火灾下纤维自密实混凝土的爆裂行为预测

张 聪, 夏超凡, 袁 振, 李志华

(1.江南大学 环境与土木工程学院, 江苏 无锡 214000; 2.中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京100024)

火灾通常会引起混凝土材料与结构的高温爆裂,降低其安全性和耐久性.混凝土的高温爆裂包括热-湿爆裂(220～320℃)、热-力爆裂(430～660℃)和热-化学爆裂(>700℃)[1].其中,热-湿爆裂是由混凝土内部的高温蒸汽压力引起,会导致混凝土保护层崩落,是最常见的一种爆裂形式,亦是学术界与工程界最关注的热点问题之一[2].

引入纤维,尤其是合成纤维,是降低混凝土发生高温下热-湿爆裂风险的有效方式之一[3-7].由于爆裂自身的复杂性,目前国内外学者对于由蒸汽压力引起的混凝土以及纤维混凝土热-湿爆裂研究主要集中于试验方面,如观测爆裂形态、爆裂时间、爆裂温度以及测试混凝土与纤维混凝土内部的蒸汽压力等[8-14].而针对混凝土和纤维混凝土高温爆裂预测理论的研究主要集中于：(1)混凝土和纤维混凝土内部最大蒸汽压力的经验预测公式[4-5,15];(2)基于多相多孔介质模型建立预测混凝土内部高温蒸汽压力发展过程的数学-物理方法[16-29].但是,目前依然欠缺能够考虑纤维作用的混凝土高温蒸汽压力发展过程以及爆裂行为的理论预测方法.

本文选取高强度自密实混凝土(SCC)基体,开展了SCC和纤维自密实混凝土(FRSCC)火灾作用下内部蒸汽压力的测试试验,分析了钢纤维、细聚丙烯(PP)纤维、粗PP纤维以及混杂纤维对SCC内部蒸汽压力-时间-温度关系的影响规律,并采用多相多孔介质一维模型对SCC和FRSCC内部蒸汽压力进行了预测,对由蒸汽压力所引起的混凝土爆裂行为进行了分析.本文研究结果可为混凝土、SCC以及FRSCC的火灾高温爆裂研究提供一定的理论与试验依据.

1 试验

1.1 基体材料

自密实混凝土(SCC)基体设计强度为C60,原材料包括：P·O 52.5R水泥,45μm方孔筛筛余(1)文中涉及的筛余、减水率、水胶比等均为质量分数或质量比.14.16%;Ⅱ级粉煤灰,45μm方孔筛筛余9.2%;石英砂为中砂,细度模数2.51;石子粒径为5～15mm;减水剂为Sika聚羧酸高效减水剂,减水率为30%.SCC的水胶比为0.32,其配合比见表1.

1.2 纤维材料

表1 SCC配合比

钢纤维(SF)：上海贝卡尔特有限公司,有端部弯钩,长度60mm,直径0.75mm,抗拉强度1100MPa,弹性模量200～210GPa,密度7.8g/cm3,4600 根/kg;细PP纤维(MIPPF)：深圳维特耐工程材料有限公司,长度9mm,直径18μm,熔点170℃,密度0.91g/cm3,35×109根/kg;粗PP纤维(MAPPF)：深圳维特耐工程材料有限公司,长度45mm,直径0.74μm,熔点170℃,密度0.91g/cm3,50140根/kg.试件中纤维的掺量及其28d抗压强度如表2所示.

表2 试件中纤维的掺量及其28d抗压强度

1.3 试件制作

参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》,测试了新拌混凝土的工作性能,结果如表3所示.采用150mm×150mm×550mm棱柱体试件测试SCC及FRSCC受火时的内部蒸汽压力.成型前,在梁底距离受火面30mm位置处预埋压力传感器(见图1);成型后,将试件放入混凝土标准养护室养护24h后拆模,接着将其放入水中养护28d，然后取出进行蒸汽压力测试.

表3 新拌混凝土的工作性能

图1 蒸汽压力-温度测试装置Fig.1 Set-up for temperature and pressure measurement

1.4 高温试验

采用蒸汽压力传感器(见图1)对SCC进行内部蒸汽压力测试.由图1可见：梁四周填塞耐火棉实现单面受火工况;采用探针式热电偶监测SCC内部测点温度.其中,多孔烧结金属网的孔径为4μm,孔均匀分布;金属管内径为2mm.高温试验前,在金属管中注满高密度硅油,以保证蒸汽压力的有效传输和转换.参考ISO 834-1《Fire-resistance tests-Elements of buiding construction-Part 1:General requirements》中的温度-时间曲线,通过燃烧丙烷气体在梁底施加火灾温度荷载,升温至600℃,保温1h.

