张 焱,徐志胜

(中南大学土木建筑学院防灾科学与安全技术研究所,湖南长沙,410075)

含湿量对混凝土结构抗火性能试验影响的探讨

张 焱,徐志胜

(中南大学土木建筑学院防灾科学与安全技术研究所,湖南长沙,410075)

较大含湿量是试验用混凝土结构的一个主要特点。根据火灾试验的特点,在大量调研的基础上,结合作者在试验中的经验教训,对含湿量对混凝土结构抗火性能试验的影响做了阐述,这些影响有关于材料性能的,有关于温度场分布的,有关于混凝土爆裂的,有关于结构变形的,有关于结构耐火极限的。重点分析了含湿量对结构变形的影响,讨论了一些有价值的建议和研究方向,对今后混凝土结构抗火性能试验有较大的借鉴意义。

含湿量;混凝土;高温;干燥;抗火性能

0 引言

抗火试验是研究混凝土结构抗火性能的重要手段之一,试验用构件一般都是实验室预制,较大含湿量是其与实际构件最大的区别,对试验结果有较大影响。

虽然国内外对潮湿环境对混凝土的影响进行了研究,但其重点多集中于预测早期或大体积混凝土的收缩变形,考虑到火灾试验的特点的研究则不多。Luikov[1]基于各相质量和能量守恒方程及Darcy定律,推导出了3个耦合的微分方程。Whitaker[2]从各相的一点控制方程出发,推导出了体积平均意义下的守恒方程。Bazant等[3]在模型中考虑了化学束缚水高温下脱水的热量丧失,并发展了相应的有限元法。过镇海等[4]指出当温度在20℃～200℃之间失重较快,主要是试块中所含的自由水蒸发所致。高小建等[5]研究结果表明在单面干燥条件下,不同深度混凝土层的收缩与其相对湿度降低值之间均存在较好的线性关系,在达到相同湿度条件时的表层混凝土收缩小于内层。侯景鹏等[6]测试C30普通混凝土和C60高性能混凝土非标准干燥收缩过程中收缩变形和内部相对湿度随龄期的发展变化,建立二者的定量线性关系。刘光廷等[7]提出对混凝土中温度场和湿度场进行数值计算的方法。边松华等[8]的试验表明:对于高性能混凝土爆裂的临界含湿量在63%～75%之间,试件爆裂的频率和损伤程度随含湿量的升高而加大。此外,Dal Pont和Ehrlacher[9]、Obeid 和 Mounajed 等[10]、李锡夔[11]、冯雅等[12]建立了不同的湿-热耦合模型。

1 混凝土中水的存在形式

混凝土内含有液态水、物理吸附水和结晶水,计算混凝土内部的水分运动及准确分析以多种形式存在的水分相变的吸热是十分复杂的。

水泥主要含有硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)及铝铁酸四钙(C4AF)。水泥的水化物中含有占水泥浆体全部总重的70%的凝胶体C-S-H和约占全部重量的20%的氢氧化钙,用CH表示。目前很难用化学计量方法来理解水泥的水化作用,尤其是高温情况下水泥浆的脱水情况。

可以利用 C1.62SH1.5描述 C-S-H的平均组成[13],模型水泥的水化过程可写为:

式中,m为水泥浆体成熟度因子或水化过程变量。

由于进行受火试验时构件已浇注数月,可认为水泥浆体已经完全水化。当m=1即完全水化时模型水泥每公斤无水水泥将有不可蒸发的水分为:

一旦开始受热,水泥浆体中的蒸发水便开始脱水,在构造脱水过程模型时假定:

①水泥浆体中的混合物由方程(1)右侧的各种化合物混合而成;

②脱水反应只在C-S-H和CH中产生;

③在脱水过程中,脱水后的物质形式不变;

④在脱水过程中不产生化学反应;

⑤两种脱水反应的过程变量ξCSH和ξCH是温度的单值函数。

于是脱水反应可用下式描述:

上式中方括号中的项代表脱水后的固体产物,最后一项代表脱水后的气体产物。

AFt从80℃开始分解,至200℃分解完毕,脱水反应方程式为:

