掺聚丙烯纤维高强混凝土高温后导温性能研究.pdf

2 0 1 4年第 l 2期 l 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 1 2 De e e mbe r 掺聚丙烯纤维高强混凝 土高温后导温性能研究 王飞剑 ， 张 琦 ， 杜红秀 ， 阎蕊珍 ( 太 原理工 大 学建筑 与 土木工 程学 院 ， 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 分别对掺 聚 丙烯纤 维高强混凝土和素高强混凝土 高温后导 热 系数 、 表现密度进 行 了试验研 究 ， 分析 了 两者的表观 密度 、 导热 系数和导 温 系数 的变化规律 ， 结果表明 ， 高温后掺 聚丙烯纤维 高强混凝 土和素混凝土 的表 观 密度 、 导 热 系数均呈下降趋势 ， 高温前后掺聚 丙烯 纤维高强混凝土比素高强混凝 土的表观 密度小 、 导热 系数和 导温 系数 大 而且其导热 系数和导温 系数随温度变化规律 曼为明显。 关 键 词 ： 聚 丙烯 纤 维 ； 高 强 混 凝 土 ： 高 温 ； 导 温 性 能 Abs t r ac t ：Th e t he r ma l co n du c t i v i t y a nd t he a p pa r e n t d e ns i t y o f t h e po l y p r o py l e ne f i be r r e i n f o r c e d HS C a n d p l a i n HS C we r e t e s t e d a n d s t u d i e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a p p a r e n t d e n s i t y t h e rm a l c o n d u c t i v i t y a n d t h e r ma l d i f f u s i v i t y o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d HS C a n d p l a i n HS C a l l s h o w d o wn wa M t r e n d s a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e B e r e a n d a ft e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ， t h e a p p a r e n t d e n s i t y o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d HS C i s s ma l l e r t h a n t h a t o f p l a i n HS C， b u t i t s t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d t h e r ma l d i f f u s i v i t y a r e b i g g e r t h o s e o f p l a i n HS C，a n d c h a n g e r u l e s o f t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d t h e r ma l d i f f u s i v i t y o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d HS C wi t h t e mp e r a t u r e a r e mo r e r e g u l a r Ke y w o r d s ： P o l y p r o p y l e n e f i b e r ； H i g h s t r e n g t h c o n c r e t e( H S C ) ； E l e v a t e d t e m p e r a t u r e ； T h e ml a l d i f f u s i v i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 1 2 5 6 0 4 O前言 高强混凝 土因其具有 良好 的力学性能被广泛 地应用于土木工程各领域 中， 但高强混凝土因其 内 部致密 ， 遭受火灾高温时易发生爆裂口 l 。