高温下表层碳化混凝土的热-湿-化学耦合机理与模型

Concrete carbonation in existing RC structures usually decreases the porosity of the surface-layer concrete and hence impedes the release of internal high-temperature vapor pressure, which in turn increases the risk of explosive spalling of concrete in existing RC structures under fires. Focusing on concrete with carbonated surface layers and combining experimental and theoretical methods, this project first investigates the thermal decomposition processes of carbonated and non-carbonated concretes and establishes the corresponding decomposition kinetics models which make possible the prediction of instantaneous phase compositions of carbonated and non-carbonated concretes under arbitrary temperature history. Moreover, based on composite materials theories, this project builds multi-scale models for thermal and transport properties of carbonated and non-carbonated concretes, which enable to predict the instantaneous thermal and transport properties of carbonated and non-carbonated concretes under arbitrary temperature history. In addition, through integrating together the thermal decomposition kinetics models, multi-scale models for thermal and transport properties and coupled thermo-hygral models, this project establishes the coupled thermo-hydro-chemical model for concrete with carbonated surface layers which is able to estimate the time-varying temperature and pore pressure distributions in concrete with carbonated surface layers under arbitrary temperature history. The thermo-hydro-chemical model lays a solid foundation of analysis and evaluation of fire-resistant performance of existing RC structures.

碳化降低既有结构表层混凝土的孔隙率，阻碍其内部高温蒸汽压力释放，增加火灾下既有混凝土结构的爆裂剥落风险。以表层碳化混凝土为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合的方法，本项目：1）探究高温下碳化/未碳化混凝土各组分的热分解过程，建立碳化/未碳化混凝土的热分解动力学模型，实现任意升温历程下碳化/未碳化混凝土瞬时相组成的动态预测；2）基于复合材料理论，建立高温下碳化/未碳化混凝土热工和传输性能参数的多尺度计算模型，预测任意升温历程下碳化/未碳化混凝土的瞬时热工和传输性能参数；3）结合碳化/未碳化混凝土的热分解动力学模型、热工和传输性能参数的多尺度计算模型和热-湿耦合传输模型，建立高温下表层碳化混凝土的热-湿-化学耦合模型，实现表层碳化混凝土在任意升温历程中温度和孔隙压力分布的动态预测。本项目建立的高温下表层碳化混凝土的热-湿-化学耦合模型，可为既有混凝土结构抗火性能分析与评估奠定重要基础。

碳化降低既有结构表层混凝土的孔隙率，阻碍其内部高温蒸汽压力释放，增加火灾下既有混凝土结构的爆裂剥落风险。为探究碳化对混凝土高温爆裂剥落破坏的影响，本项目研究高温下表层碳化混凝土的温度、孔隙压力、力及变形等多场响应同步演化规律。.发明参比管和测试管“双管法”，探明了测试管及其内充介质升温和承压面方向对孔隙压力测试结果的影响。结果表明：当总压力测试值大于0.4MPa时，测试管及内充介质升温而产生的最大压力不超过总压力测试值的10%；在混凝土内部同一位置承压面方向不同的测试管所测得最大压力不同步，最大压力值也不一样。研究结果为准确测试高温下混凝土内部孔隙压力奠定了重要基础。.研发了高温下混凝土力与变形同步测试装置，发明了“三层铝箔间夹两层耐高温胶”的密封体系，测试了密封与非密封混凝土高温前后质量和高温后残余强度。结果表明：当目标暴露温度小于100℃时，密封体系工作状态良好，但当目标暴露温度更高时，密封体系退化乃至失效；密封与非密封导致的高温暴露全过程中混凝土的湿条件差异可对混凝土的（残余）强度产生多种不同的提高与降低作用机制，导致密封与非密封混凝土高温暴露后的残余强度有明显差异。研究结果为准确分析升降温全过程中混凝土力学性能演化规律提供了重要支撑。.研发了承载混凝土的多场响应同步测试装置，进行了承载表层碳化混凝土的单侧升温试验，测试了温度、孔隙压力、力及变形在升降温全过程中的同步演化规律，提出了水泥的热分解模型，建立了高温下表层碳化混凝土的热-湿-力-化耦合模型框架。结果表明：碳化可提高混凝土的爆裂剥落破坏风险，但其影响通常与荷载、湿条件等其他因素相耦合；孔隙压力不一定是混凝土高温爆裂剥落的必要条件。研究结果为准确评估既有混凝土结构的抗火性能奠定了重要基础。