章冕

摘要：通過(guò)對(duì)埋設(shè)熱電偶的不同類型混凝土分別加熱到700 ℃ 后，對(duì)混凝土內(nèi)部埋設(shè)熱電偶處周邊提取試樣，檢測(cè)試件內(nèi)部經(jīng)歷的最高溫度，結(jié)果表明， 鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性好，而且在混凝土中摻入的鋼纖維越多，熱傳導(dǎo)性能越好。

關(guān)鍵詞：混凝土； 熱電偶； 高溫

引言

建筑物遭受火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)受熱而升溫，由于混凝土是熱惰性材料，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)。與之相應(yīng)，混凝土材料性能惡化，發(fā)生截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)性能下降，出現(xiàn)不同程度的損傷。因此混凝土內(nèi)部受火溫度的研究是火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)和鑒定的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)性研究。

一般說(shuō)來(lái)，構(gòu)件內(nèi)部曾遭受的最高受火溫度分布可通過(guò)兩條途徑確定[1]：一是在已知空間內(nèi)氣體溫度-時(shí)間曲線的前提下，利用構(gòu)件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方程及相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解；或利用構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，確定構(gòu)件內(nèi)部的最高溫度分布；二是直接進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)取樣，然后根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)確定構(gòu)件內(nèi)部不同點(diǎn)的最高受火溫度。

1.熱電偶測(cè)溫基本原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。

熱電偶是由二根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱作熱電偶的熱端（工作端）；和導(dǎo)線連接的一端稱作冷端。把熱電偶的熱端插入需要測(cè)溫的媒體內(nèi)，冷端置于外面，如果兩端所處的溫度不同（譬如，熱端溫度為T(mén)，冷端溫度為T(mén) ），則在熱電偶的回路中便會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)E，該熱電勢(shì)E與熱電偶兩端的溫度T和T 均有關(guān)，如果保持T 不變，則熱電勢(shì)只和T有關(guān)。也就是說(shuō)，在熱電偶材料已定的情況下，它的熱電勢(shì)E只是被測(cè)溫度T的函數(shù)，我們測(cè)得E的數(shù)值后，就可知道被測(cè)溫度的大小。

2.實(shí)驗(yàn)概況與實(shí)驗(yàn)方法

一般情況下，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的總體布置如圖1所示，各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體型號(hào)由于實(shí)驗(yàn)溫度和試件尺寸，以及所需費(fèi)用高低的不同而自行選配。

試件

圖 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體布置圖

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)在試件內(nèi)部埋設(shè)熱電偶，利用熱電偶測(cè)溫法，測(cè)量普通混凝土和鋼纖維

混凝土內(nèi)部的溫度變化，得出溫度—時(shí)間曲線，比較鋼纖維混凝土與普通混凝土溫度場(chǎng)的差異，并驗(yàn)證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導(dǎo)性。

2.2 試件的制備

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量采用了邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，并且在各混凝土中截面指定位置處預(yù)埋熱電偶，如圖2。

本文為了測(cè)量升溫過(guò)程中普通混凝土和鋼纖維混凝土的溫度分布和溫度變化，制備了3組邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，澆注時(shí)每個(gè)試件內(nèi)部均預(yù)埋了三條熱電偶，熱電偶布置在各混凝土具有代表性的中截面處，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示內(nèi)部C（2，3）、A（3，3）、B（3，2）交點(diǎn)處 （D點(diǎn)為混凝土表面點(diǎn)）。試件編號(hào)如表1：

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

（1）實(shí)驗(yàn)采用高溫實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行加熱，爐膛內(nèi)部的溫度由鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶量測(cè)，而試件內(nèi)部溫度由埋設(shè)的細(xì)而輕的鎳鉻-鎳硅K型熱電偶絲做的傳感器量測(cè)，熱電偶接入數(shù)據(jù)采集儀。當(dāng)混凝土試件到達(dá)56d齡期之后將試件從養(yǎng)護(hù)室拿出，放進(jìn)高溫爐中加熱，一次升降溫實(shí)驗(yàn)中，按照加熱速度為8-10℃/min對(duì)試件施加高溫荷載，加熱到700℃，爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫1小時(shí)。在此過(guò)程中分別測(cè)出每個(gè)混凝土試件中4個(gè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線 （即混凝土內(nèi)部A、B、C三個(gè)點(diǎn)及表面D點(diǎn)）。

（2）通過(guò)預(yù)埋熱電偶記錄試件表面和內(nèi)部溫度的變化，采用巡檢儀自動(dòng)采集、記錄和分析溫度變化的全過(guò)程；在不同加熱時(shí)段檢測(cè)構(gòu)件表面和內(nèi)部各點(diǎn)溫度，為進(jìn)一步模擬試件的加熱實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

（3）對(duì)混凝土試件采用不同的加熱溫度、鋼纖維摻量等因素，通過(guò)熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，分析這些因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