研究表明 ， 在 混 凝 土 中掺 人 聚丙烯 纤 维 可 以改 善 其 高温 性 能 ， 有效抑制爆裂的发生2 1 。 近 年 来 ， 由 于 高层 建 筑 不 断 涌现 ， 房 屋 密 度 加 大 ，加之 大量新型材料广泛应用于建筑业 以及燃 气 、 电器 的普遍使用 ， 大大增加 了建筑物发生火灾 的可能性嘲 。火灾发生后如何鉴定建 筑物的可靠性 成为重要课题。火灾后评估混凝土结构损伤的发展 趋势之一是模拟火灾过程 中构件 内部的温度分布 ， 确定材料在一定温度下的力学性能 ， 从 而确定建筑 物的可靠性 。火灾发生时， 混凝土受 热温升属于非 稳 态 导热 过 程 ， 要模 拟 火 灾 过程 中混 凝 土 构 件 内部 的温度场 ， 需要确定混凝土的导温系数 a ， 其 中 a = A ( P c ) ， 所 以， 确定混凝土的导热系数 A、 表观密度P、 比热容 c 便成为关键 。国外 B o u l d e r C a n y o n P r o j e e t N 最 早 对混 凝 土 的导热 系数 进行 了系统 的研 究 ，提 出 了混凝土导热 系数和 比热的计算方法，但其理论 大 多建立在经验之上 。国内肖建庄5 J研究 了混凝 土各 组分对混凝土导热系数 的影响 ： 阎蕊珍 6 1 等人研究 基 金项 目： 国家 自然科 学基金 项 目( 5 1 2 7 8 3 2 5 ) ； 山西省 自然 科学基金项 目( 2 0 1 1 0 1 1 0 2 4 2 ) 。 一 5 6一 了高温对 C 4 0混凝土导热性能的影响。但是对掺聚 丙烯纤维高强混凝土高温后导热系数的研究鲜有 报 道 。本 文 针 对 掺 聚 丙 烯纤 维 C 8 0高 强 混 凝 土 和 C 8 0高 强 素混 凝 土 高温 后 的导 热 系数 展 开 研 究 ， 拟 研究其导热系数 A、 表观密度P、 比热容 c的变化规 律 并为温度场数值模拟提供依据。 1 试 验研 究 1 1 试验用原材料 本 试 验 采用 的 原 材 料 为 ： P 0 5 2 5级 水 泥 ； 活 性指数为 1 1 9 9 的微硅粉 ； I 级粉煤灰 ； $ 9 5级粒 化高炉矿渣粉 ；细骨料为细度模数 2 9 6的 区中 砂 ：粗 骨料 为粒 径 5 ra m 1 6 m m 的连 续级 配 碎石 ， 其 针片状颗粒含量为 1 7 7 ； 聚羧酸高效减水剂 ； 聚丙 烯 纤 维 。 长 度 8 ram， 直 径 2 5 1x m； 试 验 用水 为 普通 自 来 水 。 1 2 试件 设计 混凝土拌合 物采用 6 0 L卧式强制式搅拌机进 行 搅拌 ， 试件 的尺寸 为 2 0 0 m mx 2 0 0 mmx 3 O m m。试件 成型放入标准养护室养护 2 8 d ，然后再放人烘箱 中 烘 干 到恒重 。 试件 编 号 ： 素 混 凝 土试 件 用 W 表 示 ， 掺 纤 维 的 试件用 C表示 ，采用的混凝土配合 比如表 1 ，另掺 1 5 k g m3 聚丙烯 纤 维 。其 中纤 维 的长度 和 掺 量均 为 同课题组明 确定的最佳值 。 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 2 0 1 4年第 l 2期 混 凝 土与水 泥制 品 总第 2 2 4 量 辐 毫 曲 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 温度 图 3高温后试件 的导热 系数变化 图 陶 4素 混 凝 土 相 对 于 掺纤 维 混 凝 土 导 热 系 数 变 化 睛况 件 比素 混凝 土 试件 变 化 波动 要 小 在 6 0 0 前 大 致 呈线 性 变 化 ， 掺纤 维 试 件 的导 热 系数 总 体 上 比素 混 凝土试件要大 素混凝土试件导热 系数在 1 0 0 o C 前 变 化 不 大 ， 略 有 升 高 趋 势 ， 从 1 0 0 2 0 0 o C 急 剧 减 少 。 