在300℃的温度下,混凝土中结晶水开始失去,水泥的水化产物C-S-H、AFt和CH则开始脱水破坏。在500℃的温度下,结晶水几乎全部丧失。混凝土质量在450℃～550℃之间下降较快,这是由于CH的脱水造成的。在400℃左右时氢氧化钙分解成石灰和水蒸气。水化硅酸钙的分解则如下式:

在 700℃的温度下,结晶水完全丧失,Ca(OH)2已不存在。

因此,在火灾试验中,混凝土中的水分一直在随着温度的升高而不断变化,不同温度范围对试验结果影响不同。

2 含湿量对抗火性能试验的影响

较高含湿量的存在对混凝土结构抗火试验的影响主要体现在以下几个方面[14]:

2.1 影响混凝土材料热力学性能

水分对混凝土材料的热工和力学性能参数都有一定的影响,只是当温度低于100℃时,其影响程度都难以预测和精确计算,因此理论分析中大多忽略了含水率因素的影响。混凝土内部的自由水在加热过程中发生相变,产生较大的蒸汽压,进而会产生大量的裂纹,造成混凝土残余强度的下降,含水率越大这种作用越大。

2.2 影响混凝土温度场分布

不少研究中均提到在试验过程中内部温度在100℃左右有明显的停滞及在背火面有明显的水份逸出现象,这就是内部水分迁移、蒸发的宏观表现。在役结构发生火灾时可能使用了几年甚至几十年,混凝土内部自由水在使用过程中已逐渐减小至可以忽略的程度,但是火灾试验时较高含水率的存在直接影响了温度场的分布,而温度场的分布又是评估结构受损程度和承载力损失的基础数据,温度准确与否也是衡量试验成败的指标之一。在分析内部温度场时,对含水率采取的方法主要有两种,一是忽略含水率的影响,将构件作为干燥构件处理,二是在一定温度范围内将混凝土的热工参数做一些修正,作为含水率因素的补偿,但是热工参数试验本身就有一定的地方性,对热工参数再修正增加了误差的不确定性,同时如何修正,修正量是多少也是值得商榷的问题。

2.3 容易引起混凝土的爆裂,改变构件截面形状

较大含湿量容易引起混凝土的爆裂,进而影响结构的力学性能。对于混凝土爆裂现在还没有统一的认识,多倾向于认为是由于火灾下各种形式存在于混凝土中的水份产生了蒸汽压力,混凝土结构的致密性或结构内部的压应力使这种蒸汽压力积聚并最终导致蒸汽压力超过混凝土抗拉强度的结果。普通混凝土由于密实性不好,发生火灾时结构内水分能迅速逸出,因此发生爆裂的机率较小。在役构件受火时表面遍布细小温度裂缝,但基本没有大面积爆裂的现象。但是在实验室条件下,试件内水分太多,由于水分蒸发速度相对缓慢,混凝土爆裂的可能性就大大增加了,尤其是受压构件,几乎每次都发生混凝土保护层的脱落和爆裂。由于现在对爆裂机理没有完全认识,现在多倾向于赞同含水率仅仅是影响混凝土爆裂的一个因素,只在一定范围内影响混凝土的爆裂。很明显,当混凝土没有发生爆裂时,含水率的存在增加了结构的抗火性能,当发生爆裂时,则降低了其抗火性能,换句话说,含水率的存在对试验结果的影响是不确定和不稳定的。

2.4 影响结构的变形

在火灾试验中,由于混凝土的热惰性,使构件内产生不均匀和不对称的温度场,同时由于受火前构件内存在大量自由水,在温度作用下将产生湿气迁移现象,由于构件具有一定的尺寸,使得构件内也产生不均匀的湿度场。构件内部既存在不均匀温度场,同时也存在不均匀湿度场,这就是混凝土构件火灾试验的一个特点,温度梯度导致水分迁移,湿度梯度的存在也将影响温度场的分布,温度场和湿度场相互影响。约束构件在试验中存在温度引起的应变和内力,同样的,水分的迁移将产生应变和内力。

