高温火灾下玻化微珠保温混凝土板的温度场分析.pdf

2 0 1 4年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 2 De c e mb e r 高温火灾下玻化微珠保温混凝土板的温度场分析 李飞飞 ， 张泽平 ( 太 原理工 大 学 ， 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 通过对玻 化微 珠保 温混凝 土试块的 高温试验研 究 ， 确 定 了高温( 火灾) 条件 下的物理 力学及热 工性 能 ， 并进一步运用有 限元分析软件 A B AQUS对玻化微珠保 温混凝 土板进行 了火灾高温条件 下的模 拟分析 ， 得 出其 火灾 高温条件下的温度场的分布规律 。 关键词 ： 玻化微珠保温混凝 土； 高温试验 ； 有 限元分析 ； 温度场 Ab s t r a c t ：T h e t e mp e r a t u r e t e s t s o f g l a z e d h o l l o w b e a d s i n s u l a t i o n c o n c r e t e b l o c k s a r e c a r r i e d o u t t o s t u d y a n d d e t e r mi n e me c h a n i c a 1 a n d t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f t h e t e s t b l o c k s u n d e r t h e fi r e h i g h t e mp e r a t u r e T h e n t h e g l a z e d h o l l o w b e a d s i n s u l a t i o n c o n c r e t e p l a t e s a r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d b y u s i n g fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e A B A Q U S u n d e r fi r e h i g h t e mp e r a t u r e ， a n d t h e d i s t r i b u t i o n r u l e o f t e mp e r a t u r e fi e l d u n d e r t h e c o n d i t i o n o f fi r e h i g h t e mp e r a t u r e i s o b t a i n e d Ke y wo r ds ：Gl a z e d h o l l o w b e a ds i ns u l a t i o n c o nc r e t e ；Te mpe r a t ur e t e s t ；Fi ni t e e l e me nt a na l y s i s ；Te mp e r a t ur e fie l d 中 图 分 类 号 ： TU5 2 8 文献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 21 0 4) 1 2 6 5 一 O 5 0前 言 随着经济社会的快速发展和人 口的快速增加 ， 城市用地 紧张 。各类建筑 物的密度和高度逐步增 加 由此导致火灾 时对生命 财产的危害也越来越 大 。因此 ， 对建筑所用材料的各类物理力学性 能尤 其 是 高 温火 灾 条 件 下 各 项 性 能 的研 究 变 得 尤 其 重 要 。普通 钢 筋混 凝 土材料 作 为 目前 城 市建 筑使 用 范 围最广 、 用量最大 的材料 ， 其各类物理力学性能 、 热 工性 能以及 高温火灾条件下的各项性能 已经有 了 比较 深 入 的研 究 ， 研 究 成果 对 减 小 建筑 火 灾 的 危 害 起 到 了举 足轻 重 的作用 。 与此 同时 ， 随着经济社会 的快速发展 ， 各 类社 会 、 环 境 问题 ， 比如 环 境 污 染 问题 、 温 室 效 应 问 题 、 能源资源短缺问题等变得越来越严重。建筑总耗能 占全社会耗 能总量的比例相当大 ， 建筑的保温节能 问题得到社会 的广泛关注 。新型建筑材料玻化微珠 保温混凝土不仅具有普通混凝 土的物理力学性能 ， 而且具有 良好的保温隔热性能l l 】 。