
普通混凝土和高强混凝土高温下剥落.docx
6页升温时普通和高强混凝土的剥落,热性能和水化行为 摘要:这篇文章主要得出了高温下五种混凝土爆裂时的实验结果实验试件放在 室温到 150,300,450,600 摄氏度的冷热循环系统中实验有两种加热速率(0.1 和 1 摄氏度每分钟)在一个小时达到最大温度和自由的冷却时间实验结果表明试 件温度梯度和重量损失有关系实验结果同时也表明混凝土热稳定性与水灰比, 加热速率和试件密实度有关实验也得出了出现剥落现象的关键因素和决定性温 度研究了引起爆裂的因素并定义为(1)低渗透率(2)混凝土中弱结合水的分 离(3)温度梯度的增加这表明单独的温度梯度不能解释混凝土的爆裂 简介以前许多研究已经表明火灾下混凝土热不稳定性的危险Hertz and S0rensen (2005), Hertz(2003, 1992), Diederichs and Jumppanen (1989), Diederichset al. (1989), Phan and Carino (1998), Noumowe (1995, 2003),Noumow6 et al. (1996, 2006), Zhukov (1994) and others (Sanjayan and Stocks 1993; Lin et al. 2004; Kanema et al. 2007)研究表明在某些情况下高温下混凝土构件可能出现爆裂。
据ArupFire Group (2005),脱落是指高温下或火灾中由于温度迅速升高引起的混凝土层或碎片从混 凝土表面分离 Phan et al. (2001)把爆裂定义为混凝土碎片突然从混凝土表面脱 落并以很大的速度向四面八方飞去,并伴随有大量能量的释放爆裂更容易发生 在高强混凝土Dierderichs 和 Jumppanen (1989), Hertz (1992), Phan 和 Carino (1998)的研究也表明爆裂发生的随机性,在相同的条件下并不是所有的混凝土均 发生爆裂许多参数会增加爆裂现象发生的几率在 Anderberg (1997),Diederichs 和 Jumppanen (1989), Diederichs et al. (1989), Hertz(2003), Khoury (2006), 还有其他 人 (Harmaty 1964; Kanema et al.2007; Noumowe 1995; Noumowe et al. 2009)的研 究中,爆裂现象的影响因素有配合比、渗透率、水泥砂浆和骨料的不同的热膨胀 系数,较高的含水量,加热速率和外部荷载爆裂现象的产生是由于形成的水蒸 汽压力高于抗拉强度(A nderberg 1997; Harmarthy 1964). Baza nt and Kaplan (1997)。
Ulm et al. (1999a, b), 和 Zhukov (1994), 认为热膨胀阻止了爆裂的发 生作者认为,以前的研究工作并没有把不同试件温度梯度和重量损失与非特定 脱落现象的发生相联系这份研究的主要目的是研究不同温度梯度和不同试件大 小对普通混凝土和高强混凝土热稳定性的影响实验步骤水泥使用满足欧盟标准的CEM I 52.5N CP2波特兰即普通水泥表1给出 了所使用水泥的矿物成分和物理力学特性骨料是由硅土(70-75%),石灰岩 (20-25%)和feldspaths(5%)组成的冲积砾石沙子粒径是0.0000—0.008m, 细砾石粒径是0.005—0.010m,粗砾石是0.010—0.020m沙子,细砾石,粗 砾石的密度分别是2618,2563和2579婕/m3,并且有低吸水率所用的高效减水 剂是含有改良聚羧酸系的高效减水剂表 2 给出的是具体的混合物配合比设计了五种混凝土,保持相对恒定的水 泥砂浆和骨料的体积水灰比在0.62 (B325)—0.29 (B500)之间,并掺入不同 含量的高效减水剂来保持性能稳定性新混凝土分两层放入模具中振捣表面使用塑料盖以使试件保持湿润。
称重 后并在室温下保持三天然后从模具中取出,称重,为避免任何形式的水分损耗, 把混凝土浸没在充满氢氧钙石饱和液的保养箱中直到最后保养环境避免了干燥 裂缝的产生,保证混凝土含水量接近饱和含水量可认为这些混凝土试件可以忽 略水蒸发的影响实验试件 两种圆柱形混凝土试件:0.110*0.220,0.160*0.320每个试件的表面和中心都装 有 K 型热电偶来测量温度(图 1)并将推导出试件温度和热梯度变化冷热循环系统经过 28 天的保养后,混凝土试件放在可进行程序设定的不同的具有冷热循环的 电子炉中冷热循环系统可由室温加热到150,300,450,600摄氏度炉中热循环 系统包括升温时间,最大温度的持续时间,以及自由冷却时间加热速率是 0.1 或l°C/min,最大温度的持续时间是lh,冷却速率小于l°C/min所选择的加热和 冷却速率以 RilemTechnical Committees 129-MHT (1995)为基础表 3 表现了 混凝土试件的不同的热循环系统每个冷热循环系统, 0.110*0.220或0.160*0.320试件的重量损失由连接到 计算机的负载单元得到试件冷热循环系统中质量损失每三分钟记录一次。
