CN107290510A - 一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置及方法。该装置包括液化石油气炉，炉内设有第一热电偶、液化石油气炉与液化石油天然气罐连接，液化石油气炉上方放置钢筋混凝土板，钢筋混凝土板上方为混凝土加载块，混凝土加载块分别连接第二热电偶及压力变送器，第一热电偶、第二热电偶、压力变送器分别连接无纸记录仪；所述液化石油气炉由蒸汽加压混凝土砌块砌筑而成，炉内均匀分布有天燃气燃具，并且布置若干个热电偶用于控制炉内升温速率。本发明采用明火液化石油气炉加热在荷载作用下的钢筋混凝土板，采用蒸汽压采集传导装置和热电偶分别对钢筋混凝土板内不同深度的蒸汽压和温度进行测量记录。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置及方法，具体涉及一种基于明火燃烧及温度、荷载耦合条件下高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置及方法，属于建筑工程领域。
背景技术
高性能混凝土受热产生蒸汽压是造成高性能混凝土高温后突然爆裂的重要因素之一，高性能混凝土在高温作用下，其中的吸附水、毛细水在受热后气化开始逸出，但由于高性能混凝土的致密性以及内部不贯通的毛细孔，使得混凝土内部的水蒸汽不容易迁移和逸出，这很容易使混凝土蒸汽压达到饱和状态，并且在混凝土内部所出现的蒸汽压会引起局部拉应力，当拉应力高于混凝土内部的抗拉强度，混凝土会发生爆裂即产生高性能混凝土高温爆裂。
目前在混凝土高温性能试验研究方面，主要存在两大方面的问题。一是试验多采用电炉进行加热，在国外，这种试验方式占据了一大半，而在国内，则大多数利用电炉进行加温，偶尔见有采用燃油燃烧进行试验的报道。虽然电炉加热具有操作简便、受热均匀、易控制温度等优点，但仍具有以下弊端：一、高温电炉加热很难模拟实际结构或构件遭遇火灾时的情况。实际火灾发生时，温度升高迅速，且持续较长时间；此外，实际结构遭受火灾时，构件多为一面受火或三面受火，混凝土内部温度场极不均匀；在电炉中，试件基本六面均匀受热，升温速率往往依电炉最大功率而定；二是试验时构件往往是处于自由变形状态，没有限制其膨胀变形，而实际混凝土结构或构件在受火灾时，外部荷载仍然存在，即荷载与火灾共存，外荷载的存在限制了混凝土在火灾下的膨胀变形；电炉加温却很难模拟实际结构或构件遭遇火灾时的情况。
明火试验装置复杂、温度难以控制，且燃烧物属于消耗品，试验费用急剧增加，目前研究者们很少采用。但是明火却可以更好地模拟实际构件发生火灾时的损伤情况，能更好地为研究混凝土材料在实际火灾作用下的各项性能提供依据，从而进一步为混凝土结构的防火性能设计奠定基础。
发明内容
本发明旨在提供一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置及方法，采用明火液化石油气炉加热在荷载作用下的钢筋混凝土板，采用蒸汽压采集传导装置和热电偶分别对钢筋混凝土板内不同深度的蒸汽压和温度进行测量记录。
本发明在现有的研究基础上，设计由蒸汽导气管、液化石油气炉、带钢筋的混凝土板、压力变送器和无纸记录仪等组成的蒸汽压试验装置，研究高性能混凝土在荷载与温度耦合条件下蒸汽压的变化与温度的关系。这对于研究不同温度作用下孔隙水蒸汽压对高性能混凝土损伤机制的研究很有意义，不仅有利于揭示混凝土内部破坏和性能劣化发生机理，建立高性能混凝土受热破坏的损伤理论体系，而且对改善材料性能、提高结构抗火能力及灾后损伤评估具有重要的现实意义。
本发明提供了一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置，包括液化石油气炉，炉内设有第一热电偶、液化石油气炉与液化石油天然气罐连接，液化石油气炉上方放置钢筋混凝土板，钢筋混凝土板上方为混凝土加载块，混凝土加载块分别连接第二热电偶及压力变送器，第一热电偶、第二热电偶、压力变送器分别连接无纸记录仪；所述液化石油气炉由蒸汽加压混凝土砌块砌筑而成，炉内均匀分布有天燃气燃具，并且布置若干个热电偶用于控制炉内升温速率。
上述装置中，所述液化石油气炉的尺寸为长695mm、宽505mm、深320mm、壁厚206mm；炉内平行设有两排天燃气燃具，共有六个。
上述装置中，所述液化石油气炉的炉内布置有两个热电偶分别布置在天然气燃具正上方接近板底处及炉膛角落处。
本发明提供了一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试方法，包括以下内容：
（1）制作液化石油气炉：
