混凝土高温爆裂机理的数值分析研究.pdf

新 建巍粉 全 国 中 文 核 心 期 刊 混凝土高温爆裂机理的数值分析研究 李荣涛 ( 大连大学 辽宁省高校 复杂 结构体系 灾害于 贞 测与 防治重 点实验室 ， 辽 宁 大连1 1 6 6 2 2 ) 摘要 ： 材料的高温爆裂现象在工程实际中时有发生。对混凝土材料， 这种热不稳定性现象则显得尤其值得关注， 因其能够严重 危害到建筑结构 的整体性 ， 从 而对 人们的生活或生产构成极大的隐患。 到 目前为止， 关于混凝土高温爆裂的机理还难以达成共 识。 在 前期工作 的基础上 ， 利用数值模拟手段对混凝十高温爆裂的机 理进行 更深层 次的分析 ， 力图揭示 实验 中所难 以获得 的材料 内部发生 的细节 。 关键词 ： 数值模拟； 混凝土： 高温： 爆裂 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 1 0 4 Nu me r i c a l a n a l y s i s o f t h e me c h a n i s m o f e x p l o s i v e s p a l l i n g i n h e a t e d c o n c r e t e LI Ro n g t a o ( Ke y L a b o r a t o r y f o r P r e d i c t i o n C o n t r o l O i l Co mp l i c a t e d S t r u c t ur e S y s t e m o f t h e Ed u c a t i o n De p a r t me n t o f Li a o n i n g P r o v i n c e， Da l i a n Un i v e r s i t y ， Dali a n 1 1 6 6 2 2， Li a o n i n g ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： S p a l l i n g a t h i g h t e mp e r a t u r e i s p h e n o me n o n t h a t c a n b e o b s e r v e d i n d i f f e r e n t ma t e r i a l s F o r c o n c r e t e ， t h i s p h e n o m e n o n ， c o n s i d e r e d a s t h e r ma l i n s t a b i l i t y o f t h e ma t e ri a l ， c a n s e ri o u s l y j e o p a r d i z e t h e i n t e g r i t y o f a w h o l e s t r u c t u r e d u ri n g fi r e a n d c a n e v e n c o n s t i t u t e a g r e a t r i s k t o p e o p l e S l i f e a nd p r o du c t i o n No wa d a y s ， ma n y e x p l a n a t i o n s t o t h e me c h a n i s m o f s p a l l i n g e x i s t b u t s t i l l n o o n e c a n b e a c c e p t e d b y a l 1 T h e r e for e， o n t h e b a s i s o f t h e p r e v i o u s wo r k s ， a f u r t h e r a n a l y s i s o n t h e me c h a n i s m o f e x p l o s i v e s p a l l i n g i n c o n c r e t e e x p o s e d t o h i g h t e mpe r a t u r e i s d o n e b y me a n s