纤维增强轻骨料混凝土耐高温性能及有限元分析.pdf

2 0 1 1年 第 7期 (总 第 2 6 1期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 8 纤维增强轻骨料混凝土耐高温性能及有限元分析 孙庆霞 ，曹万智。 ，薛海儒 。 。周茗如 ，苏强 ( 1 山东城市建设职业学院，山东 济南 2 5 0 0 1 4 ；2 西北民族大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 1 2 4 ； 3 中铁十局，山东 济南 2 5 0 1 1 7 ； 4 兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 通过试验研究了轻骨料混凝土的耐高温性能， 并与普通混凝土做比较， 从残余强度人手， 分析高温下混凝土性能的变化规律和 机理， 并给出了建议的计算公式 ； 用有限元方法对轻骨料混凝土耐高温性能进行分析。 结果表明： 统计给出的高温后轻骨料混凝土残余 强度曲线的公式与试验结果吻合良好。 全轻骨料混凝土耐高温最好， 砂轻骨料混凝土次之， 普通骨料混凝土最差。 高温后轻骨料混凝 土颜色发生改变， 质量发生损失。 该结论为轻骨料混凝土在高温环境下的应用提供技术依据。 关键词： 轻骨料混凝土；高温作用；残余强度；有限元分析 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 l 1 ) 0 7 0 0 2 3 0 4 Re s i s t anc e t o h i gh t e mper a t ur e pe r f or man ce an d f i ni t e el e men t a nalys i s on f i ber r e i n f or c ed l i gh t wei gh t a ggr e ga t e c on c r e t e S U NQ i n g - x i a ， C AO Wa n - z h J 2 , XU EH a i - r u 3 ， Z HOUMi n g - r u ， S UQi ang ( 1 S h a n d o n g Ur b a n C o n s t r u c t i o n Vo c a t i o n a l C o l l e g e ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e rin g， No rth we s t Un i v e r s i t yf o rNa t i o n a l i t i e s ， La n z h o u 7 3 0 1 2 4， Chi n a ； 3 Ch i n aRa i l wa yTe n t hGr o u p， J i n a n 2 5 01 1 7， Ch i n a； 4 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o uUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： Re s e a r c h e d t h e h i g h t e mp e r a t u r e p r o p e r t i e s o f l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e t h o u 曲 e x p e ri me n t a l ， a n d c o mp a r e d、 v i t l l t h e o r d i n a r y c o n c r e t e s t a r t i n g f r o m t h e r e s i d u a l s t r e n g t h t o a na l y s i s of t h e c h a n g e s i n l a ws a n d me c h a n i s m a b o u t c o n c r e t e u n de r hi g h t e mpe r a t u r e p e r f o r manc e， a n d g i v e n t h e p r o p o s e d f o rm u l a for c a l c ul a t i n g； an d an a l y s i s o n t he h i g h t e mpe r a tur e pe r f o rm an c e of t h e l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e u s i n g fi n i t e e l e me n t me t h o d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ： T h e