含湿量较大的混凝土结构在火灾过程中水份的溢出其实是结构干燥过程的外在表现之一,结构的受火过程其实也是结构的干燥过程,干燥结构在受火过程中只受到温度作用而发生热膨胀和热旋转变形,但含湿量较大的结构在受火过程中除了有热变形外还有水份迁移所引起的干燥变形。干燥变形的大小、计算方法等与含湿量的大小、结构截面尺寸、升温速率、受火方式等因素有关。

2.5 影响结构的耐火极限

耐火极限是衡量建筑构件耐火性能的重要指标之一,常用足尺火灾试验的方式测得,相关规范规定,需要将事件放于温度为(23±5)℃,相对湿度为(50±20)%的大气环境下养护至平衡含湿量[15,16],对于其他含湿量时的耐火极限,应作相应的修正。受火构件内部水份可以很快退移到未受火的那一面,从而明显影响构件的隔热性。如果含湿量越高则推移时间越久,背火面温升越慢,隔热性表现越好。

1967年 Harmathy在试验的基础上提出了考虑含湿量的单个水平或竖直试件按隔热性计算耐火极限的公式:

式中,Td为混凝土构件在干燥后的耐火极限;Tφ为混凝土试件在含水量为φ时的耐火极限;φ为混凝土试件单位体积的含水量;b为随混凝土试件渗透性能而改变的系数。

方程(7)的解为:

3 含湿量对结构变形影响的分析

由于火灾试验时间短,温升快,温度高,强度大,可以认为混凝土构件是快速干燥过程。对于炉内混凝土构件表面,干燥介质是高温空气,对于内部,干燥介质既有流体的温度梯度、湿度梯度和压力梯度,同时也有骨料之间的热传导作用。

混凝土内部含有的水分在干燥过程中担当干燥介质的作用,既能传递温度又能传递湿度。

混凝土构件干燥中的传热过程是三种基本传热方式在具体情况下的不同组合。燃烧的火焰以及热的空气在鼓风机的强烈驱动作用下在炉腔内运动,以对流和辐射的形式将能量直接传递给构件表面及炉壁,加热的炉壁也以辐射的形式作用对构件表面加热,混凝土内部则是以导热的方式从表面向内部传递热量。

3.1 火灾作用下混凝土构件内水分的移动

3.1.1 构件受火面水分的移动

试验中,实验炉内空气的湿度总是远远小于构件内混凝土的湿度,温度则大大高于构件内温度,因此混凝土表面的水分就会向炉内空气蒸发。

3.1.2 构件背火面水分的蒸发

如果采用单面受火方式,即混凝土构件有的面直接受火,有的面暴露在外界环境中,则构件内部水分将从背火面溢出。随着水分的蒸发,在混凝土的背火面会出现一个不流动的饱和水蒸汽的薄膜,称为界层,其相对湿度较高。如果背火面处在恒温恒湿和没有空气流通的环境下,其相对湿度可达100%。它把混凝土表面包围着,混凝土表面水分要继续蒸发只能靠缓慢的扩散作用穿过界层才能进入空气。同时界层也阻碍了热的传递,从而使干燥速度减慢。但在实际试验中,混凝土表面总是有气流通过,可以吹散混凝土表面的水蒸汽饱和层,减少其厚度,使混凝土表面的水分蒸发速度能继续保持在适当的范围内。

3.1.3 混凝土内部水分的移动

混凝土中的水分可以顺构件轴线方向从两端排出,也可以横跨构件截面方向从侧面排出。就混凝土受火构件试验而言,一般来说长度远大于厚度和宽度,侧面积远大于端面积,因此对混凝土干燥起决定作用的是垂直构件轴向方向的传导。

3.2 影响混凝土构件干燥速度的因素

湿份的迁移可在三种动力作用下发生,即:在压力梯度下的渗流迁移,在含湿率梯度作用下的扩散迁移,在温度梯度作用下的热质扩散迁移,此外,还存在着不同动力之间的相互耦合作用。影响混凝土干燥速度的主要因素有高温空气的温度、湿度、流速和构件的含水率梯度、温度梯度及压力梯度。