2 结果与讨论

2.1 蒸汽压力-温度-时间关系

图2为试件测点的蒸汽压力(p)-温度(T)-时间(t)关系曲线.由图2可见：(1)与SCC相比,纤维的掺入降低了SCC内部的蒸汽压力;纤维对FRSCC蒸汽压力的影响顺序为FRSCC-MIPPF>FRSCC-MAPPF>FRSCC-SF;与单掺纤维的FRSCC相比,混杂纤维的使用进一步降低了SCC内部的蒸汽压力.这是因为PP纤维170℃时会开始熔化,将产生大量连通的微通道,从而释放了混凝土内部的蒸汽压力;而钢纤维与SCC之间存在界面过渡区,该区域疏松多孔,是SCC内部的薄弱环节之一,亦可成为蒸汽压力释放的通道.(2)与SCC相比,纤维的掺入延长了试件测点峰值蒸汽压力的出现时间.这是由于纤维的掺入提高了SCC的高温渗透性,从而延缓了峰值压力的出现.(3)试件达到峰值蒸汽压力所对应的温度为197～240℃;纤维的掺入降低了峰值蒸汽压力所对应的温度,其中钢纤维对测点温度的影响最为明显.这是由于钢纤维的导热系数为45W/m,是SCC的20～50倍、是空气导热系数的1800 倍,因此钢纤维的掺入可以降低SCC内部的温度梯度,使其温度分布更加均匀.(4)虽然细PP纤维的掺量明显低于粗PP纤维,但细PP纤维对蒸汽压力的降低效果优于粗PP纤维,说明相比于纤维掺量,PP纤维的根数对于SCC内部蒸汽压力的影响更为显著.

图2 试件测点的蒸汽压力-温度-时间关系曲线Fig.2 Relation curves of vapor pressure-temperature-time for the measured points of speicmens

2.2 蒸汽压力预测与爆裂分析

将混凝土梁截面沿厚度方向划分计算网格与节点(见图1(a)).图1(a)中：L为混凝土梁截面厚度;变量x为计算节点距离受火面的深度,x=0为受火面位置,x=L为梁顶非受火面位置.根据Powers[30]、Atlassi[31]以及Mills[32]的研究,单位体积混凝土中各组分质量可按式(1)～(4)计算.

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为单位体积混凝土中化学结合水的质量;αu为水泥的水化程度;mcem为单位体积混凝土中水泥的质量;αp为粉煤灰的火山灰反应程度;ηf为粉煤灰中非晶硅的含量,本文取55%;mf/mc为粉煤灰与水泥的质量比;mfw为单位体积混凝土中自由水的质量;mgw为单位体积混凝土中吸附水的质量;mw/mc为水灰比.

有机/酸复合溶液作用时，一方面因为煤中的矿物质能与复合溶液中酸发生化学反应，使得矿物质溶解，反应方程式见式(1)～(6)所示。这与X射线衍射结果一致，碳酸盐矿物的溶解，粘土矿物的溶解和重结晶等，说明煤中矿物质与有机/酸复合溶液发生化学反应。

混凝土的热传导控制方程如式(5)所示.

(5)

式中：ρ为混凝土的密度;c为混凝土的比热;λ为混凝土导热系数;T为混凝土内部温度;t为受火时间.

混凝土的水分传输方程如式(6)所示[21].

(6)

式中：k混凝土的渗透系数;ρfw为自由水的密度;ηfw

为自由水的动力黏度,可按Sengers[33]提出的公式计算;mgw-r为因温度作用而释放的吸附水质量;mcw-r为因温度作用而释放的化学结合水质量.

Mitsuo等[34]的研究表明,混凝土受火时其内部因水分的迁移而存在干燥区、湿润区和饱和区，区内的蒸汽压力按Saul等[35-36]所提出的公式计算.混凝土热传导分析时,假定混凝土的温度场以及化学结合水均匀分布;混凝土内部同一计算深度处的蒸汽压力亦是均匀分布,初始值为0.混凝土内部吸附水和自由水的初始分布分别按式(7)、(8)计算[37-38].

(7)

(8)

式中：φx为受火深度x处混凝土的相对湿度;φec为混凝土养护环境湿度;a为混凝土养护龄期;S为混凝土孔隙水的饱和度;λ1、λ2和λ3为计算系数,可按Jiang等[38]的研究成果取值.

受火面(x=0)和非受火面(x=L)的热传导边界条件分别如式(9)、(10)所示.

