钢纤维混凝土内部温度的实验研究

章冕

摘要：通过对埋设热电偶的不同类型混凝土分别加热到700 ℃ 后，对混凝土内部埋设热电偶处周边提取试样，检测试件内部经历的最高温度，结果表明， 钢纤维混凝土比普通混凝土热传导性好，而且在混凝土中掺入的钢纤维越多，热传导性能越好。

关键词：混凝土； 热电偶； 高温

引言

建筑物遭受火灾后，结构受热而升温，由于混凝土是热惰性材料，结构内部将产生不均匀的温度场。与之相应，混凝土材料性能恶化，发生截面应力和结构内力重分布，结构性能下降，出现不同程度的损伤。因此混凝土内部受火温度的研究是火灾后混凝土结构检测和鉴定的重要内容和基础性研究。

一般说来，构件内部曾遭受的最高受火温度分布可通过两条途径确定[1]：一是在已知空间内气体温度-时间曲线的前提下，利用构件内部的热传导方程及相应的边界条件进行数值求解；或利用构件内部温度场的简化计算模型，确定构件内部的最高温度分布；二是直接进入火灾现场取样，然后根据有关试验确定构件内部不同点的最高受火温度。

1.热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的兩个点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

热电偶是由二根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成。焊接的一端称作热电偶的热端（工作端）；和导线连接的一端称作冷端。把热电偶的热端插入需要测温的媒体内，冷端置于外面，如果两端所处的温度不同（譬如，热端温度为T，冷端温度为T ），则在热电偶的回路中便会产生热电势E，该热电势E与热电偶两端的温度T和T 均有关，如果保持T 不变，则热电势只和T有关。也就是说，在热电偶材料已定的情况下，它的热电势E只是被测温度T的函数，我们测得E的数值后，就可知道被测温度的大小。

2.实验概况与实验方法

一般情况下，实验设备的总体布置如图1所示，各个实验设备的具体型号由于实验温度和试件尺寸，以及所需费用高低的不同而自行选配。

试件

图 1 实验设备总体布置图

2.1 实验目的

通过在试件内部埋设热电偶，利用热电偶测温法，测量普通混凝土和钢纤维

混凝土内部的温度变化，得出温度—时间曲线，比较钢纤维混凝土与普通混凝土温度场的差异，并验证钢纤维混凝土是否具有良好的热传导性。

2.2 试件的制备

本实验的测量采用了边长为150mm的立方体试件，并且在各混凝土中截面指定位置处预埋热电偶，如图2。

本文为了测量升温过程中普通混凝土和钢纤维混凝土的温度分布和温度变化，制备了3组边长为150mm的立方体试件，为了实现对温度的实时测量，浇注时每个试件内部均预埋了三条热电偶，热电偶布置在各混凝土具有代表性的中截面处，测点布置如图2所示内部C（2，3）、A（3，3）、B（3，2）交点处 （D点为混凝土表面点）。试件编号如表1：

2.3 实验步骤和方法

（1）实验采用高温实验炉进行加热，炉膛内部的温度由铠装镍铬-镍硅热电偶量测，而试件内部温度由埋设的细而轻的镍铬-镍硅K型热电偶丝做的传感器量测，热电偶接入数据采集仪。当混凝土试件到达56d龄期之后将试件从养护室拿出，放进高温炉中加热，一次升降温实验中，按照加热速度为8-10℃/min对试件施加高温荷载，加热到700℃，炉温达到目标温度后恒温1小时。在此过程中分别测出每个混凝土试件中4个点的温度-时间曲线 （即混凝土内部A、B、C三个点及表面D点）。

（2）通过预埋热电偶记录试件表面和内部温度的变化，采用巡检仪自动采集、记录和分析温度变化的全过程；在不同加热时段检测构件表面和内部各点温度，为进一步模拟试件的加热实验提供参考依据。