o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n， t ryi n g t o r e v e a l t h e d e t a i l e d b e h a v i o r s o f c o n c r e t e t h a t c a n n o t b e o b t a i n e d f r o m l a b o r a t o r y e x p e rime n t s Ke y wor d s： n u me r i c a l a n a l y s i s ； c o n c r e t e； h i g h t e mp e r a t u r e； e x p l o s i v e s p a l l i n g 0 引言 与木材和钢材相比， 混凝土材料具有良好的耐火性能， 这 主要体现在2 个方面： 一是不燃性； 二 是良 好的隔热性。 但是， 其不可忽视的一个致命缺陷是在受火急热等高温环境下易于 发生爆裂( s p a l l i n g ) 破坏现象【 1 _。表现为混凝土以动态的方式 从其结构表面剥落或分离成若干碎块，从而使暴露的钢筋快 速软化屈服， 构件有效截面减少， 不仅大大降低了结构的承载 能力， 而且会导致结构整体坍塌。如最近2 0 1 0 年7月发生在 大连新港原油码头的重大火灾，从现场报道和图片中可以清 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 2 7 8 0 1 2 ) 辽宁省教育厅基金项 目( 2 0 0 9 A 0 6 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 9 1 4 作者 简介： 李荣涛， 男， 1 9 7 8年生 ， 辽宁大连人 ， 博士 ， 讲师 ， 主要从事 高温下混凝土 中非线性耦合 问题研究。 地址 ： 辽 宁省大连市经济技术 开发区大连大学建筑工稗学院， E In a i l ： l i r o n tg t a o d l 。 晰地看出，绝大多数建筑物结构的严重损坏和倒塌均是由火 灾高温引起混凝土爆裂所导致的。并且大量的研究资料 还 表明， 高强混凝土( H S C ) 与普通混凝土( N S C ) 在高温下的破 坏表现及性能也有很大的不同， 特别是在快速升温的火灾( 高 温) 下， H S C更易发生爆裂破坏现象。 近年来，随着世界各国对工程结构减灾防火重视程度的 提高，高温下混凝土的爆裂问题研究已成为学术界和工程界 所关注的热点之一。 但迄今为止， 关于混凝土在高温下爆裂的 机理尚未有统一的观点。本文的目的是在作者之前的工作 1 基础上，利用数值模拟手段对混凝土高温爆裂的机理进行更 深层次的分析，力图揭示出实验中所难以获得的材料内部发 生的各种真实细节，为混凝 结构减防火灾设计提供科学依 据和有力工具。 1 爆裂类型和机理探讨 1 1 爆裂的类型 爆裂的发生一般是突然和剧烈的，可能发生在构件某一 N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李荣涛： 混凝土高温爆裂机理的数值分析研 究 局部， 也可能涉及到整个构件表层， 根据其不同的表现形态可 分为6 种不同的爆裂类型16 1 。 ( 1 ) 爆炸式爆裂( E x p l o s i v e s p a l l i n g ) 这种爆裂形态在所有爆裂类型中爆裂程度最严重，对构 件的损伤最大。 通常发生在混凝土受热的早期阶段， 即温度超 过 1 0 0 o C 的3 0 m i n内。 爆炸式爆裂的显著特征是大小不等的 混凝土块体从混凝土构件表面上猛烈地喷射出去，并伴有巨 大的声响。 ( 2 ) 表面爆裂( S u r f a c e s p a l l i n g ) 这类爆裂的特征伴随着构件表面局部的脱落，表层的混 凝土会出现凹坑和气泡现象。这类爆裂通常发生于受火的早 期阶段， 同时伴有混凝土碎片的飞溅， 但是其尺寸较小。 ( 3 ) 骨料开裂( A g g r e g a t e s p l i t t i n g ) 这类爆裂实质上是受热混凝土表面的骨料破碎，其最显 著的特征是伴有爆裂声。这种爆裂对整个结构的力学性能影 响不大，因为大多数覆盖钢筋的混凝土保护层都没有受到破 坏。 ( 4 ) 棱角剥落( C o me r s e p a r a t i o n ) 这种类型的爆裂通常出现在受火过程的后期，此时边角 区域的混凝土在高拉应力的作用下已变得比较薄弱并布满裂 纹， 因此其多发生于横梁和立柱构件中。 ( 5 ) 脱落式爆裂( S l o u g h i n g o f f ) 这类爆裂是一种逐渐缓慢崩溃的过程，主要与构件所经 历的最高温度有关， 与升温速率无关。 ( 6 ) 延迟爆裂( P o s t c o o l i n g s p a l l i n g ) 这类爆裂是一种无声无息不易察觉的过程，常发生于受 热后冷却阶段。 1 2 爆裂的机理 混凝土的高温爆裂现象是一个非常复杂的物理和化学过 程， 影响其发生的因素更是繁多。因此， 高温爆裂的机理迄今 尚未完全揭示， 难以形成统一的共识。但在各种观点之中， 有 2 种观点令人瞩目， 即蒸汽压机理 与热应力机理8 1 。 ( 1 ) 蒸汽压机理 蒸汽压机理认为混凝土微观结构密实，孔隙率及孔直径 较小， 毛细孔之间相互不贯通； 在升温过程中， 随着混凝土内 部温度的不断升高，其内部的自由水和结合水开始蒸发并具 有移动的趋势，而混凝土高度致密的内部结构和互不贯通的 毛细孔恰恰阻止了这些蒸发后的水蒸气自由移动，导致毛细 孔内的孔隙压力增大，而一旦当压力在其内部的某一位置达 到并超过了混凝土自身的抗拉强度，混凝土就会因此而产生 破坏并表现出爆裂现象。 在这个机理中， 孔隙压力被普遍认为 是导致混凝土高温爆裂的关键因素， 如图1 所示。 2 新型建筑材料 2 0 1 1 1 图 l 蒸汽压 机理 示意 ( 2 ) 热应力机理 热应力机理认为由于混凝土的热惰性，使得火灾高温在 混凝土内部热量传导不均匀， 产生很大的温度梯度， 温度梯度 在混凝土内部产生了两向或者三向的热应力，而且热应力随 着温度的升高而增长，在达到某一值时形成比混凝土自身抗 拉强度更高的拉应力而导致爆裂的发生， 如图2 所示。 ， 应力梯度 一 图 2 热应 力机理示意 2 N S C与 H S C对比数值分析 为了更好地做好混凝土结构的防火设计，必须进一步研 究混凝土发生爆裂破坏的机理， 对破坏过程进行量化描述， 以 求了解爆裂破坏的真相，建立能有效预报混凝土结构爆裂破 坏的理论， 从而研究开发新的耐高温高强混凝土材料。为此， 作者基于之前已开展的高温下混凝土中多场耦合数值计算的 研究4 - 5 1 ， 针对 N S C与H S C在高温下的不同表现， 进行相应的 对比数值模拟分析，以期能够更深入地了解混凝土高温爆裂 机理的真相。 考虑 3 0 c m厚的混凝土墙体分别由N S C和H S C制成， 根 据升温曲线 z 0 + 0 5 t 对墙面A不断加热。取出6 c m x 0 4 e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李荣涛： 混凝土高温爆裂机理的数值分析研究 的混凝土墙区域进行一维瞬态平面应变问题的数值模拟， 即 自加热面沿厚度方向取出6 c m作为分析区域，然后离散为 3 6 x 1 个8 节点等参单元网格用于有限元数值模拟计算， 如图 3 所示。选取混凝土固相位移扒孔隙混合气体压力 、 孔隙 毛细压力 和温度 r， 为基本未知量。 y + A L+X 图 3加 热 混 凝 土 墙 的 有 限 兀模 型简 图 本算例整个分析域的初始条件如下： 初始温度 0 _ 2 9 8 K ， 初始混合气体压力 l 0 1 3 2 5 k P a 。 边界条件在表 1 中给出， 其中只为水蒸气压力、 为质量对流系数、 O 为热对流系数、 e为热辐射系数、 O o 为S t e f a n B o h z m a n n常数，而q 、 q 、 q 、 q T 则分别为混合气体流量、 液态水流量、 水蒸气流量和热流量。 表2 列出了所使用的N S C 和 H S C的主要材料参数。 表 1 加热混凝土墙的边界条件 表 2 N S C与 HS C的主要材料参数 参 数 N S C H S C 参 数 NS C HS C 单轴拉伸强度f MP a 3 2 6 4 弹性模量 E G P a 3 5 4 2 单轴压缩强度f J MP a 4 0 8 0 泊松 比u 0 2 0 2 双轴压缩强度 MP a 4 4 8 8 孔隙度 n 0 1 5 0 1 0 混凝土密度 P ( k g m ) 2 3 2 0 2 7 5 0 渗透 率 k 1 0 m 3 0 0 0 3 2 热传 导系数 ) W W ( m K ) 1 2 2 2 6 7 2 1 温度分布 t 分别为 l O 、 l 5 和 2 0 m i n 时， 自加热面沿 N S C和 H S C墙 体厚度方向的温度分布见图4 。