秸秆纤维复合墙体的湿热耦合特性及热爆机理＊

王海蓉，赵 哲，杨文兵，梁 栋†

（1.中山大学工学院，广东广州 510275； 2.广东省消防科学技术重点实验室，广东广州 510006）

火灾次生灾害的发生概率和危害性极高.秸秆纤维复合墙体作为承力构件使用，不仅可起围护、保温作用，而且可有效减小框架截面尺寸及配筋量，降低结构经济指标.但作为一种典型的多相非均匀复合材料，其损伤和破裂机理非常复杂［1］.在火灾的作用下，此类建筑结构的反应行为也更为复杂和难以控制.因此，衡量秸秆纤维复合墙体的热爆裂特性，或者研究其爆裂出现的原因十分重要.

传统的热爆分析主要根据建筑结构的类型、火灾荷载、通风等外部条件，通过数值模拟确定构件截面的温度场.这种方法易受不确定因素的影响，如墙体受热脱水、碳化产物分解会产生吸热反应，并通过蒸气及二氧化碳的逸出带走大量的热，这些因素会使结构内部得到保护，导致热传导计算的结果难以与实际相符［2］.Bazant等人［3］采用蒸气压理论对火灾时混凝土内部的湿热传递过程进行了研究，并得到了结构内部的湿度分布规律.本文拟在前期工作的基础上，考虑复合材料非均匀的特性，从墙体的温度变化、水蒸气迁移及孔压场的耦合作用出发，借助于湿扩散、火灾和反复载荷试验，研究秸秆纤维复合墙体的热工性能及其热爆裂机理.研究结果对灾后定损、应力集中现象分析和爆裂预防都具有重要的现实意义.

1 实 验

1.1 实验材料

秸秆纤维复合墙体的组分以水泥为主，植物纤维、细骨料、粉煤灰占较小比例，另配以改性外加剂、减水剂和水制成.其主要原料为亚泰水泥厂的低碱度水泥，比表面积为370m2／kg.骨料主要为石灰岩，按照5～20mm连续级配.粉煤灰为广州市黄埔发电厂的I级粉煤灰，比表面积为340m2／kg.纤维碎料宽约1～2mm，长约1～1.5mm，其化学成分主要为粗纤维、灰分、果胶质、木质素、纤维素和半纤维素［2］.

根据各项试验标准，制作尺寸各异的立方体试块若干，并将制备好的试件置于电热烘箱中于100，200，300，400，500，600和700℃烘烤0.5h备用.

1.2 热工性能实验

1）导热系数：待试件自然冷却后，采用TPS-2500型导热系数仪测定导热系数.图1为导热系数随温度的变化关系曲线.根据实验数据和最小二乘拟合，得到导热系数与温度的简化关系式为：

式中：λ为热传导系数，W／（m·K）；T为温度，K，且273K≤T≤973K.

图1 导热系数随温度的变化关系曲线Fig.1 The curve of thermal conductivity and temperature

2）湿扩散系数：材料的湿扩散性采用PCK实验装置测试.实验过程中，所有与吸收面相邻的面要保证与水或气隔离.实验得到如图2所示的累计吸水量曲线.

图2 累计吸水量曲线Fig.2 The total absorbing water quantity curve

累计吸水量和时间t的开方呈线性关系［4］：

式中：I为累计吸水量，kg／m2；Dw为湿迁移系数，kg／（m2·s1／2）；t为时间，s.由式（2）和图2，得不同温度下的湿迁移系数（如图3所示）.为了便于数值模拟，拟合得到湿迁移系数与温度的简化关系式：

式中：273K≤T≤973K.

图3 湿迁移系数随温度的变化曲线Fig.3 The moisture diffusion coefficient under different temperature

2 湿热耦合模型

2.1 湿热耦合模型

根据蒸气压与裂缝扩展理论［5－7］，考虑结构内部的温度变化、水蒸气迁移及孔压场对蒸气迁移的耦合作用，将结构内部分为已干燥区、类饱和层和正在干燥区.取火线长度方向为研究对象，得湿热耦合模型，如图4所示.

图4 结构内部的湿热传递模型Fig.4 Heat－moisture transfer model

2.2 基本数学公式

为简化研究，作如下基本假设［5－7］：①结构内部为均匀、各向同性的介质；②受热过程中，内部不会发生水化反应，且常温下是饱和的；③结构内部只有水蒸气的分压，且认为水蒸气为理想气体；④只考虑“类饱和面”之前的压力场.基于以上假设，由扩散方程得：

式中：T为温度，℃；k为渗透率，mm2／s；ρ为质量密度，kg／m3；c为比热，kJ／（kg·K）；在类饱和层dv内有：

式中：p为压力，kPa；w为湿蒸气质量密度，kg／m3；M为相对分子质量，对水蒸气是0.018kg／mol；考虑水分扩散的驱动力为水蒸气浓度梯度，即：

式中：J为质量通量；D为水蒸气扩散系数.根据质量平衡方程，有：

把式（6）代入式（7），得：

式中：水蒸气扩散系数D＝2.29×10－5×（1＋T／273）1.75.结构内部的传质过程符合Darcy方程：

式中：q为流速，m／s；Dw为湿迁移系数，kg／（m2·s1／2）；μ为动力粘度，Pa·s.Dw为变量时，方程变为：

类饱和层的水（自由水，结合水）在高温下吸收大量的热，会改变温度场的分布.对于连续各向同性的均匀介质，水的迁移对温度场的影响为：

式中：λ为热传导系数，W／（m·℃）；Q为热源密度，W／m3；h为对流传热系数，W／（m3·℃）.

