鋼纖維混凝土內部溫度的實驗研究

章冕

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

關鍵詞：混凝土； 熱電偶； 高溫

引言

建筑物遭受火災后，結構受熱而升溫，由于混凝土是熱惰性材料，結構內部將產生不均勻的溫度場。與之相應，混凝土材料性能惡化，發生截面應力和結構內力重分布，結構性能下降，出現不同程度的損傷。因此混凝土內部受火溫度的研究是火災后混凝土結構檢測和鑒定的重要內容和基礎性研究。

一般說來，構件內部曾遭受的最高受火溫度分布可通過兩條途徑確定[1]：一是在已知空間內氣體溫度-時間曲線的前提下，利用構件內部的熱傳導方程及相應的邊界條件進行數值求解；或利用構件內部溫度場的簡化計算模型，確定構件內部的最高溫度分布；二是直接進入火災現場取樣，然后根據有關試驗確定構件內部不同點的最高受火溫度。

1.熱電偶測溫基本原理

將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個點之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

熱電偶是由二根不同的導體或半導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，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產生熱電勢E，該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度T和T 均有關，如果保持T 不變，則熱電勢只和T有關。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，我們測得E的數值后，就可知道被測溫度的大小。

2.實驗概況與實驗方法

一般情況下，實驗設備的總體布置如圖1所示，各個實驗設備的具體型號由于實驗溫度和試件尺寸，以及所需費用高低的不同而自行選配。

試件

圖 1 實驗設備總體布置圖

2.1 實驗目的

通過在試件內部埋設熱電偶，利用熱電偶測溫法，測量普通混凝土和鋼纖維

混凝土內部的溫度變化，得出溫度—時間曲線，比較鋼纖維混凝土與普通混凝土溫度場的差異，并驗證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導性。

2.2 試件的制備

本實驗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，為了實現對溫度的實時測量，澆注時每個試件內部均預埋了三條熱電偶，熱電偶布置在各混凝土具有代表性的中截面處，測點布置如圖2所示內部C（2，3）、A（3，3）、B（3，2）交點處 （D點為混凝土表面點）。試件編號如表1：

2.3 實驗步驟和方法

（1）實驗采用高溫實驗爐進行加熱，爐膛內部的溫度由鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶量測，而試件內部溫度由埋設的細而輕的鎳鉻-鎳硅K型熱電偶絲做的傳感器量測，熱電偶接入數據采集儀。當混凝土試件到達56d齡期之后將試件從養護室拿出，放進高溫爐中加熱，一次升降溫實驗中，按照加熱速度為8-10℃/min對試件施加高溫荷載，加熱到700℃，爐溫達到目標溫度后恒溫1小時。在此過程中分別測出每個混凝土試件中4個點的溫度-時間曲線 （即混凝土內部A、B、C三個點及表面D點）。

（2）通過預埋熱電偶記錄試件表面和內部溫度的變化，采用巡檢儀自動采集、記錄和分析溫度變化的全過程；在不同加熱時段檢測構件表面和內部各點溫度，為進一步模擬試件的加熱實驗提供參考依據。

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

（4）依據試驗獲取的構件內部的溫度—時間曲線，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，并驗證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導性。

3 實驗結果及分析

從下面實驗數據圖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性更好，且同一試件內，加熱過程中同一時刻下各點溫度高低根據各點位置深淺依次是D>C>B>A，即離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱的D點溫度低于兩面受熱的C點溫度。

圖3 加熱到700℃過程中SF1.0 圖4 加熱到700℃過程中SF0.5

各點的時間—溫度曲線 各點的時間—溫度曲線

圖5加熱到700℃過程中CON 圖2 試件中截面測點布置示意圖

各點的時間—溫度曲線

4 作用機理分析

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性能，現結合有關文獻[5] [6]及作者的體會論述如下：

（1）出現以上試驗的結果是因為混凝土的熱傳導系數飽水狀態時為112 ～114W/m ℃，而空氣的導熱系數為水的1/25 ，因此干燥狀態下混凝土的導熱系數更小，即混凝土隨著溫度的升高，水分被蒸發出去，混凝土的熱傳導系數隨溫度的升高而減少；而鋼材具有更好的傳導性能，其熱傳導系數為混凝土的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到內部溫度的均勻一致。所以從實驗的數據來分析，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到內部溫度的均勻一致，從而減少溫度梯度產生的內部應力，減少內部損傷，并可抑制由于快速的溫度變化產生的混凝土體積變化，從而減少材料內部微缺陷的產生及發展，減緩了材質的劣化，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，鋼纖維材質本身發生晶體組織及晶體結構的變化，并且經受了類似熱處理的過程，使其溫度傳遞速度發生一系列變化，從而影響其本身溫差，詳細機理有待進一步探討與研究。

以上僅是對鋼纖維在高溫混凝土中作用的幾點粗淺的分析，要詳細分析其機理，必須對混凝土中的鋼纖維在高溫時、高溫后所發生的物理、力學等一系列的變化做詳盡的試驗研究，這方面的工作有待進一步開展。

5結論

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部各個不同點的溫度時間變化，通過預埋熱電偶，測量了不同混凝土類型各個不同點的時間—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部不同深度處所達到的最高溫度得出以下結論：

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

2.在同一試件內，加熱過程中同一時刻各點溫度高低根據各點位置是離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱點的溫度低于兩面受熱點的溫度。

3.混凝土試件經過高溫加熱并恒溫一個小時后，混凝土內部溫度并沒有達到均勻一致。在今后的研究中，如果想使整個混凝土內部溫度都達到受火溫度，應適當增加混凝土試件的恒溫時間。

參考文獻

[1] 尹可芳.火災后鋼筋與混凝土粘結性能試驗研究[D].碩士學位論文.河南工業大學.2008：52-53.

[2] 陶景光，彭喜英，羅慧倩，孫大千.火災事故鑒定的掃描電鏡研究.電子顯微學報，2003，22（6）B：636-636.

[3] 趙軍，高丹盈，王邦.高溫后鋼纖維高強混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土，2006. （11）：4-6.

[4] 張彥春，胡曉波，白成彬. 鋼纖維高性能混凝土高溫后力學強度研究[J] . 混凝土，2001（9）：50-53.