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1、温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究1 温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究 摘要：高性能混凝土热力学性能对评价混凝土结构的抗火反应至关重要。这篇文章展现了温度对不同类型高性能混凝土热力学性能的影响。分别研究了HSC（高强混凝土）,SSC（自密实混凝土）,FAC（粉煤灰混凝土）三种混凝土在0-800摄氏度下的比热容、热导率和热膨胀系数。同时也研究了钢纤维，聚丙烯纤维以及它们混合物对HSC和SCC的影响。实验结构表明在0-800摄氏度之间，与FAC和HSC相比，SCC具有更高的比热容，热导率和热膨胀系数。利用实验数据得出了不同热力学性能的温度函数。所得的热力学性能关系的数据可以用来评估混凝土

2、结构在火灾下的反应。关键词：热力学性能 自密实混凝土 高强混凝土 纤维混凝土 热膨胀系数简介混凝土由于有较好的防火性能，而在首先考虑防火安全的建筑物和其他建筑设施中有着广泛的应用。在过去的几十年中，混凝土技术有了重大研究和发展，并由此产生了高性能混凝土。高性能混凝土包括高强混凝土，自密实混凝土，粉煤灰混凝土和纤维混凝土，他们都有骄傲高的强度，耐久性而且经济，所以得到了广泛的应用。在建筑物中使用高性能混凝土要考虑他们的防火性能。但是，一些最近的研究结果表明新型混凝土如高强混凝土并不能提供和普通混凝土相同的抗火性能。评价建筑结构的防火性能需要了解建筑材料的高温性能。对于混凝土来说，进行防火性能分析

3、需要的性能分析是热学，力学，破坏，和一些特殊性能如火灾一起的脱落。热学性能包括热导率，比热容，热膨胀系数以及质量损失。破坏性能如裂缝，力学性能如强度、破坏、和弹性模数，都对结构的防火性能有很大的影响。除此之外，在一定荷载作用下由火灾引起的脱落，能够改变混凝土结构的防火反应。这些所有的性能随温度的改变而改变，同时受配合比，骨料类型，有无纤维和化学掺加剂的影响。最近的一些研究结果表明，由HSC和SCC组成的结构的防火性能较低，这是由于HSC和SCC的热力学性能的不同。这同时也表明HSC和SCC可以通过掺入钢纤维和聚丙烯纤维来提高其抗火性能。然而，对于纤维是如何提高抗火脱落的研究很少。要想了解其作用

4、机制需要知道混凝土高温性能。虽然对于NSC的高温性能有许多的数据可查，但是对于新型混凝土如HSC,SCC,FRC,和FAC却没有数据可查。这份研究的主要目的是评估高性能混凝土的热力学性能，包括HSC,SCC和FAC的热导率，比热容和热膨胀系数，同时也对纤维对性能的影响有所研究。热导率和比热容的测量范围是20-800摄氏度，热膨胀系数的测量范围是20-1000摄氏度。利用实验数据得出了简单的热力学性能的温度函数。研究意义火灾下温度在混凝土结构中的发展很大程度上取决于建筑材料的热力学性能，也就是混凝土和钢筋。当前，却少有新型混凝土如HSC，SSC和FAC的热力学性能的数据。这篇文章给出了热导率和比

5、热容在20-800摄氏度以及热膨胀系数在20-1000摄氏度的实验数据。这些实验数据得出了热力学性能与温度的函数关系，这些函数关系可以用来计算温度模型和钢筋混凝土火灾下的反应。混凝土的热力学性能在众多的建筑材料中，混凝土有较高的耐火性能。然而，一些最近的研究表明新型混凝土如高强混凝土比普通混凝土抗火性能的低。新型混凝土的低抗火性能归于强度的快速降低，刚度特性和火诱导剥落的发生。这种剥落经常发生在高强混凝土中是由于低渗透率引起的混凝土高度压实。剥落引起连接处混凝土的脱落，这使得钢筋直接暴露在火中，导致构件强度和刚度的快速降低。为预测结构在火灾中的反应，了解连接构件在火中温度随时间变化的函数是必要

6、的。为了更好的描述这种温度模型，我们就需要知道在20-800摄氏度之间的热力学性能也就是热导率，比热容和热膨胀系数。热导率是当温度垂直梯度为1/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量 。混凝土中含有不同形式的水，这些水的形式和多少严重影响着混凝土的热导率。混凝土的热导率经常采用稳态法和瞬态法测量。在测量湿混凝土的热导率时，瞬态法要优于稳态法，因为高温下混凝土中的物化反应引起热量的断续的损失。图1显示了NSC的热导率的变化，阴影区显示了不同实验过程给出的数据范围。不同的实验者采用不同的实验仪器，实验方法在不同的实验条件下得出了不同的实验数据。几乎没有标准的实验方法来侧量热力学性能。一般来