3 分析与讨论

令距离步长h＝0.001mm，时间步长τ＝10s，质量密度ρ＝1 862kg／m3，采用有限差分方法，进行数值模拟.

3.1 截面的温度场

以150mm×150mm×150mm的块状试件为研究对象，得到截面的温度场分布如图5所示.由图5可知：截面长度方向上的温度差异较大.试件受热15min时，受火侧面的温度已达700℃，但距受火侧面100mm处却接近常温.虽随火灾时间的延长，结构内部各点的温度会有所增加，但升幅有限.

图5 不同时刻温度场分布Fig.5 The temperature field of various time

同等尺寸的试件浇筑前预埋自制镍铬镍硅K型热电偶，在ISO 9705标准火灾实验间单面受火，以获得截面的温度分布情况.试件受热45min后的两侧面测点温升情况，如图6和图7所示.可见：火灾初期受热侧面的温升比模拟结果稍慢，待到燃烧后期，试件与标准实验间内部热量交换达到平衡后，与模拟曲线趋于一致；而非受热侧面因受到环境温度的影响，其温升普遍比模拟曲线高.

3.2 截面的热爆裂特性

图6 受火侧面测点的温升曲线Fig.6Temperature curve of fire side

图7 非受火侧面测点的温升曲线Fig.7 Temperature curve of no fire side

图8所示为截面的压力分布情况.如图8所示，在受火侧面附近压力存在一个极大值.且，无论受热时间如何，压力分布都会呈现先增加，然后减少，再重新增加的趋势.这说明：受火侧面较近易出现初次爆裂.随着湿热传递和类饱和层向非受火侧面的推移，在新的表面还会出现新的爆裂［8－9］.

图8 不同时刻压力场分布Fig.8 The pressurefield of various time

图9～图12所示为截面的压力极值（压力峰值）、受热时间、截面温度以及初次爆裂深度之间的关系.图中显示：1）初次爆裂大都发生在20～31 mm之间；2）随着火灾的持续，压力峰值快速上升

；3）压力峰值出现的位置所对应的温度集中在300～400℃；4）初次爆裂出现的深度受温度的影响.温度越高，初次裂纹深度越大.

图9 压力峰值与初次裂纹深度的关系Fig.9 The relation between peak pressure and crack depth

图10 压力峰值与时间的关系Fig.10 The relation between peak pressure and time

图11 温度与压力峰值的关系Fig.11 The relation between peak pressure and temperature

图12 温度与初次裂纹深度的关系Fig.12 The relation between temperature and crack depth

3.3 试件的残余抗压强度

最后，根据《金属材料室温压缩试验方法》（GB／T 7314－2005），利用INSTRON 8506型四立柱液压伺服试验系统，对若干受热后的试件进行抗压强度测试以检验材料的热爆性能.

表1列出了不同含水率的试件在经历了400℃高温作用之后的残余抗压强度、压力峰值和湿迁移系数.其中，含水率为4%，5%，6%，7%的试件的残余抗压强度与初次爆裂的压力峰值较接近；含水率为2%和3%的试件的残余试件的残余抗压强度与初次爆裂的压力峰值差异较大.这可能是因为：含水率较低的试件内部连通孔的数量较少，湿迁移系数较小，所以它的实际残余抗压强度比初次爆裂的压力峰值要低［10］.

表1 不同含水率的复合墙体的残余抗压强度Tab.1 The residual compressive strength under different moisture content

图13 材料残余抗压强度温度关系Fig.13 The relation between residual compressive strength and temperature

图14 材料的残余弹性模量温度关系Fig.14 The relation between residual elastic modulus and temperature

图13和图14所示分别是含水率为4%的试件残余抗压强度相对值、残余弹性模量相对值随温度的变化关系曲线.从图13可以看出，相对于混凝土而言，若火灾温度低于400℃，秸秆纤维复合材料的残余抗压强度相对值将大于混凝土材料.而火灾温度高于450℃时，复合墙体会丧失超过50%的抗压强度.图14则表明：材料的残余弹性模量随火灾温度的关系较复杂，没有确定的规律性.

4 结 论

1）初次爆裂出现的位置受火灾时间、温度的影响.随着火灾时间的持续，截面温度升高，压力迅速增长.温度越高，类饱和层向非受火侧推移越快，初次裂纹深度越大.

2）压力峰值、初次爆裂出现的位置所对应的温度集中在300～400℃，这与抗压强度的测试实验的结果相符.秸秆纤维复合材料在300℃左右开始出现明显的抗压强度丧失，主要是因为细微裂纹的出现.

3）材料的热爆裂性能受湿迁移系数的影响.火灾外部条件不变的情况下，湿迁移系数增大，压力峰值将增大，试件就不容易爆裂.

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