（2）准备试件：
①准备原料：
水泥：采用强度等级为C60-C100的普通硅酸盐水泥P.O 42.5级或P.O 52.5级；;
抗冻性：大于等于F70;
坍落度:180±20mm;
坍落扩展度：500±50mm;
骨料：粗骨料为粒径5-20 mm的石灰石碎石，粗石为10-20mm，细石为5-10mm；砂为细度模数2.8、级配良好的砂；
矿物掺合料：粉煤灰为GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》所规定的Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；粒化高炉矿渣粉采用S105或S95 级矿渣微粉。
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定；
②制备试件：
制备四个钢筋混凝土板和三块立方体试块：
钢筋混凝土板长800mm、宽650mm、厚100mm，板底布置单层钢筋，纵、横各四根受力钢筋，内部还预埋有热电偶及蒸汽压测量装置；
所述热电偶及蒸汽压测量装置分别埋于距钢筋混凝土板底部25mm、50mm、75mm处，且与无纸记录仪连接用于测量试块不同深度的温度及蒸汽压变化。
同时制作三个与钢筋混凝土板相同材料的100mm×100mm×100mm的立方体试块用于测定钢筋混凝土板的含水量。
③养护：
钢筋混凝土板与三个立方体混凝土试块在养护室中进行标准养护28天，然后移出养护室，暴露在空气中，室温下存放至少2天；
（3）测定试块的含水率
对钢筋混凝土板以及三个立方体混凝土试块分别进行称量，然后把三个立方体混凝土试块放入烘箱烘干24h；等到烘干后，分别测定三个立方体混凝土试块含水率，直至质量变化在0.1%以内，不再烘干；同时每天记录四个钢筋混凝土板的质量。
求出立方体试块的平均含水率即为钢筋混凝土板的含水率。
（4）连接试验装置
测定炉膛尺寸，混凝土板距火头高度。
量取四个钢筋混凝土板底热电偶距板底的距离，若热电偶端部距离板底5mm之内则凿开混凝土始板底热电偶露出，若大于5mm则另取热电偶固定板底。
连接液化石油天然气罐，液化石油天然气罐距离火头距离大于5m。检查火头，液化气罐，量取火头高度。之后切记关闭液化气罐。
于试验前一天检查无纸记录仪读数是否正常，并设定时间间隔为30秒记录一次，粘接蒸汽压导管与压力传送器。
实验开始前根据《建筑结构荷载规范》( GB50009-2001 )采用以永久荷载控制设计荷载以混凝土荷载块对钢筋混凝土板进行加载；
（5）试验过程
点火钢筋混凝土板升温后，无纸记录仪自动开始记录钢筋混凝土内不同深度的蒸汽压及温度。同时采用DV摄像记录与拍照记录实验过程中的现象。
试验过程中对钢筋混凝土板持续加热1.5~2.5h，直到板底最高温度达到800℃并且蒸汽压力开始下降时关闭液化石油气炉；然后保持无纸记录仪再持续记录数值3~4.5h；
（6）试验结束
炉子自然降温，12h后拍照，拍过火状态、裂缝；整理数据，拆卸实验装置，移走混凝土板，并称量重量。
本发明的有益效果：
（1）此方法是明火试验，并且是在温度与荷载耦合条件下的试验更加符合工程实际中火灾引起混凝土内部蒸汽压的变化；
（2）灵敏度高、检测迅速；
（3）可以对混凝土内部蒸汽压值与温度值定量分析。
附图说明
图1为本发明高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置的结构示意图。
图2为液化石油气炉的内部结构分布图。
图3为本发明测试装置与混凝土板的连接段示意图。
图4为液化石油气炉内温度变化曲线图。
图5为试验中钢筋混凝土板内温度随时间的变化曲线图。
图6为试验中钢筋混凝土板中蒸汽压随时间的变化曲线图。
图中，1为钢筋混凝土板、2为混凝土加载块、3为压力变送器、4为第一热电偶、5为无纸记录仪、6为液化石油气炉、7为第二热电偶、8为液化石油天然气罐、9为蒸汽加压混凝土砌块，10为天然气燃具、11为压力感触托盘、12为压力传导管、13为压力变送器。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
本实施例提供一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试方法，包括以下内容：
（1）制作炉具：
液化石油气炉如图2所示，液化石油气炉尺寸为长695mm、宽505mm、深320mm、壁厚206mm，由蒸汽加压混凝土砌块砌筑而成。炉内有六个均匀分布的天燃气燃具，用于加热钢筋混凝土板。炉内布置有两个热电偶分别布置在天然气燃具正上方接近板底处及炉膛角落处。