（4）依據(jù)試驗(yàn)獲取的構(gòu)件內(nèi)部的溫度—時(shí)間曲線，分析各系列混凝土試件的溫度變化，比較普通混凝土與鋼纖維混凝土的差別，并驗(yàn)證鋼纖維混凝土是否具有良好的熱傳導(dǎo)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從下面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖3到圖5中可以看出，在加熱過(guò)程中，最高溫度加熱到700℃，大致的趨勢(shì)是鋼纖維摻量為1.0%的混凝土試件要比鋼纖維摻量為0.5%的混凝土試件對(duì)溫度的傳播速度快，而鋼纖維摻量為0.5%的混凝土比沒(méi)有摻加鋼纖維的普通混凝土溫度的傳播速度快，即在大部分相同時(shí)刻下溫度高低依次是SF1.0>SF0.5>CON，這說(shuō)明鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性更好，且同一試件內(nèi)，加熱過(guò)程中同一時(shí)刻下各點(diǎn)溫度高低根據(jù)各點(diǎn)位置深淺依次是D>C>B>A，即離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱的D點(diǎn)溫度低于兩面受熱的C點(diǎn)溫度。

圖3 加熱到700℃過(guò)程中SF1.0 圖4 加熱到700℃過(guò)程中SF0.5

各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線 各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線

圖5加熱到700℃過(guò)程中CON 圖2 試件中截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

各點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線

4 作用機(jī)理分析

綜合以上對(duì)鋼纖維混凝土高溫后溫度變化可以看出，鋼纖維的摻入使混凝土具有較好的熱傳導(dǎo)性能，現(xiàn)結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)[5] [6]及作者的體會(huì)論述如下：

（1）出現(xiàn)以上試驗(yàn)的結(jié)果是因?yàn)榛炷恋臒醾鲗?dǎo)系數(shù)飽水狀態(tài)時(shí)為112 ～114W/m ℃，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為水的1/25 ，因此干燥狀態(tài)下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)更小，即混凝土隨著溫度的升高，水分被蒸發(fā)出去，混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高而減少；而鋼材具有更好的傳導(dǎo)性能，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為混凝土的20～30倍。又由于鋼纖維在混凝土中是三維亂向分布且互相搭接，因而它的摻入可使混凝土在高溫下更快地達(dá)到內(nèi)部溫度的均勻一致。所以從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)分析，跟理論基本上是一致的，即鋼纖維混凝土的摻量越多，溫度傳遞越快。由于鋼纖維的摻入使混凝土在高溫下更快地達(dá)到內(nèi)部溫度的均勻一致，從而減少溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，減少內(nèi)部損傷，并可抑制由于快速的溫度變化產(chǎn)生的混凝土體積變化，從而減少材料內(nèi)部微缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展，減緩了材質(zhì)的劣化，這也是前一章中所說(shuō)的在同一高溫作用后混凝土力學(xué)性能隨著鋼纖維摻量的增加而增長(zhǎng)的原因之一。

（2）在升溫、恒溫過(guò)程中，鋼纖維材質(zhì)本身發(fā)生晶體組織及晶體結(jié)構(gòu)的變化，并且經(jīng)受了類似熱處理的過(guò)程，使其溫度傳遞速度發(fā)生一系列變化，從而影響其本身溫差，詳細(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步探討與研究。

以上僅是對(duì)鋼纖維在高溫混凝土中作用的幾點(diǎn)粗淺的分析，要詳細(xì)分析其機(jī)理，必須對(duì)混凝土中的鋼纖維在高溫時(shí)、高溫后所發(fā)生的物理、力學(xué)等一系列的變化做詳盡的試驗(yàn)研究，這方面的工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。

5結(jié)論

本章綜合考慮了不同混凝土類型，加熱到不同最高溫度和混凝土試件內(nèi)部各個(gè)不同點(diǎn)的溫度時(shí)間變化，通過(guò)預(yù)埋熱電偶，測(cè)量了不同混凝土類型各個(gè)不同點(diǎn)的時(shí)間—溫度曲線，測(cè)定不同高溫后鋼纖維混凝土與普通混凝土試件內(nèi)部不同深度處所達(dá)到的最高溫度得出以下結(jié)論：

1.最高溫度加熱到700℃，鋼纖維混凝土比普通混凝土熱傳導(dǎo)性好，而且在混凝土中摻入的鋼纖維越多，熱傳導(dǎo)性能越好。

2.在同一試件內(nèi)，加熱過(guò)程中同一時(shí)刻各點(diǎn)溫度高低根據(jù)各點(diǎn)位置是離表面位置越深，溫度越低，且單面受熱點(diǎn)的溫度低于兩面受熱點(diǎn)的溫度。

3.混凝土試件經(jīng)過(guò)高溫加熱并恒溫一個(gè)小時(shí)后，混凝土內(nèi)部溫度并沒(méi)有達(dá)到均勻一致。在今后的研究中，如果想使整個(gè)混凝土內(nèi)部溫度都達(dá)到受火溫度，應(yīng)適當(dāng)增加混凝土試件的恒溫時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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