3.2.1 空气温度

空气的温度是决定混凝土干燥速度的主要外因。当混凝土被高温空气所包围时,通过对流传热供应提高混凝土及其内部水分温度和水分蒸发所需的热量,空气温度越高,则混凝土及其内部水分的温度也越高,这就加快了水分子的热运动,提高了水分蒸发的速度和温度。

3.2.2 空气湿度

空气的湿度是决定混凝土干燥速度的另一个外因。当温度不变时,空气湿度的降低会使混凝土的水分更容易向空气中蒸发,干燥速度也就加快。在试验中炉内为燃烧的火焰及其流动的热空气,因此可认为炉内湿度为0。

3.2.3 空气流速

空气流速的大小,直接影响混凝土表面水分蒸发的的快慢。明火火焰加热的试验中,需要采用机械强制通风,而试验炉体积有限,因此有足够的气流速度通过混凝土表面。

3.2.4 湿度梯度(含水率梯度)

湿度梯度是指混凝土不同点处的含水率差值,湿度梯度是混凝土内部水分移动的驱动力之一。

在湿度梯度的作用下,混凝土内部的水分总是从湿度大的地方向湿度小的地方移动。湿度梯度越大,水分移动速度越快,反之就慢。

新浇筑的混凝土可以认为内外水分—致,不存在湿度梯度。把它放在空气中自然养护时,在外界流动空气和温湿度作用下,混凝土表面水分会蒸发,但由于这种驱动力太小,蒸发厚度相对于构件截面来说远远太小,因此,可以忽略自然养护期间表面水分蒸发的影响,而认为全截面内都是一致的含水率,即试验前不存在湿度梯度,湿度梯度只出现在火灾试验中及试验结束后冷却过程中。

在湿度梯度作用下内部水分移动的情况为:混凝土表面层的自由水蒸发完毕。表面层的吸着水也蒸发了一部分,使得表面层的湿度降低,低于混凝土内部含湿量,混凝土内部的水分高于表面层的水分形成内高外低的湿度梯度,混凝土内的水分从内部向表层移动,混凝土内的水分是从湿度高的地方向湿度低的地方移动,湿度相差越多即梯度越大时水分移动速度也越快,干燥进度也就越快。反之,湿度梯度小,则干燥速度减慢。

3.2.5 温度梯度

温度梯度是指混凝土不同位置间的温度差值,温度梯度也是混凝土内部水分移动的驱动力之一。

当混凝土各部分温度有差别时,混凝土内部就存在温度梯度。温度梯度的存在促使水分从温度高的地方向温度低的地方移动。温度梯度越大,水分移动速度越快,反之就慢。

由于受火方式不同,不同受火时间、不同受火方式时温度梯度是不完全一致的。在迎火面及其附近,混凝土内部温度低于空气温度,温度梯度是内低外高,而在背火面及其附近,混凝土内部温度高于空气温度,温度梯度是内高外低。不同的温度梯度和湿度梯度的影响对水分的迁移路线和构件的干燥结构不同。

受火过程中,湿度梯度迫使水分由内向外移动,当温度梯度是外高内低时,温度梯度迫使水分由外向内移动。这两个方向相反的水分移动互相对抗致使在离混凝土表面层不远的地方,呈现一个水分移动缓慢的区域,使混凝土干燥不能均匀进行。

当温度梯度是内低外高时,对水分的向外移动是有阻碍的。而暴露在空气中的背火面温度基本与附近空气温度相等,远远低于构件内部温度,形成内高外低的温度梯度,该梯度与内高外低的湿度梯度相一致而推动推动混凝土内部水分加速向外移动,推动了干燥过程的进行。

3.2.6 压力梯度

压力梯度是指混凝土不同位置处气相的压力差值。压力梯度也是内部水分移动的驱动力之一。压力梯度的存在促使水分从压力高的地方向压力低的地方移动。

在混凝土受火试验中,在100℃时,自由水将发生相变,除吸收热量外,还会因为温度的增加而发生压力的增大。此外,随着温度的升高,粗细骨料也会发生脱水变化,而产生水蒸气,也会产生气相的压力梯度。

在普通混凝土结构火灾试验中,由于内部连通的毛细管道较多,所产生的气体可迅速溢出,内部气相的压力梯度不大,可以忽略压力梯度因素的影响。对于高强混凝土等密实度比较高的混凝土结构,则不应该忽略压力梯度的作用。