l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a tu r e r e s i d u a l s t r e n gth c u r v e f o r mu l a wh i c h S t a t i s t i c s g i v e narei n g o o d a gre e me n t wi t h t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s T h e b e s t h i 8 1 1 t e mp e r a t u r e o f a l l l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e ， f o l l o we db y s a n d l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e ， t h e w o r s t o f o r d i n a r y a g g r e g a t e c o n c r e t e Aft e r h i g h t e mp e r a t u r e t h e l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e h a v e c h a n g e d i n c o l o r an d l o s s e d i n q u a l i ty T h i s c o n c l u s i o n p r o v i d e t e c h n i c a l b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f l i g h tw e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e i n t h e h i g h t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t Ke y wo r d s ： l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e ； h i gh t e mp e r a t u r e e ff e c t ； r e s i d u a l s t r e n g l h ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 引言 1 原材料 轻骨料内部有大量的孔隙， 不仅会使轻骨料混凝土质量减轻， 导热系数减小， 保温陛能提高， 而且还可改善骨料表面与水泥砂浆 的界面黏结性能， 并改善混凝土的物理力学变形协调能力， 而被广 泛用于工业与民用建筑的墙体及承重结构外， 还可用于桥梁、 电杆、 烟囱、 高温窑炉的耐火内衬以及制造船舶等特殊构筑物中。 我国不 少地区还应用陶粒混凝土于烟囱、 高温窑炉的耐火内衬、 水泥筒库 等。 如山西省采用浮石混凝土于烟囱内衬上。 轻骨料混凝土具有较 好的耐热性能， 在热工设备或附属设施中的应用有着广阔前景。 文中通过试验对轻骨料混凝土在常温 、 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0 、 8 0 0 、 9 0 0 、 1 0 0 0时的宏观进行研究和分析， 用有限元方法对轻 骨料混凝土耐高温性能进行分析。 从而为正确评估和利用轻骨 料混凝土的耐高温性以及为混凝土结构的抗火设计和进一步 研究提供科学依据。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J o l 一 1 9 基金项目：山东省高等学校科技计划项目( J 0 9 L E 5 1 ) 粗骨料： 陶粒和碎石。 圆球型页岩陶粒由甘肃广厦公司生产， 碎石由兰州当地供应， 性能指标见表 1 。 细骨料： 陶粒轻砂和普通河砂。 球型陶粒破碎细骨料， 属于粗 砂 ， Mx = 3 6 ， 表 观密 度 p + - 9 4 4 k g m ， 堆积 密度 p = 5 2 9 k g m ， 1 h 吸水率 = 4 2 ； 河砂属于中砂 Mx = 2 7 ， 表观密度p 2 6 5 3 k g m ， 堆积密度p = l 5 1 9k g m。 ， 吸水率 O ) s = 1 4 。 水泥 ： 兰州甘草水泥集团生产的4 2 5级水泥。 各项性能符 合 G B 1 7 5 2 o 0 7 通用硅酸盐水泥 标准要求， 2 8 d抗压强度 为 ： 4 3 1 MP a 。 粉煤灰： 兰州热电公司排放的 I I 级粉煤灰。 外加剂 ： 山西黄河外加剂厂生产的UN F 1 型高效减水剂 ， 掺量 0 5 ， 减水率 1 2 。 聚丙稀纤维 ： 兰州维尼纶厂生产的聚丙稀纤维， 平均长度 2 3 表 1 粗 骨料物理 力学性能 6 m 1 1 ， 密度 1 0 8 g e ra3 ， 抗拉强度 6 1 0 MP a ， 弹性模量4 7 0 0 MP a 。 