从图4 可见， 无论是 N S C还 是H S C 墙体， 温度都是由外到内逐渐降低的， 并且越靠近加 热面温度梯度的值越高。但毕竟二者材料的热一 力学性质不 同， 温度分布还是存在着一定的差别， 如靠近加热面处的最高 温度， 特别是由于H S C的热传导性要好于N S C ， 从而会使热 量渗透至更远的区域。 6 9 8 r 5 9 8 嚣 栅 l 3 9 8 2 g 0 0 2 0 0 t 至加热面的距离 皿 图 4 不同n ,- f N下的 N S C与 H S C墙体中的温度分布 2 2 蒸汽压 力分布和湿度分布 图5 、 图6 分别为不同时刻下， 自 加热面沿 N S C和 H S C 墙体厚度方向的蒸汽压力分布和湿度分布。 1 6 1 2 0 8 孙 O 至加热面的距离 m 图 5 不同n ,- t N下的 N S C与 HS C墙体 中的蒸汽压 力分布 O O2 O 0 4 至加热面的距离 m 图 6 不同It ,-I N下 的 N S C与 H S C墙体 中的相对湿度分布 随着热量在混凝土内部传递，水分不断受热蒸发形成水 蒸气产生蒸汽压，且温度较高区域的蒸汽压大于温度较低处 的蒸汽压， 于是产生了压力梯度( 见图5 ) 。 蒸汽压较高区域的 水蒸气一部分扩散到表面后逸出到外界，另一部分是在压力 梯度作用下向较冷区域迁移， 迁移过程中， 水蒸气遇冷凝结成 水。随着蒸发一 迁移一 凝结这个循环持续进行， 在混凝土表面 附近由于湿气的迁移形成一个干燥区，而内部则由于孔隙水 的积累在较冷区域又逐渐形成近似完全饱和层。一 旦这个饱 和层形成， 水蒸气就被严格阻止向混凝土内部迁移， 取而代之 的是被迫通过干燥区迁移， 以逸进大气层。 这道近乎完全饱和 区域通常称为“ 湿阻 ( 见图6 ) 。但由于H S C明显的高密实 度和低渗透率， 在快速升温的火灾( 高温)作用下， 湿阻现象 更为显著， 水蒸气不易及时逃逸而相比N S C会产生更大的孔 隙气压力。 N E W BUI L Dl NG M ATE R I AL S 3 詈 1 加 隘 麓 口 舳 加 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李荣涛： 混凝土高温爆裂机理的数值分析研究 2 3 破坏程度 图7 、 图8 分别为不同时刻， 自 加热面沿N S C和H S C墙 体厚度方向的等效塑性应变分布和力学损伤分布。 2 5 2 0 餐 1 0 蒸s 0 至加 热 面 的 距 离 珥 图 7 高温下不同时刻 N S C与 HS C墙 中的 发爆裂破坏现象， 只是在N S C表面出现细小的微裂缝。但近 期研究发现，在超密实性普通强度的混凝土中也同样可能发 生爆裂破坏， 这与蒸汽压机理相符。 混凝土的爆裂防护是混凝土结构防火设计中的重要一 环， 目 前认为添加聚丙烯纤维是预防爆裂的最有效手段之一， 但由于缺乏对聚丙烯纤维熔解过程的直接观察，高温过程中 纤维的作用机理仍值得进一步探讨，因此可作为本文工作今 后进一步开展的方向。 参考文献 ： 1 】 K o d u r V K R S p a l l i n g i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e e x p o s e d t o fi r e 至加热面的距离 m S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， 3 8 ： 1 0 3 1 1 6 图 8 高温下不同时刻 N s c与 H S C墙 中的力学损伤分布 【 4 李荣涛 混凝土火灾高温中传热传质的数值模拟分析 J 混凝土， 从图7 和图8 可以看出， 虽然H S C的强度和弹性模量均 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 0 1 3 较大，但其在高温下无论塑性屈服还是力学损伤的程度却要 5 1李荣涛 - l O N g F 混凝土化学塑性一 损伤耦合本构模型 J J 岩土 比N S C还高， 其中最主要的原因就是受到高水蒸气压力的影 力学， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 5 ) ： 1 5 8 5 1 5 9 1 响，因此可以说明高蒸汽压力是导致混凝土爆裂破坏现象发 6 】K h o u r y G A E f f e c t o f fi r e o n c o n c r e t e a n d c o n c r e t e s t r u c t u r e s 生的主要因素之一。 综合以上分析结果显而易见， 在相同的受 C H P r o g r e s s i n S t ru c t u r a l E n g i n e e ri n g a n d M a t e ri a l s ， 2 0 0 0 ， 2 火条件下， H S C明显要比N S C更易发生危害更大甚至导致结 ( 4 ) ： 4 2 9 4 4 7 构崩塌的爆裂破坏现象。 7 S h o r t e r G W， H a r m a t h y T Z M o i s t u r e c l o g s p a l l i n g C P r o c e e d 一 0参 五 i n g s o f I n s t i t u t i o n o f Ci v i l En g i n e e r s 1 9 6 5 2 0： 7 5 9 0 ， ， 一 J； 口 口 8 1 D o u g i l l J WM0 d e s o f f a i l u r e o f c 0 n c r e t e p a I l e 1 s e x p o s e d t o 混凝土的高温爆裂破坏研究受制于各种测试设备的性h i g h t e m p e r a t u r e sJ 】 M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a rc h ， 1 9 7 2 ， 2 4 能， 高温下各种力学性能测试的实验难度均很大， 因此， 采用 ( 7 9 ) ： 7 1 7 6 数值模拟方法将能够极大促进混凝土耐火和抗爆裂研究的发 9 1 U l m F J ， A c k e r P ， L e v y M T h e “ C h u n n e l ”fi r e I I ： A n a l y s i s o f 展。 c 。 n c r e t e d a m a g e A S C E J o u r n al o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s ， 一 般情况下，混凝土高温爆裂现象只发生在含水量高的 1 9 9 9 ， 1 2 5 ( 3 ) ： 2 8 3 2 8 9 H S C中。而N S C ， 无论含水量多少、 加热速率的快慢均不会引 A + +。 +* +一十” + + 一 十一 +一 +一 + +“ +“ +* + +* - - 4 - 十一 +一 十一 +一 +- +- +” +- +一 十一 十一 +一 +一 +一 +- + +- +一 +一 +- +- +- 卜- + - 一 + 一 一 + - 一 卜 - 。 卜 喷涂阻燃柔性聚脲材料获得国家发明专利授权 海洋化工研究 院研发的喷涂 阻燃柔性聚脲材料 日前获得 国家发 明专利授权。 该材料利用阻燃多元醇合成半预聚物 ， 减少组 分中的固体阻燃剂用量 ， 从而保证体系的稳定性， 提高材料 的力学性能 。 喷涂聚脲弹性体技术是新型无溶剂 、 无污染的快速 固化施工技术 。但喷涂聚脲弹性体是一种易燃 的高聚物， 对其进行阻燃 性能改进成为必然 。 传统的方法是在组分中加入 固体 阻燃剂 ， 导致体系黏度增大， 反应速度减慢， 影响施工性和力学性能 。 喷涂 阻燃 柔性聚脲材料主要应用于舰艇舱室 内部、 工厂 车间地坪 、 石油化工等行业的钢制设备和钢结构支架 的防腐等领域 ， 也可用 于地下储 油罐 、 输油输气管线等金属重防腐等领域 。 ( 雪) 4 新型建筑材料 2 0 1 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m