结果和讨论表 4 给出了五个混凝土试件室温下 28 天后的力学性能温差混凝土组成和加热速率的作用图2 (a)和图3(a)分别给出了冷热循环系统以1和0.1°C/min速率加热到450C 时B325和B500的0.160*0.320混凝土试件表面和中心的温度发展图2 (b) 和图3(b)表现了温度变化的发展尽管两种混凝土表面温度变化趋势相似,但 是其中心温度变化方式不一样这个现象可能是由混凝土含水量不同造成的混 凝土试件中心温度变化与加热速率和含水量有关通过混凝土试件表面和中心的温度我们可以了解在冷热循环系统中混凝土试 件温度变化图 4 和图 5 给出了温度变化的发展加热过程中,两种混凝土温度变化的进展形状非常明确B325表面和中心温差高于B500混凝土⑴m说1 ',研究了相同试件在室温到200°C间高强混凝土的温度变化加热速率是l°C/min•他研究得到的温差是90C.这个温 度高于B500温度的差异60C这种差异与实验和混凝土保养条件有关B500温差的峰值出现在B325之后温差随含水量增加而增加加热过程中 混凝土中水变成水蒸汽消耗热量含水量越大消耗的热量越多试件表面和中心 温度的较大差异也证明了这一点。
汕】匚- (1984)也得出了高含水量对温差的相似作用他们得出了在湿润保养环境下温差的两个峰值(在160和550C),同时得出混凝土 试件在105C预干燥的条件下的峰值只有500C一个2心」]"丄.得出的结 论表明峰值和汽化进化形式可通过改变水泥基质类型和加热速率得到改善 试件大小的影响图6和图7不同冷热循环系统下B350, 0.110*0.220和0.160*0.320混凝土试件的 温度不同试件尺寸得到不同温差加热过程中温差先增长达到最大值后下降最 后稳定在冷却过程中,温差减小并变的不利两种试件在冷热循环中的最大温 差发生在450°C0.110*0.220m试件的最大温差接近90C(图6),而0.160*0.320m 的最大温差接近130C (图7)0.160*0.320m温差峰值最大这也证明一个事实, 许多参数可以影响早期的水分的损失重量损失图 8—11 给出了冷热循环系统下负载单位测得的试件重量损失变化 Khoury (2006)已经得到相似曲线并表明是水泥砂浆中水分丢失引起的重量损失他认为 在600C以上可忽略由骨料减少引起的重量损失他还认为温度导致试件中水的移动,并且是引起试件中心蒸汽压力上升的起 因。
他明确指出混凝土试件在超过100C时,存在一个干燥区域(靠近加热表面), 水分蒸发区(中间地带)和水分堵塞区他指出在超过250—300C,干燥区扩 大成一个单元,这时的重量损失是由于氢氧钙石和CSH的分解°NoumowQ (1995) 和 Gaweska (2004)在做高强混凝土试验时得到了相同的结论混凝土混合物的影响图8给出了 B400的混凝土在不同冷热循环系统下的重量损失变化,图9则表现 了冷热循环系统下加热过程中不同混凝土混合物600C相同的变化在 100-150C之前,重量损失变化很小这部分的损失与混凝土毛孔中一部分间隙 水的分离相对应在150-300C之间,混凝土以水蒸气的形式丢失水分是因为有 足够大的压力使得液态水变为水蒸气这部分损失大约是总水损失的 65-80%, 这是由于混凝土中气体渗透率大于液态水的渗透率超过300-350C,结合水促 使水的损失,并与之相对应的发生氢氧钙石的分解,这使得混凝土丧失了大量的 力学性能重量损失曲线表现了加热过程中混凝土不同的物理(基质中液态水的转移) 和化学(基质的脱水)反应另一方面,冷却过程中没有较明显的重量损失°Alonso 和 Fernandez (2004), Janotka 和 NUrnbergerova (2005), Alarcon-Ruiz et al. (2005)证明CSH的分解是从300°C开始的。
重量损失变化是混凝土混合物的函数 普通混凝土的重量损失要高于高强混凝土试件尺寸的影响图 10 给出了 0.110*0.220m 和 0.160*0.320m 试件的重量损失变化我们可以看到 高温下 0.160*0.320m 试件重量损失有一个上升的转变事实上, 0.110*0.220m 试件在接近300C和0.160*0.320m试件接近350C时有第二个波折点转变 0.110*0.220m试件的总重量损失小于0.160*0.320m试件的重量损失 加热速率的影响图11给出了 B500混凝土在不同加热速率下的重量损失变化比较0.110*0.220m 试件以1和0.1°C/min速率加热时的重量损失,l°C/min速率加热第二个波折 点是300C, 0.1°C/min速率加热第二个波折点是200C加热速率影响混凝土 材料中液体饱和度,并对试件中水的转移起着决定性作用对于相同的试件尺寸,重量损失随加热速率的改变而改变在100到300C 之间(图11), 1C/min加热速率的重量损失小于0.1°C/min加热速率的重量损 失超过300C时,重量损失相似温差和重量损失图12比较了 B325混凝土 0.110*0.220m试件重量损失变化与温差变化。
同时也 研究了加热速率的变化最大温差发生在试件表面温度接近300C时与此同时重 量损失曲线出现下滑两种加热速率下的结果是一样的温差的不同可能与混凝 土加热过程中不同的含水现象有关剥落和未剥落试件图13曲线比较了出现剥落现象和没有剥落现象的B500的混凝土试件图13呈 现的是0.160*0.320m试件出现剥落和未出现剥落现象的重量损失出现剥落现象试件的重量损失和未出现剥落现象的重量损失非常相近这 种一致的重量损失并不能说明剥落是引起出现剥落现象试件重量损失的原因在 试件含水量接近3.7%和表面温度达到335° C时出现了爆裂现象这个结果证明 了 Hertz (2003)和Hertz和S0rensen (2005)的结论,当含水量超过3.0%时会有出 现爆裂现象的风险毛细管中孔隙水和混凝土中结合水的蒸发和流失时出现爆 裂因为结果仅仅是由B500混凝土试件得出,所以实验结论需要近一步的证明 热梯度热电偶安装在了一部分出现脱落现象的0.160*0.320m试件上,这样就可以 得到出现爆裂现象时试件的热梯度热梯度是试件内外温差与试件。












