王海蓉，趙 哲，楊文兵，梁 棟?

（1.中山大學工學院，廣東廣州 510275； 2.廣東省消防科學技術重點實驗室，廣東廣州 510006）

火災次生災害的發(fā)生概率和危害性極高.秸稈纖維復合墻體作為承力構件使用，不僅可起圍護、保溫作用，而且可有效減小框架截面尺寸及配筋量，降低結構經(jīng)濟指標.但作為一種典型的多相非均勻復合材料，其損傷和破裂機理非常復雜［1］.在火災的作用下，此類建筑結構的反應行為也更為復雜和難以控制.因此，衡量秸稈纖維復合墻體的熱爆裂特性，或者研究其爆裂出現(xiàn)的原因十分重要.

傳統(tǒng)的熱爆分析主要根據(jù)建筑結構的類型、火災荷載、通風等外部條件，通過數(shù)值模擬確定構件截面的溫度場.這種方法易受不確定因素的影響，如墻體受熱脫水、碳化產(chǎn)物分解會產(chǎn)生吸熱反應，并通過蒸氣及二氧化碳的逸出帶走大量的熱，這些因素會使結構內部得到保護，導致熱傳導計算的結果難以與實際相符［2］.Bazant等人［3］采用蒸氣壓理論對火災時混凝土內部的濕熱傳遞過程進行了研究，并得到了結構內部的濕度分布規(guī)律.本文擬在前期工作的基礎上，考慮復合材料非均勻的特性，從墻體的溫度變化、水蒸氣遷移及孔壓場的耦合作用出發(fā)，借助于濕擴散、火災和反復載荷試驗，研究秸稈纖維復合墻體的熱工性能及其熱爆裂機理.研究結果對災后定損、應力集中現(xiàn)象分析和爆裂預防都具有重要的現(xiàn)實意義.

1 實 驗

1.1 實驗材料

秸稈纖維復合墻體的組分以水泥為主，植物纖維、細骨料、粉煤灰占較小比例，另配以改性外加劑、減水劑和水制成.其主要原料為亞泰水泥廠的低堿度水泥，比表面積為370m2／kg.骨料主要為石灰?guī)r，按照5～20mm連續(xù)級配.粉煤灰為廣州市黃埔發(fā)電廠的I級粉煤灰，比表面積為340m2／kg.纖維碎料寬約1～2mm，長約1～1.5mm，其化學成分主要為粗纖維、灰分、果膠質、木質素、纖維素和半纖維素［2］.

根據(jù)各項試驗標準，制作尺寸各異的立方體試塊若干，并將制備好的試件置于電熱烘箱中于100，200，300，400，500，600和700℃烘烤0.5h備用.

1.2 熱工性能實驗

1）導熱系數(shù)：待試件自然冷卻后，采用TPS-2500型導熱系數(shù)儀測定導熱系數(shù).圖1為導熱系數(shù)隨溫度的變化關系曲線.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和最小二乘擬合，得到導熱系數(shù)與溫度的簡化關系式為：

式中：λ為熱傳導系數(shù)，W／（m·K）；T為溫度，K，且273K≤T≤973K.

圖1 導熱系數(shù)隨溫度的變化關系曲線Fig.1 The curve of thermal conductivity and temperature

2）濕擴散系數(shù)：材料的濕擴散性采用PCK實驗裝置測試.實驗過程中，所有與吸收面相鄰的面要保證與水或氣隔離.實驗得到如圖2所示的累計吸水量曲線.

圖2 累計吸水量曲線Fig.2 The total absorbing water quantity curve

累計吸水量和時間t的開方呈線性關系［4］：

式中：I為累計吸水量，kg／m2；Dw為濕遷移系數(shù)，kg／（m2·s1／2）；t為時間，s.由式（2）和圖2，得不同溫度下的濕遷移系數(shù)（如圖3所示）.為了便于數(shù)值模擬，擬合得到濕遷移系數(shù)與溫度的簡化關系式：

式中：273K≤T≤973K.

圖3 濕遷移系數(shù)隨溫度的變化曲線Fig.3 The moisture diffusion coefficient under different temperature

2 濕熱耦合模型

2.1 濕熱耦合模型

根據(jù)蒸氣壓與裂縫擴展理論［5－7］，考慮結構內部的溫度變化、水蒸氣遷移及孔壓場對蒸氣遷移的耦合作用，將結構內部分為已干燥區(qū)、類飽和層和正在干燥區(qū).取火線長度方向為研究對象，得濕熱耦合模型，如圖4所示.

圖4 結構內部的濕熱傳遞模型Fig.4 Heat－moisture transfer model

2.2 基本數(shù)學公式

為簡化研究，作如下基本假設［5－7］：①結構內部為均勻、各向同性的介質；②受熱過程中，內部不會發(fā)生水化反應，且常溫下是飽和的；③結構內部只有水蒸氣的分壓，且認為水蒸氣為理想氣體；④只考慮“類飽和面”之前的壓力場.基于以上假設，由擴散方程得：

式中：T為溫度，℃；k為滲透率，mm2／s；ρ為質量密度，kg／m3；c為比熱，kJ／（kg·K）；在類飽和層dv內有：

式中：p為壓力，kPa；w為濕蒸氣質量密度，kg／m3；M為相對分子質量，對水蒸氣是0.018kg／mol；考慮水分擴散的驅動力為水蒸氣濃度梯度，即：

式中：J為質量通量；D為水蒸氣擴散系數(shù).根據(jù)質量平衡方程，有：

把式（6）代入式（7），得：

式中：水蒸氣擴散系數(shù)D＝2.29×10－5×（1＋T／273）1.75.結構內部的傳質過程符合Darcy方程：

式中：q為流速，m／s；Dw為濕遷移系數(shù)，kg／（m2·s1／2）；μ為動力粘度，Pa·s.Dw為變量時，方程變?yōu)椋?/p>

類飽和層的水（自由水，結合水）在高溫下吸收大量的熱，會改變溫度場的分布.對于連續(xù)各向同性的均勻介質，水的遷移對溫度場的影響為：

式中：λ為熱傳導系數(shù)，W／（m·℃）；Q為熱源密度，W／m3；h為對流傳熱系數(shù)，W／（m3·℃）.