水 ： 自来水。 2 配合 比设计 因为轻骨料具有吸水特征， 需要试验前 1 h进行轻骨料的预实湿 处理， 制成饱和面干状态， 备用。 按 J G 5 1 2 0 0 2 轻骨料混凝土技术规程 【 】 的要求 ， 全轻混 凝土采用松散体积法进行设计， 结果见表 2 。 轻骨料混凝土的施工顺序、 养护方法与普通混凝土相同。 拌合物性能及物理力学性能， 见表 3 。 表 2 混凝土配合比设计 k g m 表 3 拌合物性能、 物理力学性能 编号 混凝土类型 E坍落 mm 7 d 2 8 d ( k g m ) P P 1 普通混凝土3 8 0 4 9 8 0 2 2 8 2 2 6 4 3 6 8 QP 1全轻混凝土4 7 O 4 1 8 5 1 3 1 7 1 2 3 2 5 0 为减少试块湿含量对试验结果的影响， 养护结束后移至烘 箱中， 在 1 0 5下烘烤 1 2 h 后再将试块放入电阻炉中按设定的 升温制度升温。 为使试块达到受热均匀的效果， 升温应缓慢进行， 升温制度为 5 0， 2 0 mi n ， 达到要求的温度后保持恒温 8 h ， 然后 自 然冷却到室温后按照国家标准 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝 土力学性能试验方法标准 完成抗压试验， 测其残余强度； 用裂 缝测宽仪测定高温后混凝土表面的最大裂缝并详细记录混凝 土的表面特征。 试样升温曲线如图 1 所示。 3 耐高温性能试验研究 试验结果如表 4 、 5所示。 4 试验数据 分析 4 1 高温后混凝土表观特征分析 由表 4可以看出： 4 0 0时两种混凝土表面都出现开裂， 普 通混凝土尽管强度与初始强度相 比没有下降， 但开裂最严重。 6 0 0 7 0 0时也是普通混凝土开裂最严重。 当温度达 8 0 0时， 1 2 0 1 0 O 8 0 6 0 赠 4 0 2 O 0 2 0 4 0 6 O 8 0 l 0 0 时 l目 min 图 1 升温 曲线 普通混凝土残余强度比轻骨料混凝土要高， 但最大裂缝宽度可 达 0 6 4 mn l ， 出现明显爆裂现象； 而全轻混凝土最大裂缝宽度只 有 0 1 0 mr n ， 出现多条网状放射性裂纹。 而且试块外观随着温度 的升高都发生颜色的变化， 且高温作用后由于孔隙中的水蒸发， 毛细孑 L 中水汽化， 水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙脱水使得烧后试 块质量都产生损失。 原因分析： 3 0 0 - 4 0 0时， 普通混凝土骨料开始膨胀， 随着 温度的升高， 骨料膨胀和水泥收缩加剧， 两者结合被破坏。 另一 方面水泥中的水分流失 ， 湿度梯度大， 有利于裂纹增长。 温度达 到 5 0 0以上后 ， 硅酸盐类粗骨料出现晶体转化， 并伴随有明 显的热膨胀现象， 初生的不连贯裂缝迅速扩展并连续起来 ， 形成 大裂缝 ， 造成混凝土的宏观破坏。 水泥石受拉 ， 骨料受压， 由此 加剧了内裂缝的开展， 这也是强度降低的主要原因。同时， 水泥 石与骨料之间的膨胀不同所引起的热应力， 可在两者之间产生 裂纹， 并随温度的升高而发展。 表 4 高温后全轻混凝土表面现象 2 0 0无变化 4 0 0 灰褐色 6 0 0淡灰 白 无变化 灰褐色 灰白中土黄色 无裂纹 极少微裂纹 极少微裂纹 7 0 0淡灰白 灰白中带有暗红色裂纹有发展 8 0 0淡灰 白 9 0 0 灰白 土黄色 出现多条放射性裂纹 土黄色 同 8 0 0 无裂纹 明显出现多条放射性裂缝 裂缝有发展 压试块时明显出现爆裂； 水泥石与 骨料脱离， 无粘结性； 强度降低， 易碎 出现爆裂 出现严 曝裂， 宏观上已 破坏 1 。 o 0 土 艴 中 白 土 艴粪 耋 陛 徽出 现 陋 舭已 一 0 1 4 02 6 O-3 O l 3 0 2 1 2 91 l 2 8 2 1 2 6 9 l 2 4 9 1 2 4 9 1 2 4l 2 2 7 3 2 2 6 6 22 5 3 2 2 3 9 2 2 2 0 2 21 8 2 2l O 对于全轻混凝土而言 ， 骨料吸水率大， 水泥中的水分蒸发， 被陶粒吸收， 湿度梯度小 ， 有利于裂纹减少。 另一方面， 热量在 空气中的传递速率要比在固体中传递的速率要慢， 对于密度较 小的混凝土而言 ， 其热传导的速率受温度的影响比普通集料混 24 凝土小很多。 轻骨料混凝土的特点是含有较多的孔隙且密度较 小使得混凝土整体的导热系数降低， 另外 ， 骨料在 6 0 0 - - 7 0 0 时没有热胀现象 ， 水泥石高温脱水时， 粗细骨料中储存的水分 逸出， 补充到水泥石中， 缓解脱水速度。 所以， 由图 2也可以看 一 J H O O ( ( O O 表 5 各温度段残余强度 混凝土P P QP 种类 残余强度 , V IP a强度损失比 残余强度 M P a强度损失比 注： P P在 9 0 0 1 0 0 0时 ， 试块已经宏观上出现严重破坏， 故不记 改组的试验数据。 