在上述六个因素中,空气的温度、湿度和流速是外因,对于可以忽略压力梯度的普通混凝土,对构件变形产生影响的只有温度梯度和湿度梯度,两者方向相反,所产生的变形也相反,如图1所示。

图1 火灾试验中温度梯度和湿度梯度分布示意图Fig.1 Distribution chart of temperature field and moisture field in fire test

3.3 混凝土干燥过程中的变形

下面以最简单的荷载作用下钢筋混凝土简支梁火灾试验为例,说明构件变形组成。如图2所示,简支梁的变形受到荷载、温度梯度和内部湿度梯度的共同影响。

图2 火灾试验中各因素引起构件变形示意图Fig.2 Sketch map of all kinds of factors to deformation in fire test

试验过程中施加的荷载不变,方向竖直向下,所产生的挠度也竖直向下。

由于外界温度较高,混凝土构件始终存在内低外高的温度梯度,温度梯度使得沿截面高度方向产生不均匀变形,简支梁表现为向下的变形,且随着温度的升高下降值逐渐增大。

由于炉内湿度较低,构件内始终存在内高外低的湿度梯度,湿度梯度也沿着截面高度方向产生不均匀变形,简支梁表现为向下的变形,且湿度梯度随着试验的进行而呈现先大后小的趋势,但其始终产生向下的变形。

试验过程中简支梁的变形受三者共同作用,由于湿度梯度变化速率远远小于温度梯度变化速率,因此构件由温度梯度引起的变形占据主导地位。

干燥过程中湿度梯度引起的变形同湿度梯度变化速率有关,现在还没有成熟的计算方法,故在一般分析中均按照干燥构件分析,忽略了含湿量因素对变形的影响。在文献[17-19]中均将试验结果和数值模拟结果做了比较,发现实测值均小于模拟值,其差值就是除了测量误差外,应该是湿度梯度引起的变形,方向恒向下。

在受火过程中,表层的自由水首先蒸发完毕并开始干缩,由于混凝土内部水分移动远远跟不上表面水分的蒸发,内层的含水率仍维持在较高水平状态。混凝土外部已干缩,而内部不干缩,内层受到外层的压缩,而表层受到拉伸。因此,由干燥引起的混凝土内应力是外层拉应力,内层压应力。

4 构件的烘干

较大含水率的存在不仅影响了测量数据和试验结果,也为数据分析增加了困难。实际火灾中的其他因素,如荷载水平、约束状况等,均可以在试验中模拟或完全按照真实状态,唯独较大含水率是不易消除的负面因素,且对试验结果影响较大。消除含水率影响的方法就是将试件烘干到无湿的参考状态[13],即将试件烘干到105℃,重量不再变化止。烘干除费时费钱外,烘干过程中比常温高的环境温度会对材料性能发展产生一些影响,更主要的是烘干过程中的水分迁移会使构件产生变形,使结构产生内力重分布,同时也要注意为了不使材料发生不可逆的化学反应,还需要保持一定的速率和周围环境的温湿度,加速烘干后其受火时的性能较之正常烘干试件的性能差了不少。

烘干是解决混凝土构件中含湿量较大对试验结果影响的理论方法,在理论上可行,但实际操作起来却基本上不可能。

5 应加强研究的方向

5.1 系统开展含湿量对混凝土材料力学和热工性能影响的试验研究

由于试验的复杂性,现在我国对混凝土材料的力学性能、热工参数等的研究不多,由于材料多使用地方性材料,因而有限的研究成果并没有代表性,有的甚至还相互矛盾,基础数据的缺乏和不准确严重制约着试验研究和理论分析的准确性。

热工性能的取值直接影响到温度场计算以及对截面力学性能乃至整个结构承载能力的估计,所以很有必要对普通混凝土、高强混凝土以及其它类型混凝土在不同温度和湿度下的力学和热工性能开展系统的研究。