2 0 0 5 0 0 逐 渐 变大 ， 但 是变 化 的幅 度微 小 ， 5 0 0 o C 时 较 2 0 0 增 加 5 左 右 ， 5 0 0 o C以后 导 热 系 数 迅 速 下 降 ， 降幅较大 ， 到 8 0 0 时较 5 0 0 C 时下降了 3 8 。 掺 纤维试件在 6 0 0 o C 前大致呈线性减小 当温度超过 6 0 0 o C 时急剧下降 ， 到 8 0 0 o C 时与素混凝土试件 的导 热 系数 相近 。 普 通 混 凝 土 的 导 热 系数 大 约 在 0 8 2 O W m K 之 间 。由于混凝 土 的构 成复 杂 ， 原 材料 类 型 、 含 水率 以及配 合 比均会影 响其 导 温性 能 。有 实验 分析 给 出 了各 因素 对 混凝 土 导热 系 数影 响 由大 到小 的次 序 ： 含水率 、 骨料 的体积分数 、 骨料的类型 、 水灰 比、 掺 和料 种 类l 2 l 。本试 验 试件 采 用 强度 等 级为 C 8 0的混 凝 土 ， 其 强度 较 高 ， 内 部致 密 ， 在 常 温状 态 下 导热 系 数 较高 。聚 丙烯 纤 维在 混凝 土 中 ， 均 匀 地 呈 良好 乱 向 维 分 布 状态 ， 这 样 可 以抑 制 混凝 土 由于 胶凝 材 料水化导致 的水泥浆体脱水收缩 ， 内外 温差 、 化学 收缩引起微裂缝 的扩展 使混凝土的整体性以及连 续性 良好l 9 1 所以， 掺纤维试件 比素混凝土试件导热 系数高 。 素 混 凝土 试 件在 恒 温 1 0 0 C 后 其导 热 系数 与常 温 状 态 下 相 比 变 化 不 大 ，原 因 可 能 是 混 凝 土 在 一 S 8 1 0 0 恒 温过 程 中 内部 未水 化 的水 泥颗 粒 、 活 性硅 ， 继续 发 生水 化 反应 导致 混 凝 土 内部 更 为致 密 ， 一 是也 有 部 分 自由水 蒸 发 形 成 新 的空 隙 ， 水 分 减 引 起 的 导 热 系 数减 小效 应 与 内部 密 实 引起 导 热 数增大效应相抵 消， 故导热系数变化不大 。有学 研 究 了在 不 同温度 下 混 凝 土 的 物相 变化 ， 在 恒 、 2 0 0 C 时 ， 混 凝 土 内部 的孔 隙水 因压 力增 加 ， 大 部 ， 逃逸 ， 水在 逃 逸过 程 中产生 的蒸 气 压 力 破坏 了部 水泥石的整体性 ， 形成一系列的空隙 、 裂缝 ， 致使 热系数大幅下降 ： 在经历 3 0 0 5 0 0 C 高温后 ， 水化， 酸钙逐渐失去水 ， 混凝土内部劣化 ， 产生新的孔 裂 缝 不 会 剧 增 ， 引 起 导热 系 数 的 变化 并 不 大 ： 当 度 达到 6 0 0 ( 2 以后 ， 氢 氧 化钙 脱水 变成 氧化 钙 ， 内 会 进一 步 劣 化 ， 形 成 大 量 的微 孔 隙 、 裂缝 ， 这 些孔 和 裂缝 阻 碍热 量 的传 递 ， 会 导致 导 热 系 数 的进 一 降低 。 取 试样 做 S E M 定 性分 析 ， 如 图 5 。从 图 5可 看 出， 掺聚丙烯纤维试件高温后聚丙烯纤维熔化 发 留下规则的圆形孔道 ， 素混凝 土试件有不规则 裂缝 出现。掺纤维试件高温后导热系数变化率波 较小 ， 可能与纤维改善混凝土高温性能有关。聚 烯纤维熔点 1 6 5 ， 当高温温度达到 2 0 0 时聚丙 已经熔 化 ， 纤 维熔 化 后 留下 孔 隙 成 为水 蒸 汽 逃逸 通 道 改 善 了混 凝 土 内部 因水 蒸 汽压 而 产 生 的 随 裂 缝 ，在 2 0 0 E 前 使 得 混凝 土 内部 裂 缝不 会 随 机 规 律 发 展 ， 所 以 导 热 系数 变 化 较 为 均匀 ： 在 温度 到 7 0 0 C 后 伴随着混凝 土内部氢氧化钙和骨料 分 解 ， 混 凝 土 内 部 裂缝 剧增 ， 导致 导 热 系数 大 幅 降低 ( a ) 素 混凝 土 试件 ( b ) 掺 纤 维 混 凝 土试 1 t ： 图 5 5 0 0 o C 高温后的 S E M 扫描 图像 2 4 试件 的导 热 系数 与表观 密度 关 系 高温后试 件的表观密度 和导热系数 的关 系 罔 6所示 。