7、说，室温下普通混凝土的热导率在1.4和3.6 之间。热导率随温度的增加而缓慢降低，且这种降低主要取决于混凝土的配合比，含水量和渗透性。比热容是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容主要受混凝土含水量，骨料类型和密实度的影响。图2显示了普通混凝土随温度变化的比热容，阴影区则显示了不同研究者的研究数据范围。这种变化的主要影响因素是实验过程中的混凝土的含水量，骨料类型，实验环境和实验仪器。热膨胀系数是等压(p一定)条件下，单位温度变化所导致的体积变化。由温度升高引起的热应力导致了热膨胀系数的线性变化。混凝土的热膨胀系数主要影响因素是水泥类型，含水量，骨料类型，

8、温度和混凝土的龄期。混凝土的热膨胀系数还受其他因素的影响，如含水量变化引起的附加体积的变化，化学反应（水化反应，成分变化），有温度变化引起的温度应力引起的裂缝。在某些情况下，由于加热或温度升高引起的水分的减少会导致热收缩，并且这可能导致整体的体积减少，也就是说收缩大于膨胀。图3显示了普通混凝土热膨胀系数的变化数据，阴影部分表示了不同研究者给出的实验数据范围。从图中可以看出，热膨胀系数从室温的0增加到700摄氏度的百分之1.3，并且随后在达到1000摄氏度时保持为一个常数。混凝土连接处热导率，比热容，热膨胀系数的不同影响着它们的温度效应。这反过来导致了火灾下结构构件的响应的不同。例如，热导率增加

9、百分之十会导致更高的构件温度的增加，从而会引起混凝土结构百分之五的抗火性能的降低。由此，可靠的热导率，比热容，热膨胀系数数据是得到较好的抗火性能评价的关键。以往的研究表明普通混凝土的热力学性能变化较大。这种变化可能是在试验过程中由于采用不同的试验方法，实验仪器的短缺，不同的实验条件引起的。除此之外，对于新型混凝土如HSC,FAC,SCC,FRC的高温下的热力学性能的研究数据是有限的。实验程序这个综合复杂的实验是利用HSC,SCC,FAC三种混凝土来测量热力学性能。为了更好的研究纤维对热力学性能的影响，钢纤维，聚丙烯纤维及其化合物分别掺入了HSC和SCC。不同的温度条件下测量不同试件的热导率，比

10、热容和热膨胀系数。配合比和实验样本三种混凝土，HSC,SCC,FAC用来制作测量热力学性能的样本，还有三种纤维，钢纤维，聚丙烯纤维，及其混合物分别掺入到HSC,SCC中。试件编号分别为HSC,HSC-S,HSC-P,HSC-H;SCC,SCC-S,SCC-P,SCC-H,在这其中S,P,H分别代表钢纤维，聚丙烯纤维和他们的混合物。所有的混凝土均使用普通水泥，最大直径为10mm的石灰岩粗骨料和自然沙子作为细骨料。为达到预计的混凝土配合比，加入一些矿物添加剂，如硅粉，粉煤灰。对于纤维加强HSC和SCC，掺入了商业可用纤维如Novocon XR型刚纤维和monofilament 型聚丙烯纤维。钢纤维

11、长38mm，直径1.14mm，抗拉强度为966MPa。聚丙烯纤维采用不吸水类型的，长为20mm，比重为0.91，熔点为162摄氏度。HSC-S和SCC-S中的钢纤维每立方米中45Kg，约占质量的百分之一点七五。HSC-P和SCC-P中的聚丙烯纤维为1Kg每立方米，占总质量的百分之0.05，HSC-H和SCC-H中，钢纤维和聚丙烯纤维分别为42Kg每立方米和1Kg每立方米，分别占总质量的百分之1.75和0.05。每一类型的混凝土，试件的制作体积为：柱面为9075*150mm，棱柱体为10100*100*300mm,试件在浇筑一天后出模，保养环境是百分之六十的湿度和二十摄氏度。圆柱试件的抗压试验在

