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高强混凝土受火损伤及其综合评价研究

作　者: 李敏
导　师: 吕志涛；钱春香
学　校: 东南大学
专　业: 结构工程
关键词: 高强混凝土高温爆裂抗压强度渗透性微观结构湿热耦合温度场压力场模糊数学综合评判
分类号: TU528.31
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

火灾发生后,建筑物的材料性能严重劣化,结构性能大大削弱,导致结构不同程度的损伤和承载力的下降。火灾发生后如何科学正确地评估混凝土建筑物的承载能力,尽快采取合理的修复加固措施是建筑业必须解决的问题。混凝土的高强化在世界各国已引起土木建筑与材料工程界的高度重视,近年来取得了较大的进展。但高强混凝土有时会呈现比普通混凝土更差的性能,尤其是高温性能劣化严重。因此有必要深入研究火灾中混凝土性能的衰减规律,科学地诊断火灾后结构的受损程度,确定其残余承载力和合理地加以修复加固,同时延长建筑结构坍塌的时间,将火灾造成的损失降低到最少。本文在研究高强混凝土高温后性能的基础上,提出了对混凝土高温后损伤进行综合评定的方法,为混凝土结构火灾损伤的诊断评估与修复加固提供科学依据。本文主要研究内容和成果如下:1.高强混凝土高温后强度的变化通过模拟火灾试验,研究分析了温度、升温制度、强度等级、含水率、外掺料、骨料种类、PP纤维、试件尺寸等因素对高强混凝土经受高温后的抗压强度的影响,并从微观角度进行了分析。探讨了高强混凝土经受高温后抗折强度、劈裂抗拉强度的变化规律,另外,还研究了上述因素对高强混凝土高温后的超声波传播速度的影响,并建立了高温后高强混凝土的相对抗压强度与温度的关系、相对超声速度与温度的关系、相对超声波传播速度与相对抗压强度之间的关系,分别见式(2.1)、式(2.4)和式(2.14)。这对于受火后混凝土的现场检测有重要应用价值。2.高强混凝土高温后抗渗透性能的研究在国内外率先全面深入研究了HSC高温后渗透性能的变化,分别探讨了HSC高温后的氯离子渗透系数、湿迁移渗透系数、空气渗透系数,吸水率、质量损失与碳化的变化规律,并研究了温度、强度等级、骨料种类、外掺料及PP纤维等对HSC高温后渗透性能的影响。对通过高温后再养护手段来改善HSC高温后抗渗透性能进行了详细的试验研究与机理分析,给出了三种渗透系数的相互关系。研究表明,HSC受火后抗渗性衰减大于普通强度混凝土;PP纤维可抑制爆裂,但受火后抗渗性损失很大。3.高强混凝土高温爆裂的湿热耦合数学模型从混凝土内部温度变化,水蒸汽迁移造成孔压力,以及孔压力场和温度场对蒸汽迁移的耦合作用,分析了内部湿热传递的现象。指出混凝土的渗透系数或扩散系数对于孔压有着重要影响。分析了“类饱和面”的形成及变化过程。在分析以往有关爆裂机理的理论的基础上,提出了爆裂机理的物理模型,建立了相应的数学表达,通过解析后,其结果与试验结果基本吻合,验证了模型的正确性。在参考、分析国内外有关爆裂及其机理的数学模型的基础上,在给定温度制度下进行了混凝土内部温度场和气压场的计算,并对计算结果进行了验证、分析与应用。4.高强混凝土高温后损伤的综合评判基于模糊数学的理论,研究了混凝土受高温后损伤的综合评价方法,在同时考虑混凝土高温后的外观损失、抗压强度损失与渗透性损失的基础上,对混凝土高温后的损伤进行了合理评价。参考环境评价方法,提出了混凝土高温损伤综合评价的过程:单项因子的评价赋值确定评价因子的权重综合计算,建立的综合评价计算模型科学合理,简单易行。利用C++开发了混凝土高温损伤综合评价的程序,程序运行正常,并通过实例进行了应用验证。提出将抗渗透性作为评判HSC高温后损伤的重要评判指标,具有创新性。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
本文符号一览  7-14
第一章绪论  14-27
  1.1 国内外研究现状综述  14-25
    1.1.1 高强混凝土与普通混凝土高温后性能衰减的差异  15-18
    1.1.2 高强混凝土高温后力学性能试验研究  18-20
    1.1.3 混凝土火灾后抗渗透性能研究  20-21
    1.1.4 高强混凝土高温爆裂行为研究  21-23
    1.1.5 火灾后混凝土的损伤评价方法的研究  23-25
  1.2 存在的问题  25
  1.3 本文的研究内容和研究意义  25-27
    1.3.1 研究内容  25-26
    1.3.2 研究意义  26-27