(9)

(10)

式中：hf和he分别为受火面和非受火面的换热系数;Tf为火焰温度；ε0和εL分别为受火面和非受火面的表面辐射系数;T|x=0和T|x=L分别为受火面和非受火面的温度;γ为Stefan-Bolzmann常数；Te为混凝土内部计算点的温度，0

受火面(x=0)的水分传输边界条件为mfw|x=0=0和p|x=0=0.非受火面(x=L)的水分传输边界条件为：

mfw|x=L=φeρg,TV|x=L

(11)

p|x=L=φepsvp,Ta

(12)

式中：φe为非受火面的环境湿度;ρg,T为温度T时的干燥饱和水蒸气密度;V|x=L为x=L处的孔体积;psvp,Ta为常温下的饱和蒸汽压力.

混凝土和PP纤维混凝土的高温渗透性(K)如图3(a) 所示[6,29].钢纤维对混凝土高温渗透性的影响暂忽略不计[39-40].混凝土中化学结合水按如图3(b) 所示曲线均匀释放至混凝土孔隙中[41]，Wc,r为化学结合水释放率;吸附水按Ichikawa等[21]所建议的方式均匀释放至混凝土孔隙中.

图3 混凝土渗透性、化学结合水释放率与温度的关系Fig.3 Relationship between permeability of concrete, release percentage of chemically-bond water and temperature

由蒸汽压力产生的拉应力σt为[21]：

σt=βtp(T)

(13)

式中：βt为尺度因子,参考Zeiml等人的研究[42],本文取1；p(T)为试件内部蒸汽的压力.

图4为试件蒸汽压力发展过程的预测结果与试验结果对比.由图4可见,试件蒸汽压力发展过程的预测结果与试验结果较为接近.

图4 试件蒸汽压力发展过程的预测结果与试验结果对比Fig.4 Comparison of predicted and experimental datas of vapor pressure development process of specimens

综上,本文所用的计算模型可以用于自密实混凝土以及纤维自密实混凝土火灾作用下内部蒸汽压力发展过程的预测.但是,必须注意理论计算曲线的上升段较试验曲线偏高,这是因为在计算模型中对渗透系数随温度的变化规律仅做了非常简单的三线式假定(见图3(a)).而实际上,随着温度的升高,纤维以及纤维与基体之间的界面均会受到影响,在一定程度上将引起渗透性的增加,而本文为了使计算过程简化,忽略了钢纤维对于渗透性的影响,并假定PP纤维达到170℃的熔点时才会对混凝土的渗透性产生影响,这必然会导致理论计算曲线的上升段较试验曲线偏高.因此,后续研究中应适当开展高温渗透性的相关试验研究,为理论计算提供参考依据.

将自密实混凝土的潜在爆裂区域简化为具有一定厚度的空心圆球[43],如图5所示.

图5 蒸汽压力引起的爆裂区域简化过程Fig.5 Process of simplification for pore pressure induced spalling

在球壁半径为r位置取微元体,存在径向拉应力σr和法向拉应力σθ.根据弹性理论,σθ可表示为：

(14)

式中：a为球体的内径;b为球体的外径.

当r=a时,σθ出现最大值：

(15)

根据混凝土爆裂蒸汽压力理论,当σθ,max超过混凝土的极限抗拉强度σs时,蒸汽压力将引起混凝土内部的开裂现象,即出现爆裂.SCC和FRSCC的极限抗拉强度σs随温度的变化关系如图6所示[44](PP为聚丙烯纤维).取σθ,max=σs，可计算出混凝土的开裂深度(b/a)的临界值.经计算本文研究工况下1

图6 SCC和FRSCC的极限抗拉强度与温度的关系[44]Fig.6 Relationship between ultimate tensile strength and temperature of SCC and FRSCC

图7为火灾高温作用后混凝土的脱落现象.由图7可见：混凝土脱落层较浅,这与理论预测结果较为一致.

图7 火灾作用后混凝土的脱落现象Fig.7 Flaking of concrete after fire exposure

3 结论

(1)纤维的掺入降低了自密实混凝土(SCC)内部的蒸汽压力、延长了峰值蒸汽压力出现的时间、降低了峰值蒸汽压力对应的温度.

(2)细聚丙烯(PP)纤维对SCC内部蒸汽压力的降低效果优于粗PP纤维,相比于PP纤维掺量,PP纤维的的根数对SCC内部蒸汽压力的影响更为显著.

(3)与单掺纤维相比,混杂纤维的掺入进一步降低了SCC内部的蒸汽压力.

(4)通过与试验结果的对比发现,本文采用的多相多孔介质一维模型可以较好地预测SCC和FRSCC火灾作用下内部蒸汽压力发展过程和高温爆裂行为.