本发明的测试装置如图1所示，包括液化石油气炉6，炉内设有第一热电偶4、液化石油气炉6与液化石油天然气罐8连接，液化石油气炉6上方放置钢筋混凝土板1，钢筋混凝土板1上方为混凝土加载块2，混凝土加载块2分别连接第二热电偶7及压力变送器3，第一热电偶4、第二热电偶7、压力变送器3分别连接无纸记录仪5；所述液化石油气炉6由蒸汽加压混凝土砌块9砌筑而成（即液化石油气炉的外壳是由蒸汽加压混凝土砌块构成的），炉内均匀分布有液化石油气燃具10，并且布置若干个热电偶用于控制炉内升温速率。
图3示出了本发明测试装置与混凝土板的连接关系。无纸记录仪5直接与压力变送器13连接，压力变送器13下端通过压力传导管12连接压力感触托盘11；压力感触托盘11埋入钢筋混凝土板1的内部。
（2）准备试件：
①准备原料：
试验混凝土配比：
表1试验混凝土配比
水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 42.5级水泥；
骨料：粗骨料为粒径5~20 mm的石灰石碎石，粗石为10-20mm，细石为5-10mm；砂为细度模数2.8、级配良好的豆罗砂；
矿物掺合料：粉煤灰为磨细粉煤灰Ⅰ级，细度为8.2%，需水量为95%，28d 活性指数为71.1%；粒化高炉矿渣粉采用S95 级矿渣微粉，流动度比为124%，7d 活性指数为82.97%，28d活性指数为104.16%；
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定；
②制备试件：
制备四个钢筋混凝土板和三块立方体试块：
钢筋混凝土板长800mm、宽650mm、厚100mm，板底布置单层钢筋，纵、横各四根受力钢筋，内部还预埋有热电偶及蒸汽压测量装置；
所述热电偶及蒸汽压测量装置的压力感触托盘分别埋于距钢筋混凝土板底部25mm、50mm、75mm处，且与无纸记录仪连接用于测量试块不同深度的温度及蒸汽压变化。
同时制作三个与钢筋混凝土板相同材料的100mm×100mm×100mm的立方体试块用于测定钢筋混凝土板的含水量。
③养护：
钢筋混凝土板与三个立方体混凝土试块在养护室中进行标准养护28天，然后移出养护室，暴露在空气中，室温下存放至少2天；
（3）测定试块的含水率
对钢筋混凝土板以及三个立方体混凝土试块分别进行称量，然后把三个立方体混凝土试块放入烘箱烘干24h；等烘干后，分别测定三个立方体混凝土试块含水率，直至质量变化在0.1%以内，不再烘干；同时每天记录四个钢筋混凝土板的质量。
求出立方体试块的平均含水率即为钢筋混凝土板的含水率。
（4）连接试验装置
测定炉膛尺寸，混凝土板距火头高度。
量取四个钢筋混凝土板底热电偶距板底的距离，若热电偶端部距离板底5mm之内则凿开混凝土始板底热电偶露出，若大于5mm则另取热电偶固定板底。
连接液化石油天然气罐，液化石油天然气罐距离火头距离大于5m。检查火头，液化气罐，量取火头高度。之后切记关闭液化气罐。
于试验前一天检查无纸记录仪读数是否正常，并设定时间间隔为30秒记录一次，粘接蒸汽压导管与压力传送器。
（5）试验过程
实验开始前根据《建筑结构荷载规范》( GB50009-2001 )采用以永久荷载控制设计荷载以混凝土荷载块对钢筋混凝土板进行加载；
本实验混凝土板加荷：3.2kg/m2；
共需加荷165.12kg。
使用150mm立方体混凝土试块每个约重8.1kg，共用 20块，另外还用了3.12kg砂子。尽量使荷载均匀分布。
钢筋混凝土板试验过程及现象描述：此明火试验加热过程共计99 min，其中液化石油气炉内升温曲线如附图4所示。对钢筋混凝土板加热99 min之后熄灭液化石油气炉，使钢筋混凝土板自然冷却261 min，测量装置全程保持开启，整个试验过程共计360 min。
试验现象及对应温度随时间变化如表2所示：
表2 钢筋混凝土大板试验现象
（6）试验结束
炉子自然降温，12h后拍照，拍过火状态、裂缝；整理数据，拆卸实验装置，移走混凝土板，并称量重量。
（7）实验数据整理及结果分析
试验中钢筋混凝土板内蒸汽压变化如附图5所示，对应位置混凝土板内温度变化如附图6所示。分析可得距板底25mm处蒸汽压最大，且下降迅速。这是因为，明火产生了较快的热辐射速率，致使水蒸汽快速积累，导致了靠近受火面的饱和蒸汽带的形成，当蒸汽压力持续增加达到混凝土的极限抗拉强度，混凝土板受火面发生爆裂随后距板底25mm处混凝土内部蒸汽压迅速下降。另外，在荷载耦合条件下，由于荷载产生的压力会抑制混凝土内部裂缝的产生，使钢筋混凝土板内水蒸汽更容易快速堆积形成了较高的孔隙从而压力增加了混凝土爆裂的几率。
Claims (5)