虽然玻化微珠保 温混凝土 比普通混凝土具有更多的优点 ， 但其高温 火 灾 条 件 下 的温 度 场 对 板 的各 项 性 能 影 响 的 研 究 尚属空白。楼板作为建筑物 的主要 承重构件 ， 其高 温火灾条件下板的温度场研究显得尤其重要。鉴 于 此 本 文 以玻 化 微珠 保 温 混 凝 土试 块 的高 温试 验 为 研究基础 ， 进一步运用有 限元分析软件 AB A Q U S对 玻化微珠保温混 凝土板高温火灾条件下 的温度 场 进行模拟分析 ， 并与普通混凝土板高温火灾条件 下 的温 度场 进 行 对 比分 析 ， 以期为 玻 化 微珠 保 温 混 凝 土板高温火灾条件下 的各项性能研究提供基础。 1 玻化微珠保温混凝土高温试验 1 1 试验 方法 及试 验 步骤 玻化微珠保温混凝土作为一种新型建筑材料 ， 目前 还没 有 相 应 的试 验标 准规 范 ， 因此 ， 玻 化 微 珠 保 温混凝 土的高温试 验参照普通混凝土的试验方 法进 行 。 1 1 1 试件 尺 寸及 养护 方式 抗压强度试验 ： 采用 1 5 0 mm x 1 5 0 m mx 1 5 0 mm标 准立方体试块 。 导热 系数 试 验 ：采 用 与互 热 板 长 宽 相 同 的试 块 ， 即 3 0 0 mm x 3 0 0 m mx 2 8 mm。 养护条件 ： 标 准养护条件下养护 2 8 d后进行磨 光和 自然干燥处理。 1 1 2 试 验原 理 ( 1 ) 立方体抗压强度标准值 ， =N A 式 中 ： 立方体抗压强度标准值 ， N mm ； _ 一压 力 ， N； 4试件受压面积 。 m m 。 ( 2 ) 导热系数 A A=Q a At ( 一 T 1 ) 式 中 ： A 导热 系数 ， W， m K； Q 传递的热量 ， J ； 一 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 l 2期 混凝 土与 水泥制 品 总第 2 2 4期 热传递面积 ， m ： 测量 的厚 度 ， m； t 热传递时间 ， s ； 一 测量两侧的温度差 ， K。 1 1 3 试 验过 程 ( 1 ) 温度等级的设定 查阅相关资料得知 ，当混凝土温度达到 7 0 0 ( 2 后 ， 混凝 土的抗压强度大大降低 ， 承载能力基本为 零 ， 鉴 于此 情 况 ， 试 验 过 程 中不 同 试 件 的 加 热 温 度 分别 设定 为 2 0 c c、 1 0 0 c I = 、 2 0 0 C、 3 0 0 ( 2 、 4 0 0 C、 5 0 0 C、 6 0 0 C、 7 0 0 C 八 个 等级 。 ( 2 ) 加热及冷却 鉴 于我 国对耐火建筑 ( 一级 ) 中板 的耐火 级限 要求的规定 本次试验过程 中每个等级的温度持续 时问为 2 h l2 。 再经过 7 d自然冷却后进行抗压度和导 热 系数试 验 。 1 2 试 验结 果 1 2 1 玻化微 珠保温混凝土立方体试件抗压 强度 试 验 结果 玻化微珠保温混凝土立方体试件抗压强度试 验 结 果见 图 1 。 6 0 善 5 0 警4 0 3 0 2 0 1 0 0 2 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 O 0 6 0 0 7 0 0 温 度， 图 l 玻化微珠保温混凝土常温冷却时抗压强度与温度的关系 根据 试 验结 果 ， 同时用 数 理 统 计方 法 得 出玻 化 微珠保温混凝土立方体抗压强度和温度 的关 系式 ( 式 1 ) ： 方体抗压强度值 ， N m m ： 玻化微珠保温混凝土常温时的立方体抗 压强度值， N ram ； 高温 温度 ， 。 1 2 2 玻化微珠保温混凝土导热系数测定结果 玻化微珠保 温混凝土导热 系数 测定 结果见 图 2 。根据试验结果 ， 同时用数理统计方法得出玻化微 珠 保温 混凝 土导 热系数 和 温度 的关 系式 为 ： 一 6 6一 = 1 0 o 5 5 一 o O 0 0 4 T ( 2 0 T7 0 0 )( 2 ) 式 中 ： A ： 玻化微珠保温混凝土高温后的导热系 数 ， W m K； A 玻 化 微 珠 保 温 混 凝 土 常 温 时 的 导 热 系 数 ， W， m K： 卜高 温温度 ， 。 O 5 O 一0 45 0 4 0 8 ： 0 25 02 0 0 1 5 、 ， 一 立 的 斟 冷 1 ， 日 m 高 土 凝 昆 温 保 珠 ( r 叭 微 化 玻 ： 一 中 一 一厶 式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李飞飞 ， 张泽平 高温火灾下玻化微珠保温混凝土板的温度场分析 第一类边界条件 ： 1 r = ，( ， Y ， ， ) 第 三类 边界 条件 ： 下 的导 热 系数 ， 表达 式如 下 ： ( 8 ) 硅 质骨 料混 凝 土 ： I A I (r - r, ) I， (9 ) 式 中 ： 卜温 度 ， 时间 。 