出： 全轻混凝土残余强度曲线较平缓， 强度下降慢， 裂缝出现轻微。 4 2 高温后混凝土力学性能分析 由表 5 及图2 可以看出： 两种混凝土在 2 0 0 时其残余强度 都有不同程度的提高， 其中普通混凝土提高最快 ， 其残余强度可 达 1 4 1 3 ， 而全轻混凝土残余强度几乎未变， 这是因为普通混凝 土在 2 0 0以上高温时混凝土水泥石中的游离水汽化 ， 加速水 泥水化， 使混凝土抗压强度增加； 而对于全轻混凝土， 2 0 0 3 0 0 时， 由于粗细轻骨料含有丰富的孑 L 隙及通道， 汽化的游离水不 能用于水泥水化 ， 而是迁移到粗细骨料的孔洞之中， 所以水泥 石强度与普通混凝土相比没有提高。 4 0 0时轻混凝土其残余 强度有所下降 ， 而普通混凝土强度没有下降。 但是， 两种混凝土 都出现表面开裂， 普通混凝土尽管强度与初始强度相 比没有下 降， 但开裂严重。 6 0 0 7 0 0时， 两种混凝土强度都降到了初始 强度的 5 0 7 0 之间， 8 0 0时降到初始强度的 2 0 一 3 0 之 间。 由图 2可以看出： 全轻混凝土强度损失比曲线较普通混凝土 曲线平缓许多， 说明轻骨料混凝土耐热性能较好。 温 厦 ， 图 2 混凝土强度损失 比曲线 通过回归分析， 采用四次多项式给出了高温后混凝土立方 体抗压强度计算公式 ， 理论曲线绘于图2 ， 与试验结果相符良好。 全轻混凝土 ： ( 3 1 0 T 4 - 3 x 1 0 T 3 - 9 x 1 0 T 2 + 0 0 0 0 3 0 9 9 3 4 ( 1 ) ( 2 0 1 0 0 0 ) 普通混凝土： ( 一 2 x 1 0 。 T 4 x 1 0 T 3 - 3 x 1 0 T 2 + 0 0 0 7 3 T + 0 8 6 4 9 2 7 ( 2 ) ( 2 0 8 0 0) 式中 高温后混凝土残余强度； 常温时混凝土立方体抗压强度。 4 3 聚丙烯纤维对缓解混凝土高温开裂的贡献 由于大量均匀分布的聚丙烯单丝纤维形成的立体网络结 构 ， 当混凝土构件 内部温度上升到 1 6 5以上时 ， 纤维遇热熔 化 ， 形成内部连通的孔道以供强高压蒸气从混凝土内部逃逸 ， 所以可有效避免高温环境下的混凝土的爆裂。 5 轻骨料混凝土烟囱有限元分析 5 1 模型材料特性的选取 本研究采用的是轻骨料混凝土， 表观密度为 1 3 1 6 5 k g m3 ， 弹性模量为 1 3 1 0 0 MP a ， 泊松比为 0 2 ， 热膨胀系数为 6 l 0 ， 导热系数为 0 4 2 W ( m K) ， 质量热容为 8 4 0 J ( k g K) ， 热对流 系数为 5 8 w ( m2 K) 。 5 2 模型的建立及 网格划分 模型的尺寸参照工程实例 ， 烟囱的上直径为 2 6 m， 下直径 5 m， 中间简体部分直径为 2 2 m， 高为 4 5 m， 壁厚下端为 1 4 m， 上端为 0 2 m。 单元采用 2 0 节点空间实体单元 ， 烟囱沿轴向分为 2 0个单元 ， 环向分为 2 4个单元 ， 径向分为 2个单元， 有限元模 型及 网格划分如下【 ： I - 。 * 1 ( a ) 模 型的正 视 图 ( b ) 模型俯 视图 图 3 有限元模型及 网格划分 5 3 模型的加载及求解 模型的加载方式为内侧烟气温度分别为 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0， 采用热对流方式 ， 对烟囱内侧节点进行加载， 加载时间为 6 h ， 加载步长为 1 0 0 S ， 共 2 1 6步， 初始温度设为 2 O。 加载时对烟 囱底部的节点进行各个方向的约束。 5 4 模型分析结果及 分析 通过 A NS Y S分析结果可以看出， 当烟气温度为 4 0 0时， 烟囱内壁温度可达 3 9 0， 在此温度荷载作用下烟囱伸长了 2 9 7 I T l l n ， 如图4所示。拉伸应变为 0 0 7 。外表面按弹性计算得 到的轴向拉应力达到 1 0 6 MP a ， 内表面的压应力为 2 9 1 MP a 。 说 明在此温度下烟囱有可能出现环向裂缝 ， 但不严重， 因为在该 温度下受力相对较小， 主要拉应力由钢筋承担 ， 所以在 4 0 0 高温下， 轻骨料混凝土可以正常使用。 当烟气温度为 6 0 0， 烟囱内壁温度可达 5 8 5， 在此温度 荷载作用下烟囱伸长了4 2 5 i n r n ， 如图5 所示。 拉伸应变为0 0 9 。 外表面按弹性计算得到的轴向拉应力达到 1 6 1 M P a ， 内表面的 压应力为 4 4 2 MP a ， 如图5 所示。 说明烟囱出现环向裂缝是完全 可能的。 其原因是： 烟囱内表面升温膨胀将烟囱拉长， 而外表面 混凝土温度低， 温度变形小， 处于受拉状态， 从而出现裂缝。 当烟气温度为 8 0 0， 由图 6可以看出烟囱内壁温度可达 7 8 0， 在此温度荷载作用下烟囱伸长了 5 5 4 n l l T l ， 拉伸应变为 0 1 2 。 外表面按弹性计算得到的轴向拉应力达到2 1 7 MP a ， 内 表面的压应力为 5 9 4 MP a 。 