第二章高强混凝土高温后强度变化  27-62
  2.1 主要原材料  27-28
  2.2 试验配合比  28-29
  2.3 试验设备  29-30
  2.4 试验方法  30
    2.4.1 试件成型与高温试验  30
    2.4.2 强度试验  30
  2.5 试验结果分析  30-60
    2.5.1 高温宏观现象  30-31
    2.5.2 高强混凝土火灾后抗压强度变化  31-44
      2.5.2.1 升温制度对高强混凝土抗压强度的影响  31-34
      2.5.2.2 强度等级对剩余抗压强度的影响  34-36
      2.5.2.3 试件尺寸对剩余抗压强度的影响  36
      2.5.2.4 含水量对剩余抗压强度的影响  36-38
      2.5.2.5 聚丙烯纤维对混凝土高温后抗压强度的影响  38-40
      2.5.2.6 外掺料对混凝土高温后抗压强度的影响  40-43
      2.5.2.7 骨料对混凝土高温后抗压强度的影响  43-44
    2.5.3 HSC 高温后强度变化微观机理分析  44-49
      2.5.3.1 扫描电子显微分析  44-47
      2.5.3.2 差热分析与热重分析  47-49
    2.5.4 高强混凝土高温后抗折强度的变化  49-50
    2.5.5 劈裂抗拉强度  50-51
    2.5.6 脉冲在高温后混凝土中的传播速度  51-60
      2.5.6.1 试验方法  51
      2.5.6.2 超声波速度与温度的关系  51-52
      2.5.6.3 超声波速度与强度的关系  52-53
      2.5.6.4 混凝土高温后超声波速度的影响因素  53-60
        2.5.6.4.1 强度等级的影响  53-55
        2.5.6.4.2 骨料种类的影响  55-56
        2.5.6.4.3 掺合料的影响  56
        2.5.6.4.4 含水率的影响  56-58
        2.5.6.4.5 PP 纤维的影响  58
        2.5.6.4.6 试件尺寸的影响  58-60
  2.6 本章小结  60-62
第三章高强混凝土高温后抗渗透性能变化  62-91
  3.1 抗氯离子渗透性能  62-71
    3.1.1 试验设备及方法  62-63
    3.1.2 试验结果及分析  63-65
      3.1.2.1 温度的影响  63-64
      3.1.2.2 强度等级的影响  64-65
      3.1.2.3 骨料种类的影响  65
    3.1.3 高温后再水养对抗氯离子渗透能力的影响  65-71
      3.1.3.1 试验结果与分析  65-68
      3.1.3.2 机理分析  68-71
  3.2 湿迁移渗透系数  71-78
    3.2.1 试验方法  71-72
    3.2.2 砂浆试件高温后湿迁移渗透系数  72-74
      3.2.2.1 湿迁移渗透系数与升温制度的关系  73
      3.2.2.2 湿迁移渗透系数与掺合料及聚丙烯纤维掺量关系  73-74
    3.2.3 混凝土高温后的湿迁移渗透系数  74-78
      3.2.3.1 温度的影响  76
      3.2.3.2 强度等级的影响  76-77
      3.2.3.3 粗骨料种类的影响  77
      3.2.3.4 PP纤维长度及掺量的影响  77-78
  3.3 空气渗透系数  78-80
    3.3.1 试验方法  78
    3.3.2 试验结果与分析  78-80
  3.4 其它性能  80-88
    3.4.1 吸水率  80-84
      3.4.1.1 试验方法  80
      3.4.1.2 试验结果与分析  80-84
        3.4.1.2.1 高温后砂浆试件的吸水率  80-81
        3.4.1.2.2 高温后混凝土的吸水率  81-82
        3.4.1.2.3 高温后再水养混凝土的吸水率  82-84
    3.4.2 抗碳化性能  84-87
      3.4.2.1 试验仪器与试验方法  84
      3.4.2.2 试验结果与分析  84-87