s ； ，y ， 某一 点 在构 件 内 的空 间位置 ； A 导热 系数 ， W m K； c 比热容 ， k J ， k g ； 一 重度 ， k N m。 ； q 水化热 ， J ， 当不考虑水化热时 ， 取为零 ； n 边界 的外法线方 向； 卜与构件接触的热流体介质的温度 ， q C ， 由 I S O标准升温曲线确定 ： 换热系数。 处在高温火灾条件下非 受火接触面使用第 一 类边界条件 受火接触面使用第三类边界条件。 2 1 3 I S O升温 曲线 国 际标 准 化 组 织 ( I S O) 在 1 9 9 0年 给 出 了一 条 标准 的温度一 时间曲线 ， 如图 3所示。 目前 ， 各类高 温火灾条件下的性能研究都以这条 曲线为基础 。 T = 3 4 5 1 g ( 8 t + 1 ) + 2 0 ( 1 0 ) 式 中 ： 温度 ， ； f 时 间 ， m i n 。 赠 图 3国 际 化 标 准 组 织 I S O8 3 4升 温 曲线 2 2 模 型的建 立 2 2 1 模 型 中材 料性 能 的选 取 ( 1 ) 导热系数 入 玻 化微珠保 温混凝土导热 系数 的选取按照试 验所 测 的实 际数据 进行选 择 ，即按 照公 式 A = A ( 1 0 0 5 5 0 O 0 0 4 T ) 选取 。对于普通混凝土的导热系 数 目前 已经有 了比较成熟 的研究成果 ， 国内外具 有代表性 的学者是清华 大学 的过镇海 、 时旭东 5 1 和 同济大学 的陆洲导嗍。 以及欧洲地 区不 同骨料情况 A =2 0 0 2 4 ( T 1 2 0 ) + 0 0 1 2 ( T 1 2 0 ) ( 1 1 ) ( 2 0 T 1 2 0 0 C) 钙 质 骨料混 凝 土 ： A r =1 6 0 1 6 ( T 1 2 0 ) + 0 0 0 8 ( T 1 2 0 ) ( 1 2 ) ( 2 0 T 1 2 0 0 ) 式 中 ： A 广高温 下 的导热 系数 ， W m K； 卜温 度 ， 。 在 有 限 元 模 拟 分 析 中考 虑 到 高 温 对 混 凝 土 的 影 响 ， 普 通 混凝 土 的导 热 系数按 照钙 质 骨料 混 凝 土 的导热系数选取。 ( 2 ) 比热容 c 文献 7 给 出了玻化微珠保温混凝土 中不 同配 合比情况下的比热容值 其值虽然比普通混凝土略 有提高 ， 但从整体情况来看 ， 玻化微珠对混凝土 比 热容 的影 响不 大 。同 时 ， 相 关 文 献对 混 凝 土 比 热容 的研 究 结 果表 明 不 同骨料 对 混 凝 土 的 比热 影 响不 大 ， 因此 ， 在建立玻化微珠保温混凝土楼板模型时 ， 比热容的选取按照普通混凝 土的比热容选取 。 对于普通混凝土的比热容 ， 国内外文献较多的 给 出了 比热 容 和温 度关 系 ， 建 立 普 通 混凝 土 板模 型 时按 照下 式选 取【 B J ： C o ( T ) = 9 0 0 + 8 0 ( T 1 2 0 ) - 4 ( T 1 2 0 ) ( 1 3 ) ( 2 0 o 【 = T 1 2 0 0 C) 式 中 ： e( ) 高温下混凝土的比热容 ， J k g K； 卜温度 。 。 2 2 2 建模 时参 数 的设定 ( 1 ) 板 的尺 寸 板 的尺 寸为 5 0 0 0 mm x 3 0 0 0 m r n x 1 0 0 mm。 ( 2 ) 分析步设置 按照高温恒温时间的不 同， 时 间长度分别设为 9 0和 1 2 0 ( 符合 GB 5 0 0 1 6 2 0 0 6 建筑防火设计规 范对板耐火极限为 1 5 h的规定) ；最大迭代数为 1 E + 3 ， 最 初 迭代 步 长为 1 ， 最 小迭 代 步长 为 1 E 一 5 ， 最 大迭代步长为 2 ； 受火面分单面受火和双面受火 ； 网 格划 分 中种子 的数 目设 为 0 0 4 。 ( 3 ) 忽 略条 件 本文主要是分析板内的温度场 本构关系对分 析 结果 的影 响很 小 因此 ， 建 模 时 没 有 定 义 本 构 关 系。相关文献研究表明 ， 当配筋率不大于 4 时 ， 钢 筋对整个构件温度场 的影响很小 ， 而板 的配筋率一 般都不会超过 4 ， 因此 ， 建模时忽略钢筋的影响。 一 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m