此温度下 ， 应力应变较大， 烟囱内外 温差引起 的内力大概可以算作 o c 如 ( 一 ) 2 ， 所以， 内外表 面温差较大时出现环向裂缝是完全可能的。 6结 论 ( 1 ) 轻骨料混凝土的耐热性优于普通混凝土， 主要原因是 25 1 1 l 1 0 O 0 0 水 毯想 ( a ) 烟 囱轴 向应力 图 ( a ) 烟囱轴向应力图 ( b ) 烟 囱轴向变 形图 图 4 4 0 0时 A NS Y S分析结果图 ( b ) 烟囱轴向变形图 图 5 6 0 0时 ANS Y S分析结果图 ( a ) 烟囱轴向应力图 ( b ) 烟囱轴向变形图 图 6 8 0 0时 AN S YS分析结果图 轻骨料经过高温煅烧而成， 其热稳定性优于普通骨料， 并且其 导热性低于普通混凝土因此可较好地防止过度的温度升高。 ( 2 ) 在 3 0 0 7 0 0的高温环境下 ， 应该优先使用以陶粒等 轻骨料为粗骨料， 以普通砂为细骨料的砂轻混凝土。 其混凝土坍 落度 、 强度损失 、 表面开裂等指标均优于普通混凝土和全轻混 凝土。 高于 7 0 0的高温环境应该使用以高铝水泥为胶凝材料 的耐火混凝土。 不宜使用普通水泥为胶凝材料的各种混凝土。 ( 3 ) 由文献 4 可知， 陶粒混凝土最高使用温度为 4 0 0。 通 过 A NS YS分析结果可知： 当温度达 4 0 0时烟囱拉应力较小 ， 烟囱出现开裂性较小； 当温度达 6 0 0 、 8 0 0高温时， 轻骨料混 凝土内外表面温差较大， 出现环向裂缝是完全可能的。 所 以在 高于 4 0 0时使用轻骨料混凝土需采取措施， 可用轻骨料作为 隔热层， 并用耐火混凝土、 耐火砖等材料设置内衬。 参考文献 ： 1 J G J 5 1 2 o o 2 ， 轻骨料混凝土技术规程 s 2 】 袁润章 胶凝材料学 M 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 8 9 【 3 】3 胡曙光， 王发洲 轻集料混凝土【 M 京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 6 4 】 G B 5 0 0 5 1 -2 0 0 2 ， 烟囱设计规范 s 】 【 5 徐利华， 延吉生热工基础与工业窑炉【 M 北京： 冶金工业出版社 2 6 ( c ) 温度分布图 ( c ) 温度分布图 ( c ) 温度分布图 2 0 0 6 6 】 李棒 自立式钢烟囱的设计f J 1 建筑与工程， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 1 3 4 1 3 5 7 I v a n J a n o t k a ， L u b o mi r B 6 g e 1 P o r e s t r u c t u r e s ， p e r me a b i l i t i e s ， a n d c o rn p r e s s i v e s t r e n g t h s o f c o n c r e t e a t t e mp e r a t u r e s u p t o 8 0 0 J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 9 9 ( 2 ) ： 1 9 6 2 0 0 【 8 胡海涛， 董毓利 高温时高强混凝土强度和变形的试验研究 J l1 土木 工程学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 4 4 4 7 9 郭运杰， 王元光， 王旭斌 耐热混凝土的试验研究与工程应用J 广东 土木与建筑 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 2 8 3 1 1 O 张朝晖， 范群波， 贵大勇， 等 A N S Y 8 0 热分析教程与实例解析 M 第 1 版 北京 ： 中国铁道出版社， 2 0 0 5 ： 1 2 6 1 2 7 1 1 C a r l o s V i d e l a ， M a u r i c i o L o p z e M i x t u r e p r o p o r t i o n i n g m e t h o d o l o g y f o r s t r u c t u r a l s a n d l i g h t we i g h t c o n c r e t e， C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 O 0 0 。 9 7 ( 8 ) ： 2 8 1 2 8 9 作者简介 联系地址 联系电话 ： 孙庆霞( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 硕士研究生； 专业 ： 结构工程。 山东省济南市历城区彩石彩龙路 1 号 山东城市建设职业 学院( 2 5 0 0 1 4 ) 1 3 3 05 3 1 8 7 81