从 图 中可 以看 出 ， 随 着 混凝 土 表 观 密 的降低 ， 其 导热系数整体呈 下降趋势 ， 但掺纤维 凝 土 试 件 和 素 混 凝 土 试 件 在 相 同表 观 密 度 下 的 热 系数 不 尽 相 同 ，这 与混凝 土 内部 劣化 程 度 不 i-o 孔 隙 裂缝 分 布不 均 匀 有关 。分 别 对 两 个 系列 拟 5 3 l 9 7 5 3 l 1 O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王飞剑 ， 张琦 ， 杜红秀 ， 等 掺聚丙烯纤维高强混凝土高温后导温性能研究 圣 霰 曲 2 6 00 2 5 5 0 2 5 0 0 2 4 5 0 2 4 00 2 3 5 0 2 3 0 0 2 2 5 0 2 2 0 0 表观密度 ( k g m ) 图 6表 观 密 度 与 导 热 系 数 的关 系 发 现 ， 导 热 系 数 与 表 观 密 度 相 关 性 较 低 ， 在 同系 列 的 混凝 土 中 ， 可 根 据表 观 密 度变 化 判 断 其 导热 系数 变化 的趋势 2 5 试件的导温系数 由导 温系 数 的定 义 a = a ( p C )可 知 a越 大 ， 材 料中温度变化传播得越迅速。 有学者研究表明ll 1 J ， 混 凝 土 的 比热 C随温 度 升高( 0 I O 0 0 C)有微 小 的增 大 ， 并 呈 某 种 不 规 则 性 ， 建 议 取 常 数 c ( T )=9 2 0 J 。根据试验结果计算 的试件导温系数 ， 如 图 7 所示 。从 图 中可 以看 出 。 随着温 度 的升 高 ， 素混凝 土 和掺纤维混凝 土的导温系数均呈下 降趋势 。 即随着 温度的升高 ， 混凝土内部的温度变化会传播得越来 越慢。掺纤维混凝土的导温系数随温度 的变化情况 为 ： 7 0 0 o C 前几乎呈线性变化 ， 在 7 0 0 后 出现拐点 ， 急 剧下 降 ； ， 素混 凝 土 的导 温 系 数在 1 0 0 o C 后 略有 上 升 ， 2 0 0 q C 后下降较为迅速 ，约下降 1 4 ， 2 0 0 3 0 0 o C 呈上升趋势 ，但上升 的幅度不大 ； 5 0 0 o C 后又呈下降 趋势。在 同一高温温度后 ， 掺纤维混凝土 比素混凝 土的导温系数大。 差值波动也较大。 3结论 ( 1 ) 高温前后 。 掺聚丙烯纤维 高强混凝土 的表 观密度略小于素高强混凝土 ， 高温后表观密度均呈 下降趋势 ， 分别对其进行拟合 ， 得 出较好 的拟合结 果 ：掺聚丙烯纤维高强混凝土在 7 0 0 高温后与素 混凝土的表观密度趋于相等 。 一 旦 赠 y 6 E 0 6 x 90 0 0 2 2 x 一6 2 1 9 2 -一多项式( 素混凝土 ) R Z = O 9 9 4 一多 项式 ( 掺纤 维混 凝土 ) ( 2 ) 与 素 高强 混 凝 土相 比 ， 掺 聚丙 烯 纤 维 高 强混 凝 土 的导 热 系数 在 高 温 前后 均 较 高 ， 两者的差值在 4 3 4 之间波动 ； 掺加 聚丙烯纤 维高强混凝土高温后导热系数变 化 较 为规 律 ，在 7 0 0 前 基 本呈 线 性 变化 。 对其进行拟合 ， 可得 出较好的拟合 函数 ： 素 高强混凝土 的导 热系数高温后整体 降低 ， 但 是 变化 不 连 续 ；聚 丙烯 纤 维 的 掺 人对 高 强 混 凝 土 高 温 后 导 热 系 数 有 较 为 明 显 影 响 。 ( 3 ) 掺 聚 丙 烯 纤 维 高 强 混 凝 土 比素 高 强 混凝 土 的导 温 系数高 ，两者 的差值 在 6 3 4 之 间波 动 ， 其 中 ， 前 者 高 温 后 的导 温 系数 几 乎 呈 线 性 下 降趋势 ， 而后者呈 台阶式跳跃下降。聚丙烯纤维 的 掺 人 对 高 强 混 凝 土 高 温 后 导 温 系 数 变 化 规 律 的 影 响较 为 明显 。 