（3）对混凝土试件采用不同的加热温度、钢纤维掺量等因素，通过热电偶测温实验，分析这些因素对温度场的影响。

（4）依据试验获取的构件内部的温度—时间曲线，分析各系列混凝土试件的温度变化，比较普通混凝土与钢纤维混凝土的差别，并验证钢纤维混凝土是否具有良好的热传导性。

3 实验结果及分析

从下面实验数据图3到图5中可以看出，在加热过程中，最高温度加热到700℃，大致的趋势是钢纤维掺量为1.0%的混凝土试件要比钢纤维掺量为0.5%的混凝土试件对温度的传播速度快，而钢纤维掺量为0.5%的混凝土比没有掺加钢纤维的普通混凝土温度的传播速度快，即在大部分相同时刻下温度高低依次是SF1.0>SF0.5>CON，这说明钢纤维混凝土比普通混凝土热传导性更好，且同一试件内，加热过程中同一时刻下各点温度高低根据各点位置深浅依次是D>C>B>A，即离表面位置越深，温度越低，且单面受热的D点温度低于两面受热的C点温度。

图3 加热到700℃过程中SF1.0 图4 加热到700℃过程中SF0.5

各点的时间—温度曲线 各点的时间—温度曲线

图5加热到700℃过程中CON 图2 试件中截面测点布置示意图

各点的时间—温度曲线

4 作用机理分析

综合以上对钢纤维混凝土高温后温度变化可以看出，钢纤维的掺入使混凝土具有较好的热传导性能，现结合有关文献[5] [6]及作者的体会论述如下：

（1）出现以上试验的结果是因为混凝土的热传导系数饱水状态时为112 ～114W/m ℃，而空气的导热系数为水的1/25 ，因此干燥状态下混凝土的导热系数更小，即混凝土随着温度的升高，水分被蒸发出去，混凝土的热传导系数随温度的升高而减少；而钢材具有更好的传导性能，其热传导系数为混凝土的20～30倍。又由于钢纤维在混凝土中是三维乱向分布且互相搭接，因而它的掺入可使混凝土在高温下更快地达到内部温度的均匀一致。所以从实验的数据来分析，跟理论基本上是一致的，即钢纤维混凝土的掺量越多，温度传递越快。由于钢纤维的掺入使混凝土在高温下更快地达到内部温度的均匀一致，从而减少温度梯度产生的内部应力，减少内部损伤，并可抑制由于快速的温度变化产生的混凝土体积变化，从而减少材料内部微缺陷的产生及发展，减缓了材质的劣化，这也是前一章中所说的在同一高温作用后混凝土力学性能随着钢纤维掺量的增加而增长的原因之一。

（2）在升温、恒温过程中，钢纤维材质本身发生晶体组织及晶体结构的变化，并且经受了类似热处理的过程，使其温度传递速度发生一系列变化，从而影响其本身温差，详细机理有待进一步探讨与研究。

以上仅是对钢纤维在高温混凝土中作用的几点粗浅的分析，要详细分析其机理，必须对混凝土中的钢纤维在高温时、高温后所发生的物理、力学等一系列的变化做详尽的试验研究，这方面的工作有待进一步开展。

5结论

本章综合考虑了不同混凝土类型，加热到不同最高温度和混凝土试件内部各个不同点的温度时间变化，通过预埋热电偶，测量了不同混凝土类型各个不同点的时间—温度曲线，测定不同高温后钢纤维混凝土与普通混凝土试件内部不同深度处所达到的最高温度得出以下结论：

1.最高温度加热到700℃，钢纤维混凝土比普通混凝土热传导性好，而且在混凝土中掺入的钢纤维越多，热传导性能越好。

2.在同一试件内，加热过程中同一时刻各点温度高低根据各点位置是离表面位置越深，温度越低，且单面受热点的温度低于两面受热点的温度。

3.混凝土试件经过高温加热并恒温一个小时后，混凝土内部温度并没有达到均匀一致。在今后的研究中，如果想使整个混凝土内部温度都达到受火温度，应适当增加混凝土试件的恒温时间。

参考文献

[1] 尹可芳.火灾后钢筋与混凝土粘结性能试验研究[D].硕士学位论文.河南工业大学.2008：52-53.

[2] 陶景光，彭喜英，罗慧倩，孙大千.火灾事故鉴定的扫描电镜研究.电子显微学报，2003，22（6）B：636-636.

[3] 赵军，高丹盈，王邦.高温后钢纤维高强混凝土力学性能试验研究[J].混凝土，2006. （11）：4-6.

[4] 张彦春，胡晓波，白成彬. 钢纤维高性能混凝土高温后力学强度研究[J] . 混凝土，2001（9）：50-53.