        3.4.2.2.1 高温后砂浆试件的碳化  84-86
        3.4.2.2.2 高温后混凝土试件的碳化  86-87
    3.4.3 质量损失  87-88
  3.5 三种渗透系数之间的关系  88-89
  3.6 本章小结  89-91
第四章高强混凝土高温爆裂的湿热耦合数值分析  91-110
  4.1 评价爆裂程度的参数  91-92
  4.2 高强混凝土高温爆裂机理分析  92-98
    4.2.1 混凝土高温下的热物理性能变化  92-93
    4.2.2 混凝土高温下的物理、化学变化  93-94
    4.2.3 水的汽化对温度场的影响  94-95
    4.2.4 气压场的形成  95-96
    4.2.5 “类饱和层”与渗透系数  96-97
    4.2.6 爆裂机理物理模型及图示  97-98
  4.3 混凝土高温爆裂的数学模型  98-109
    4.3.1 混凝土中水分存在的形式  98
    4.3.2 水分迁移的微分方程  98-100
    4.3.3 湿热耦合作用的数学模型  100-105
    4.3.4 湿热耦合损伤数学模型的验证与应用  105-109
      4.3.4.1 压力峰值的验证  105-106
      4.3.4.2 压力、压力的对应深度与湿迁移渗透系数的关系  106-107
      4.3.4.3 水蒸汽渗透系数与水蒸汽压力峰值及压力峰值深度之间的关系  107-108
      4.3.4.4 最佳湿迁移渗透系数  108
      4.3.4.5 高温后混凝土内部压力比较  108-109
  4.4 本章小结  109-110
第五章高强混凝土高温后损伤的综合评判  110-123
  5.1 模糊综合评价法简介  110-112
    5.1.1 模糊要素  110-111
    5.1.2 模糊综合评价的数学模型  111-112
  5.2 火灾后混凝土性能综合评价的指标体系  112-113
  5.3 评价因子权重的确定方法  113-114
    5.3.1 权重确定方法概述  113
    5.3.2 权重的聚类矩阵特征向量法  113-114
  5.4 基于模糊数学的综合评价的数学模型  114-119
    5.4.1 综合评价指标集和评价结果标准集  114-115
    5.4.2 HSC 高温后强度损伤鉴定  115-116
    5.4.3 HSC 高温后的抗渗透性能损伤等级评定  116
    5.4.4 HSC 高温后外观损伤等级评价  116-118
      5.4.4.1 HSC 高温后爆裂程度等级评价  116-117
      5.4.4.2 HSC 高温后裂缝最大宽度等级评定  117-118
    5.4.5 确定评价因子的权重与赋值  118
    5.4.6 综合评价的计算  118-119
  5.5 火灾后混凝土损伤综合评价软件设计  119-121
    5.5.1 程序结构  119-120
    5.5.2 程序流程  120
    5.5.3 程序内容  120-121
  5.6 火灾后混凝土损伤综合评判应用实例  121-122
    5.6.1 单项因子的赋值及其权重  121
    5.6.2 综合评价的计算  121-122
      5.6.2.1 二级计算  121
      5.6.2.2 一级计算  121-122
      5.6.2.3 评价结果  122
  5.7 计算验证  122
  5.8 本章小结  122-123
第六章结论与展望  123-127
  6.1 基本结论  123-126
    6.1.1 高强混凝土高温后强度的变化  123-124
    6.1.2 高强混凝土高温后抗渗透性能的研究  124-125
    6.1.3 高强混凝土高温爆裂的湿热耦合数学模型  125-126
    6.1.4 高强混凝土高温后损伤的综合评判  126
  6.2 研究展望  126-127
致谢  127-128
参考文献  128-136
附录一混凝土高温下温度场和压力场差分计算Metlab 程序  136-139
附录二混凝土高温后损伤综合评价C＋＋程序  139-148
作者简介  148-149

高强混凝土受火损伤及其综合评价研究

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