混凝土的湿度扩散系数是计算传热传质过程的一个重要参数,随着湿度的变化而变化,属于非线性问题,许多参数和边界条件常常难于确定,给数值解析带来很大困难。因此应加强研究,通过试验手段快速、准确的测试混凝土的湿度扩散系数。

对于基础数据的研究,需要花费大量的时间和精力,也可能需要发展新的试验方法和研制新的试验设备。

5.2 运用干燥理论,对快速干燥过程中混凝土结构内力和变形开展理论和试验研究

混凝土是一种非饱和多孔含湿介质,所含水分在不同温度范围时的状态也不同,应运用多孔介质的质量、动量和能量守恒方程,建立高温下热-湿-力耦合模型,综合考虑温度场-湿度场-压力场相互耦合及对水迁移路线的影响,对试验全过程中温度场、湿度场及压力场进行研究。

现在对混凝土结构的内力和变形分析时,都忽略了含湿量的影响,将结构作为干燥结构对待,只计算结构的热膨胀和热旋转变形及所产生的内力,对于热变形的计算已经有了成熟的方法,但对于干燥变形的研究还没有引起足够的重视。

5.3 开展火灾下混凝土内部湿度场分布测量方法和仪器设备研究

目前测量混凝土内部相对湿度最常用的方法是插式传感器测湿法,即把湿度传感器插入混凝土成型时的预留孔隙或成型后的钻孔,当孔内湿度达到平衡后,用测孔的空气湿度近似替代混凝土内部湿度。该方法操作简单,是混凝土测湿最常用的方法。但是该方法测量误差大、效率低、速度慢且价格贵。应该开发新型、体积小、快速、准确、高效的测量混凝土内部温湿度的方法和设备,以满足试验要求。

5.4 开展火灾下混凝土含水率对耐火性能影响的理论和试验研究

作为试验研究,构件内含水率的存在是既不可忽视又不好修正的一个重要因素。含水率对火灾试验结果的影响并不直接与空隙中的相对湿度有关,而是水分解吸附过程中吸收的热量直接影响了火灾试验的结果,而该过程中吸收的热量又与空隙中液态水的多少有关。同时不同的受火方式也会影响结构内水分的迁移路线,并影响试验结果,现在对混凝土受热过程中湿度迁移、相变、化学变化等研究还不够。湿度场影响温度场的分布,由于其他力学性能受温度影响较大,如果结构内温度场有偏差,使得其他参数的测量结果如结构内应力、变形、损失、剩余承载力等都不准确,且影响程度不明确。

1967年 Harmathy在试验的基础上提出了含水率对单个竖向或水平试件耐火极限时间影响的修正公式,遗憾的是此后很少有人继续对此方面做系统研究。因此,应加强含水率对试验结果影响的理论研究及试验分析,找出修正方法,使得测量的结果更真实可靠。

6.结论

较大含湿量的存在是实验用混凝土构件的固有特征,由于火灾试验的特点,较大含水量会对材料热工和力学性能、结构温度场、变形和爆裂产生一定影响,因此应运用非饱和多孔介质干燥理论、开发新的测量设备和方法,从理论和试验两方面着手进行研究。由于该领域的研究涉及多学科,本文的观点仅起抛砖引玉的作用,更多的问题还有待于广大火灾工程研究人员共同发现和解决,从而推动火灾科学的发展。

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Discussion on effects of moisture contents in RC fire resistant experiments

ZHANG Yan,XU Zhi-sheng

(Disaster Prevention Science and Safety Technology Institute,School of Civil Engineering and Architecture,Central South University,Changsha,Hunan,410075,China)

High moisture content is one major parameter in fire resistant experiments of RC structures.According to the characteristics of fire resistant experiments,this paper presents a discussion on effects of moisture contents in RC fire resistant experiments.The relevant effects include material properties,temperature field,explosive spalling,deformation of structure and fire resistance.Meanwhile,some valuable suggestions and further research directions are outlined.

Moisture content;Concrete;High temperature;Drying;Fire resistant

TU375.3

A

1004-5309(2010)-0176-07

2010-09-02;修改日期:2010-09-19

张焱(1976-),男,博士,讲师,主要从事建筑结构抗火、火灾对结构损伤分析、土木工程防灾减灾等方向研究。