3 分析與討論

令距離步長h＝0.001mm，時間步長τ＝10s，質量密度ρ＝1 862kg／m3，采用有限差分方法，進行數(shù)值模擬.

3.1 截面的溫度場

以150mm×150mm×150mm的塊狀試件為研究對象，得到截面的溫度場分布如圖5所示.由圖5可知：截面長度方向上的溫度差異較大.試件受熱15min時，受火側面的溫度已達700℃，但距受火側面100mm處卻接近常溫.雖隨火災時間的延長，結構內部各點的溫度會有所增加，但升幅有限.

圖5 不同時刻溫度場分布Fig.5 The temperature field of various time

同等尺寸的試件澆筑前預埋自制鎳鉻鎳硅K型熱電偶，在ISO 9705標準火災實驗間單面受火，以獲得截面的溫度分布情況.試件受熱45min后的兩側面測點溫升情況，如圖6和圖7所示.可見：火災初期受熱側面的溫升比模擬結果稍慢，待到燃燒后期，試件與標準實驗間內部熱量交換達到平衡后，與模擬曲線趨于一致；而非受熱側面因受到環(huán)境溫度的影響，其溫升普遍比模擬曲線高.

3.2 截面的熱爆裂特性

圖6 受火側面測點的溫升曲線Fig.6Temperature curve of fire side

圖7 非受火側面測點的溫升曲線Fig.7 Temperature curve of no fire side

圖8所示為截面的壓力分布情況.如圖8所示，在受火側面附近壓力存在一個極大值.且，無論受熱時間如何，壓力分布都會呈現(xiàn)先增加，然后減少，再重新增加的趨勢.這說明：受火側面較近易出現(xiàn)初次爆裂.隨著濕熱傳遞和類飽和層向非受火側面的推移，在新的表面還會出現(xiàn)新的爆裂［8－9］.

圖8 不同時刻壓力場分布Fig.8 The pressurefield of various time

圖9～圖12所示為截面的壓力極值（壓力峰值）、受熱時間、截面溫度以及初次爆裂深度之間的關系.圖中顯示：1）初次爆裂大都發(fā)生在20～31 mm之間；2）隨著火災的持續(xù)，壓力峰值快速上升

；3）壓力峰值出現(xiàn)的位置所對應的溫度集中在300～400℃；4）初次爆裂出現(xiàn)的深度受溫度的影響.溫度越高，初次裂紋深度越大.

圖9 壓力峰值與初次裂紋深度的關系Fig.9 The relation between peak pressure and crack depth

圖10 壓力峰值與時間的關系Fig.10 The relation between peak pressure and time

圖11 溫度與壓力峰值的關系Fig.11 The relation between peak pressure and temperature

圖12 溫度與初次裂紋深度的關系Fig.12 The relation between temperature and crack depth

3.3 試件的殘余抗壓強度

最后，根據(jù)《金屬材料室溫壓縮試驗方法》（GB／T 7314－2005），利用INSTRON 8506型四立柱液壓伺服試驗系統(tǒng)，對若干受熱后的試件進行抗壓強度測試以檢驗材料的熱爆性能.

表1列出了不同含水率的試件在經(jīng)歷了400℃高溫作用之后的殘余抗壓強度、壓力峰值和濕遷移系數(shù).其中，含水率為4%，5%，6%，7%的試件的殘余抗壓強度與初次爆裂的壓力峰值較接近；含水率為2%和3%的試件的殘余試件的殘余抗壓強度與初次爆裂的壓力峰值差異較大.這可能是因為：含水率較低的試件內部連通孔的數(shù)量較少，濕遷移系數(shù)較小，所以它的實際殘余抗壓強度比初次爆裂的壓力峰值要低［10］.

表1 不同含水率的復合墻體的殘余抗壓強度Tab.1 The residual compressive strength under different moisture content

圖13 材料殘余抗壓強度溫度關系Fig.13 The relation between residual compressive strength and temperature

圖14 材料的殘余彈性模量溫度關系Fig.14 The relation between residual elastic modulus and temperature

圖13和圖14所示分別是含水率為4%的試件殘余抗壓強度相對值、殘余彈性模量相對值隨溫度的變化關系曲線.從圖13可以看出，相對于混凝土而言，若火災溫度低于400℃，秸稈纖維復合材料的殘余抗壓強度相對值將大于混凝土材料.而火災溫度高于450℃時，復合墻體會喪失超過50%的抗壓強度.圖14則表明：材料的殘余彈性模量隨火災溫度的關系較復雜，沒有確定的規(guī)律性.

4 結 論

1）初次爆裂出現(xiàn)的位置受火災時間、溫度的影響.隨著火災時間的持續(xù)，截面溫度升高，壓力迅速增長.溫度越高，類飽和層向非受火側推移越快，初次裂紋深度越大.

2）壓力峰值、初次爆裂出現(xiàn)的位置所對應的溫度集中在300～400℃，這與抗壓強度的測試實驗的結果相符.秸稈纖維復合材料在300℃左右開始出現(xiàn)明顯的抗壓強度喪失，主要是因為細微裂紋的出現(xiàn).

3）材料的熱爆裂性能受濕遷移系數(shù)的影響.火災外部條件不變的情況下，濕遷移系數(shù)增大，壓力峰值將增大，試件就不容易爆裂.

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