1.一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置，其特征在于：包括液化石油气炉，炉内设有第一热电偶、液化石油气炉与液化石油天然气罐连接，液化石油气炉上方放置钢筋混凝土板，钢筋混凝土板上方为混凝土加载块，混凝土加载块分别连接第二热电偶及压力变送器，第一热电偶、第二热电偶、压力变送器分别连接无纸记录仪；所述液化石油气炉由蒸汽加压混凝土砌块砌筑而成，炉内均匀分布有天燃气燃具，并且布置若干个热电偶用于控制炉内升温速率。
2.根据权利要求1所述的高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置，其特征在于：所述液化石油气炉的尺寸为长695mm、宽505mm、深320mm、壁厚206mm；炉内平行设有两排天燃气燃具，共有六个。
3.根据权利要求1所述的高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置，其特征在于：所述液化石油气炉的炉内布置有两个热电偶分别布置在天然气燃具正上方接近板底处及炉膛角落处。
4.一种高性能混凝土内部蒸汽压的测试方法，采用权利要求1~3任一项所述的高性能混凝土内部蒸汽压的测试装置，其特征在于：包括以下内容：
（1）制作液化石油气炉
（2）准备试件：分别准备钢筋混凝土板及与其材料相同的立方体试块：
（3）测定试块的含水率
对钢筋混凝土板以及立方体混凝土试块分别进行称量，然后把立方体混凝土试块放入烘箱烘干24h；烘干后，分别测定立方体混凝土试块含水率，直至质量变化在0.1%以内，不再烘干；同时每天记录钢筋混凝土板的质量；
求出立方体试块的平均含水率即为钢筋混凝土板的含水率；
（4）连接试验装置
测定炉膛尺寸，混凝土板距火头高度；
量取四个钢筋混凝土板底热电偶距板底的距离，若热电偶端部距离板底5mm之内则凿开混凝土始板底热电偶露出，若大于5mm则另取热电偶固定板底；
连接液化石油天然气罐，液化石油天然气罐距离火头距离大于5m；检查火头，液化气罐，量取火头高度；之后切记关闭液化气罐；
于试验前一天检查无纸记录仪读数是否正常，并设定时间间隔为30秒记录一次，粘接压力传导管与压力变送器；
以混凝土荷载块对钢筋混凝土板进行加载；
（5）试验过程
点火钢筋混凝土板升温后，无纸记录仪自动开始记录钢筋混凝土内不同深度的蒸汽压及温度；同时采用DV摄像记录与拍照记录实验过程中的现象；
试验过程中对钢筋混凝土板持续加热1.5~2.5h，直到板底最高温度达到800℃并且蒸汽压力开始下降时关闭液化石油气炉；然后保持无纸记录仪再持续记录数值3~4.5h；
（6）试验结束
炉子自然降温，12h后拍照，拍过火状态、裂缝；整理数据，拆卸实验装置，移走混凝土板，并称量重量。
5.根据权利要求4所述的高性能混凝土内部蒸汽压的测试方法，其特征在于：准备试件的具体过程为：
①准备原料：
水泥：采用强度等级为C60-C100的普通硅酸盐水泥P.O 42.5级或P.O 52.5级；
抗冻性：大于等于F70；
坍落度:180±20mm；
坍落扩展度：500±50mm；
骨料：粗骨料为粒径5-20 mm的石灰石碎石，粗石为10-20mm，细石为5-10mm；砂为细度模数2.8、级配良好的砂；
矿物掺合料：粉煤灰为GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》所规定的Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；粒化高炉矿渣粉采用S105或S95 级矿渣微粉；
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定；
②制备试件：
制备四个钢筋混凝土板和三块立方体试块：
钢筋混凝土板长800mm、宽650mm、厚100mm，板底布置单层钢筋，纵、横各四根受力钢筋，内部还预埋有热电偶及蒸汽压测量装置的压力感触托盘和与其相连的压力传导管；
所述热电偶及蒸汽压测量装置的压力感触托盘分别埋于距钢筋混凝土板底部25mm、50mm、75mm处，且与无纸记录仪连接用于测量试块不同深度的温度及蒸汽压变化；
同时制作三个与钢筋混凝土板相同材料的100mm×100mm×100mm的立方体试块用于测定钢筋混凝土板的含水量；
③养护：
钢筋混凝土板与三个立方体混凝土试块在养护室中进行标准养护28天，然后移出养护室，暴露在空气中，室温下存放至少2天。
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