含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、 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
5、 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 s:Nu 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
6、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: 不可燃性 ;
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、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 。
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