12、浇筑后的7天，28天，90天进行，混凝土棱柱体用来做升温下的混凝土的热力学性能测试。热力学性能的测试在混凝土浇筑后九十天的四个月内进行。表1给出了详细的混凝土配合比组成和实验条件，表2给出了不同龄期混凝土的抗压强度。混合物，Limus,显示了石灰岩可以提高混凝土的流动性。工业副产品硅粉，粉煤灰和矿渣在制作HSC的过程中具有胶结特性。为了得到适当的配合比在SCC，HSC,FAC和FRC中掺入了化学添加剂如增塑剂，缓凝剂，减水剂。FAC与其他混凝土相比有较高的强度。HSC和SCC有混凝土生产厂提供，而FAC是在实验室条件下自行配制。这也可能是FAC基友较高强度的原因之一。实验仪器热力学性能的测量采

13、用商业可用仪器。比热容和热导率的实验仪器为Hot Disk TPS2500S热能静态分析仪。实验仪器和火炉相连接，试件放在火炉里，这样试件就可以暴露在火中并可以达到预计的温度。目前的实验仪器就是利用瞬态平面热法来测量实验材料在室温到800摄氏度之间的热力学性能。水平探测器放在试件的两等分之间，这个传感器即可以作为一个发热器同时又可以作为一个探测器（电阻温度计）。传感器使用kapton或mica与外界隔绝。Kapton传感器用于0-200摄氏度的测量，Mica传感器用于100-800摄氏度之间的测量。当使用稳态加热器时，传感器温度开始升高热量开始在试件中传播时就开始进行测试。在测量的过程中试件的

14、温度扩散要均匀。图4则表明了mica传感器被安装在放在样品器组件中的两个混凝土试件之间。样品器组件同时也安装在火炉中以便试件可以暴露在高温下。 对热膨胀系数的测量，使用的是TMA。TMA利用中心可移动的线性可差动传感器（LVDT），LVDT可以把与试件直径改变相对应的数据输出。TMA可用于测量混凝土试件在室温到1000摄氏度的直径变化。平头针标准膨胀探测器安放在混凝土试件上，同时有静力器以保证探头的固定。试件的温度不断升高，探针的移动则表明试件的膨胀或收缩。实验过程 用TPS进行热导率和比热容的测量，试件尺寸是60*60*25mm的棱柱体，热膨胀系数的测量采用的之间按尺寸是10*10*18的棱

15、柱体。试件自然风干，并且表面光滑以便可以与传感器较好的连接。热导率和比热容的测量有13个温度测量点分别是20,100,200,300,400,450,500,550,600,650,700,750和800摄氏度。较高温度采用较小的增量是为了更好的得到混凝土热力学性能。热力学性能研究的混凝土的龄期是不小于六个月。混凝土试件放在与Hot Disk相连的火炉中。目标温度，传感器电阻以及测量时间都有程序设定。每一次实验，火炉的温度都要达到目标温度，并且要保持到整个试件达到目标温度。在这个过程中，热导率和比热容有数据采集系统进行收集。然后把火炉温度升高到下一个目标温度直到温度达到800摄氏度。每升高10

16、0摄氏度大约平均需要25分钟，升高50摄氏度大约需要17分钟。若要整个试件达到目标温度，每升高100摄氏度需要300分钟，升高50摄氏度需要210分钟。这样一个完整的实验过程需要大约52个小时。图5显示了不同目标温度的时间温度增长关系，试件和火炉温度有Hot Disk软件控制。一旦进行一个给定温度的测量，火炉温度就会升高到下一个目标温度，并保持到整个试件达到目标温度。为证明试验的可靠性，会进行同一类型混凝土的重复试验。为此会选择3个SCC和2个HSC进行整个温度范围的重复测量。热导率和比热容的变化范围保持在百分之五以内，才可以证明试验的可靠性。对热膨胀系数的测量，试验样本使用ASTM E831

17、-06。然而，由于混凝土是水化材料，试件采用棱柱体形式，因此它们可以有基本一致的骨料和水泥含量。贯穿于整个试验温度中三个TMA用于测试三种不同类型的混凝土。在热膨胀系数的测量中，混凝土时试件TMA可移动表面的支座上，探针放在试件上。温度增长取决于特定试验的温度范围。一但试件放在TMA的表面，试验就开始了并且有软件来控制记录随温度增加试件直径的变化。对于混凝土试件，设定温度是每分钟升高5摄氏度。这样每个试件需要三小时二十分钟达到目标温度1000摄氏度。图6显示了热膨胀系数实验中的温度坡度。结果及讨论实验所得的热导率，比热容和热膨胀系数性能在下一节给出。实验所得数据用于讨论热力学性能不同参数的作用