参考 文献 ： 【 1 杜红秀， 张雄 H S C H P C的火灾( 高温) 性能研究进展l J J 建筑 材料 学报 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 9 1 3 9 6 2 】 X i a o J ， F a l k n e r H O n r e s i d u a l s t r e n g t h o f h i g h p e rf o r m a n c e c o nc r e t e wi t h a n d wi t ho u t po l y pr o py l e n e f i be r s a t e l e v a t e d t e rn p e r a t u r e s J F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 0 6 ， 4 1 ( 2 ) ： 1 1 5 1 2 1 3 吴波 火 灾后钢 筋混凝 土结构 的力学 性能 M 北京 ： 科 学 出 版 社2 0 0 3 4 K l e i n s o r g e P L T h e B o u l d e r c a n y o n p r o j e c t ， h i s t o r i c a l a n d e c o n o m i c a s p e c t s M S t a n f o r d U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 4 1 5 肖建庄， 宋志文， 张枫 混凝 土导热 系数 试验与分析 J 】 建 筑材 料学 报，2 0 1 0 ， 1 3 f 1 ) ：1 7 2 1 6 阎蕊珍， 杜红秀 高 温对 C 4 0高性 能混凝土导热性 能的影 响 J 】 太原理工大学学报， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 6 ) ： 7 1 8 - 7 2 1 【 7 杜红 秀， 张宁， 王慧芳 ， 等 聚丙 烯纤维 对高 强混 凝土高 温 后残余抗 压强度的影响 l J 1 太原 理工大学学报， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 2 ) ： 20 721 1 8 Me h t a P K ， Mo n t e i r o P J M C o n c r e t e ： mi c r o s t r u e t u r e ， p r o p e r t i e s ， a n d ma t e r i a l s M N e w Y o r k ： Mc G r a w H i l l ， 2 0 0 6 【 9 张佚 伦， 詹树林， 钱 晓倩， 等 聚丙烯纤 维混 凝土 早期收 缩 性能试 验研究 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 5 2 8 1 0 柳献， 袁勇， 叶光 高性能 混凝 土高温爆裂 的机 理 探讨 土木工程学报， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 6 ) ： 6 1 6 8 1 1 路春森 ， 屈立 军 建 筑结构耐火设 计 M 北京： 中 国建材工业 出版社， 1 9 9 5 0 1 o 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 温度 图 7 高温后试件 的导温 系数 变化 曲线 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 4 作者简介 ： 王飞剑( 1 9 8 9 一 )， 男 ， 硕士研究生 。 E - ma i l ： wa n g 0 7 1 1 6 3 t o m 联 系电话 ： 1 5 3 6 4 8 1 5 1 9 6 通 讯 作 者 ： 杜 红 秀 E ma i l ： t y d h x 1 6 3c o m 一 5 9 6 4 2 O 8 6 4 2 O 1 1 l l O 0 O 0 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m