內部蒸汽壓力的影響更為顯著.

圖2 試件測點的蒸汽壓力-溫度-時間關系曲線Fig.2 Relation curves of vapor pressure-temperature-time for the measured points of speicmens

2.2 蒸汽壓力預測與爆裂分析

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

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結合水的質量;αu為水泥的水化程度;mcem為單位體積混凝土中水泥的質量;αp為粉煤灰的火山灰反應程度;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量比;mfw為單位體積混凝土中自由水的質量;mgw為單位體積混凝土中吸附水的質量;mw/mc為水灰比.

有機/酸復合溶液作用時，一方面因為煤中的礦物質能與復合溶液中酸發生化學反應，使得礦物質溶解，反應方程式見式(1)～(6)所示。這與X射線衍射結果一致，碳酸鹽礦物的溶解，粘土礦物的溶解和重結晶等，說明煤中礦物質與有機/酸復合溶液發生化學反應。

混凝土的熱傳導控制方程如式(5)所示.

(5)

式中：ρ為混凝土的密度;c為混凝土的比熱;λ為混凝土導熱系數;T為混凝土內部溫度;t為受火時間.

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;ρfw為自由水的密度;ηfw

為自由水的動力黏度,可按Sengers[33]提出的公式計算;mgw-r為因溫度作用而釋放的吸附水質量;mcw-r為因溫度作用而釋放的化學結合水質量.

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

(7)

(8)

式中：φx為受火深度x處混凝土的相對濕度;φec為混凝土養護環境濕度;a為混凝土養護齡期;S為混凝土孔隙水的飽和度;λ1、λ2和λ3為計算系數,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;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;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；Te為混凝土內部計算點的溫度，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為非受火面的環境濕度;ρg,T為溫度T時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].鋼纖維對混凝土高溫滲透性的影響暫忽略不計[39-40].混凝土中化學結合水按如圖3(b) 所示曲線均勻釋放至混凝土孔隙中[41]，Wc,r為化學結合水釋放率;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、化學結合水釋放率與溫度的關系Fig.3 Relationship between permeability of concrete, release percentage of chemically-bond water and temperature

由蒸汽壓力產生的拉應力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)為試件內部蒸汽的壓力.

圖4為試件蒸汽壓力發展過程的預測結果與試驗結果對比.由圖4可見,試件蒸汽壓力發展過程的預測結果與試驗結果較為接近.

圖4 試件蒸汽壓力發展過程的預測結果與試驗結果對比Fig.4 Comparison of predicted and experimental datas of vapor pressure development process of specimens

綜上,本文所用的計算模型可以用于自密實混凝土以及纖維自密實混凝土火災作用下內部蒸汽壓力發展過程的預測.但是,必須注意理論計算曲線的上升段較試驗曲線偏高,這是因為在計算模型中對滲透系數隨溫度的變化規律僅做了非常簡單的三線式假定(見圖3(a)).而實際上,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,而本文為了使計算過程簡化,忽略了鋼纖維對于滲透性的影響,并假定PP纖維達到170℃的熔點時才會對混凝土的滲透性產生影響,這必然會導致理論計算曲線的上升段較試驗曲線偏高.因此,后續研究中應適當開展高溫滲透性的相關試驗研究,為理論計算提供參考依據.

將自密實混凝土的潛在爆裂區域簡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域簡化過程Fig.5 Process of simplification for pore pressure induced spalling

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

(14)

式中：a為球體的內徑;b為球體的外徑.

當r=a時,σθ出現最大值：

(15)

根據混凝土爆裂蒸汽壓力理論,當σθ,max超過混凝土的極限抗拉強度σs時,蒸汽壓力將引起混凝土內部的開裂現象,即出現爆裂.SCC和FRSCC的極限抗拉強度σs隨溫度的變化關系如圖6所示[44](PP為聚丙烯纖維).取σθ,max=σs，可計算出混凝土的開裂深度(b/a)的臨界值.經計算本文研究工況下1

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

圖7為火災高溫作用后混凝土的脫落現象.由圖7可見：混凝土脫落層較淺,這與理論預測結果較為一致.

圖7 火災作用后混凝土的脫落現象Fig.7 Flaking of concrete after fire exposure

3 結論

(1)纖維的摻入降低了自密實混凝土(SCC)內部的蒸汽壓力、延長了峰值蒸汽壓力出現的時間、降低了峰值蒸汽壓力對應的溫度.

(2)細聚丙烯(PP)纖維對SCC內部蒸汽壓力的降低效果優于粗PP纖維,相比于PP纖維摻量,PP纖維的的根數對SCC內部蒸汽壓力的影響更為顯著.

(3)與單摻纖維相比,混雜纖維的摻入進一步降低了SCC內部的蒸汽壓力.

(4)通過與試驗結果的對比發現,本文采用的多相多孔介質一維模型可以較好地預測SCC和FRSCC火災作用下內部蒸汽壓力發展過程和高溫爆裂行為.