18、。热导率图7显示了HSC,SCC,FAC的热导率的时间函数关系。室温下三种混凝土的热导率在2.4和3.3之间。这三种混凝土在室温到400摄氏度之间都随温度的升高而降低，在400-500摄氏度之间基本保持不变，随后到800摄氏度又呈下降趋势。这种趋势可能是由于在加热过程中混凝土中含水量发生变化。0-400摄氏度之间热导率的迅速下降是由于随温度升高混凝土中的自由水蒸发导致了混凝土中含水量的下降造成的。400-500摄氏度之间的微小变化是混凝土中结合水的分离造成的。500摄氏度以后热导率缓慢降低是水化硅酸钙中少量强结合水的蒸发。FAC的热导率变化趋势和HSC的变化趋势基本一致。结果就是FAC和HSC

19、 的热导率没有较大的区别。SCC的热导率也有相似的趋势，但是在600摄氏度以后SCC比其他混凝土的热导率稍高。这可能是由由于掺入了较多的化学物质，提高了水中的可溶解的化学离子的数量。化学离子的数量的增多提高了SCC的热导率。图8和图9分别给出了纤维对HSC和SCC热导率随温度变化的影响。对于HSC，这种趋势显示了钢纤维，聚丙烯纤维及其混合物的掺入在600摄氏度之前对热导率的改变没有较大作用。在600摄氏度以后，纤维对加强纤维混凝土SCC有轻微影响。这种趋势与水化硅酸钙的水化作用以及钢纤维本身有较大热导率有关。对于SCC，纤维对其热导率有影响，因为与SCC-P相比，SCC-S,SCC-H有较高的

20、热导率。这可能是由于钢纤维的热导率比聚丙烯纤维的热导率高。然而，如图9所示，SCC的三种含有纤维的热导率在整个的实验温度过程中有相似的趋势。比热容图10给出了FAC,SCC和HSC随温度变化的比热容。三种类型混凝土的比热容在400摄氏度之前基本保持为常数，400-650摄氏度之间呈增大趋势，650-800摄氏度之间又保持为一个常数。相比较而言，SCC和FAC有较高的比热容，原因是SCC和FAC比HSC的渗透率低，较多的热量用于释放结合水。表3则给出了不同混凝土的渗透性。可以看出SCC和FAC的渗透率低于HSC的渗透率。由于多余的热量用于混凝土中的结合水，所以SCC和FAC 有较高的比热容。Ko

21、dur 和Sultan研究说在600摄氏度以后HSC的比热容受水泥砂浆与骨料理化反应的影响。这同样用于FAC和SCC.在600摄氏度以后一部分的热量用于提高碳酸盐骨料混凝土的温度。与HSC相比，SCC和FAC600-700摄氏度之间比热容的显著提高是因为SCC和FAC中含有较多的化学及矿物成分。图11和图12分别给出了纤维对HSC和SCC的比热容的作用。钢纤维，聚丙烯纤维和他们的混合物对混凝土的比热容有些许影响。400摄氏度以前三种混凝土的比热容保持不变，但400摄氏度以后纤维对混凝土的比热容有轻微的影响。600摄氏度以前钢纤维和混合物纤维与聚丙烯纤维对混凝土的影响相似，但在600-800摄氏

22、度之间，含有聚丙烯纤维的混凝土的比热容有所降低。HSC-S和HSC-H中的钢纤维有助于控制裂缝在高温下的发生及增长，由此混凝土的密实度并没有降低。所以也就有较大的比热容。然而，对于HSC-P，在燃烧后聚丙烯纤维遭到破坏，导致了混凝土多孔性的增加。结果就是，由于有较多的裂缝，HSC-P混凝土渗透性增加，在较高温度时HS-PO有较低的热导率。图12表明了与SCC-P相比，SCC-S和SCC-H有相似的裂缝控制和密实度保持。热膨胀系数图13给出了HSC,SCC,FAC热膨胀系数的温度函数变化。所有混凝土的热膨胀系数均随温度的增加而增加。三种混凝土的热膨胀系数在20-600之间均随温度的升高而显著增加

23、，主要原因是混凝土中的组织骨料和水泥砂浆的存在；在600-800摄氏度之间，由于在水化过程中化合水的蒸发引起收缩而使热膨胀系数比较平缓；在800摄氏度以后，热膨胀系数重新随温度的增高而增大，是由于出现微小裂缝以后石灰石骨料的脱碳反应。由于水泥基质中氢氧化钙在800摄氏度的水化，使得混凝土在800-1000摄氏度之间的热膨胀系数最大。与此同时，石灰石骨料中的结合水蒸发并导致了热膨胀系数的最大。在图13中我们可以看到，在整个实验过程中SCC的热膨胀系数比其它两种混凝土稍高。这可能是由于SCC含有较高的化学和矿物混合物以及较低的渗透率.在800-1000摄氏度之间FAC出现热收缩，可能是混合物中含有

