含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究

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发布时间：2021-09-16

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含湿量对混凝土结构抗火性能影响的数值研究
李荣涛，Ch r1 Stophe r Y．TUan
(1．大连大学辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，I16622；2．Dept．of Civil
Engineering，University of Nebraska—Lincoln，Omaha NE 68 1 82，USA)
摘要：根据国内外混凝土结构火灾实验的研究结果，结合笔者之前的工作基础，利用数值模拟手段探讨了混凝
土构件的含湿量对其抗火性能的影响，这些影响包括对温度场、蒸汽压力、损伤等，并阐释了材料内部在火灾中发生的
现象及其背后原因．为混凝土结构防减灾设计研究提供更多的借鉴。
关键词：数值分析；含湿量；混凝土结构；火灾
Abstract：According to the researches of fire resistant experiments，based on author S the previous works，a numerical
analysis of the effect of moisture contents on the fire resistance of concrete structures is done．The relevant effects include
temperature field，vapor pressure，mechanical damage and SO on．In particular，the thermo-hygro-mechanical detailed
behavior of concrete and its reasons are explained，which will provide important reference for the fire resistance design of
concrete stru ctures．
Key words：Numeric~ analysis；Moisture content；Concrete structure；Fire
中图分类号：TU528．01 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2015)09—48—03
0 前言
作为最基本的建筑材料之一，混凝土在当今社
会发展中扮演着十分重要的角色。而火灾是已知所
有自然和人为灾害中发生概率最高、危害最大的灾
害之一，因此．早在混凝土材料诞生之初，人们就在
不断探索与研究混凝土材料和结构在高温下的力
学性能。混凝土材料通常具有较好的抗火性能，主
要体现在以下两个方面：① 不可燃性；②低热传导
性。但是混凝土材料在火灾高温中却易发生一种称
为高温爆裂(spalling)的破坏现象。这种现象表现为
混凝土结构构件在火灾快速升温过程中．构件表面
材料层会突然脱落并伴有混凝土碎片的不断飞溅，
其主要特征是混凝土结构表层形成深浅不一的凹
”
．且多发生于高性能混凝土HPC(或高强度混凝
土HSC)结构中。混凝土的高温爆裂是一种灾难性
破坏。难以预见，发生后会导致构件内的钢筋直接
暴露在高温中，使整体结构性能被极大削弱，最后
会提前崩塌。
由此可见。探讨混凝土高温爆裂的机理，阐释
现象发生的背后原因。寻找防爆裂的具体措施是混
凝土材料结构防火减灾研究的重要内容之一。由
基金项目：国家自然科学基金项目(11302034，51378085)、辽
宁省教育厅基金项目(L2011215)。
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于实际火灾情况较为复杂，影响混凝土发生爆裂的
影响因素众多，比如材料的强度等级、含湿量、升温
速率等内因与外因。因此，本文的目的是基于国内
外混凝土结构火灾实验结果，结合笔者前期的研究
基础 ]，采用数值模拟手段着重进行混凝土构件的
含湿量对其抗火性能的影响探讨。这些影响包括对
温度场、蒸汽压力、损伤等，以期为混凝土结构防减
灾设计研究提供更多的借鉴。
1 含湿量对混凝土构件抗火性能的影响
从物理和化学的角度而言，混凝土作为孑L隙中
充满水分和空气的多孑L材料，是常温下最复杂的建
筑工程材料之一，尤其高温下会发生更为复杂的物
理化学变化。在高强混凝土试件的高温试验中，当
混凝土受热温度由室温升至200℃时，混凝土内的
毛细水和凝胶水会大量蒸发。这一阶段可视为物理
过程：温度持续上升400℃之前，除上述水分继续蒸
发之外．还将出现化学结合水(结晶水)的失去现
象，这个阶段被认为是物理化学过程；而温度400qC
以上阶段主要体现为化学过程：达到400％时，Ca(OH)
开始脱水，生成大量游离CaO及水蒸汽，此时已可观
察到个别爆裂现象的发生：600℃时，黏土类和水泥
水化物均分解．爆裂现象在此升温过程中陆续发
生，并程度加大；800cI二以上，混凝土中的结晶水完全
丧失．所有试件均会发生较严重的爆裂破坏，几乎