24、粉煤灰。Shehata已经证明粉煤灰可以减少混凝土的膨胀，并且这种减少取决于粉煤灰体积的大小。图14给出了纤维对SCC和HSC热膨胀系数的影响。纤维对SCC和HSC的热膨胀系数均有影响。对于HSC，纤维的掺入降低了它的热膨胀系数。一般来说，这种作用在400-1000摄氏度之间最为明显。这可能跟钢纤维的不同热膨胀系数和钢纤维对裂缝产生的控制作用有关，纤维的掺入提高了SCC的热膨胀系数。而聚丙烯纤维对HSC和SCC热膨胀系数的提高的作用最小。总的来说，SCC比HSC的热膨胀系数高出百分之零点四。热力学性能的关系利用实验数据得到SCC，HSC，FAC的热力学性能的函数关系。热力学性能用如下形式为表示

25、：热导率和比热容在20-800摄氏度间及热膨胀系数在20-1000摄氏度间的实验数据关系。实验关系以线性回归为基础。对于回归分析，实验数据作为因变参数而温度做为自变参数。Minitab软件可以通过回归分析发现线性规律。数据模型的准确性用R2表示，R2表示与预测相关的数据的偏差的百分率。函数R2 的值在0和1之间，如果为1则表示方程与预测想吻合。与实验数据相符合的R2的值在符合0.84和0.9之间，就表明热力学性能比较合理。由于纤维的作用不是很明显，所以在这里的关系式同样适用于加强纤维的HSC和SCC，除非特别注明。热导率实验数据清楚的表明热导率主要受高性能混凝土的类型和温度变化的影响。为了反映

26、这种趋势，分别给出了SCC，HSC，FAC的表达式。每一种类型混凝土的热导率表达式在两个温度范围给出，分别是20-400摄氏度和400-800摄氏度之间，表达式如下： 比热容比热容主要受混凝土类型和温度的影响。在试验温度范围内，钢纤维和聚丙烯纤维的作用较小。但是聚丙烯纤维对SCC和HSC在650-800摄氏度的比热容有影响。为表达这种趋势，在400-800之间单独给出了聚丙烯加强纤维HSC和SCC的表达式，表达式如下：热膨胀系数HSC，SCC，FAC热膨胀系数的表达式见下图。因为HSC的热膨胀系数与温度有着直接的关系，所以只有一个表达式。但由于FAC和SCC中化学和矿物成分在不同温度有不同的影

27、响所以给出了三个表达式来表达这种关系。由于纤维对HSC和SCC没有明显影响所以一些关系式可以用于纤维加强的HSC和SCC。实验应用目前混凝土构件耐火性能测量方法昂贵，费时并许多缺陷。一种可行性方法是使用估算法来评价耐火性能。这种估算需要结构构件在火灾下的温度模型。因此热力学性能分析是耐火性能分析的关键因素。为进行热力学分析，就需要相关的高温下的热力学性能如热导率，比热容和热膨胀系数数据。正如这篇文章所表现的，热力学性能均与温度有关。以实验数据为基础得到的数学表达式，得到了HSC,SCC,FAC可靠的温度函数。这些表达式用于评价HSC 热力学性能实验中。这些表达式简单可以很容易与耐火计算程序相结

28、合。这些方程提供了新型混凝土高温下热力学性能的可靠而简单的表达式，由此可以用于规范和标准中。结论1.温度对SCC，HSC，FAC的热力学性能有很大的影响，热导率随温度的升高而升高而热膨胀系数降低，同时比热容在0-400摄氏度之间基本不变，在随温度升高到650摄氏度之后又基本保持不变。2. 相比较而言SCC有较高的热导率和热膨胀系数，但是其比热容在HSC和FAC之间。3.钢纤维和聚丙烯纤维及其混合物的掺入对SCC和HSC的热导率没有较大的影响，但提高了它们在400-800摄氏度的比热容。纤维的掺入提高了SCC在400-800摄氏度的热膨胀系数而使HSC的热膨胀系数降低了。4.得到的热力学性能关系表达式可以作为评价火灾下混凝土结构反应计算程序的输入数据。