2.4 C80HPC蒸汽压测试及结果分析
2.4.1 试验现象
（1）混凝土小板
①渗水现象 随着混凝土小板不断受热，可以看到炉门缝隙处开始有大量烟雾向外逸出，当小板加热到约67min时，发现混凝土小板的背火面开始出现部分“斑点状”的渗水现象，如图2-22所示，此时背火面温度为35.2℃，炉膛内温度为802.5℃，板受火面温度为401.4℃；在继续受热到约118min后，混凝土小板背火面的“斑点状”渗水现象逐渐减少；在混凝土小板加热到约170min后，小板背火面的渗水斑点几乎完全消失。基准素混凝土和基准加筋混凝土部分小板在加热到约75min时，有爆裂现象发生，此时炉膛内温度为801℃；而PPHPC小板在加热过程中均无爆裂现象发生。
图2-22 混凝土小板试验中“渗水现象”
②混凝土爆裂剥落 基准素混凝土和基准加筋混凝土经高温电阻炉加热后，两类基准混凝土小板均发生了不同程度的爆裂现象，且受热面均表现出不同深度的剥落现象。其中，基准素混凝土小板爆裂较严重，其剥落面占小板受热表面约80%，板角部剥落最大深度约6.5cm，板中间剥落最大深度约5cm，且板内部有许多肉眼可见的小孔；而基准加筋混凝土只有受火面上半面出现剥落，其剥落面占小板受热表面约45%，板角部剥落最大深度约6.2cm，板中间剥落最大深度约2.5cm，且板受热面未剥落的下半部分表面出现许多微细裂纹；两类基准混凝土小板侧面（板厚度方向）均出现许多肉眼可见的小孔，与受热前板表面相比较，受火痕迹均较明显。图2-23（a）、图2-23（b）分别为高温后两类基准混凝土小板外观形貌。
图2-23 各类混凝土高温后的外观形貌
PP纤维素混凝土和PP纤维加筋混凝土经高温电阻炉加热后，两类PP纤维混凝土小板均未发生爆裂现象，但其受热面均出现许多肉眼可见的密集的细孔和不同分布的微细裂纹，且板侧面（板厚度方向）均出现一些肉眼可见的裂缝，与加热前板表面相比，受火痕迹也比较明显。图2-23（c）、图2-23（d）分别为高温后两类PP纤维混凝土小板外观形貌。
四类混凝土小板经高温试验并冷却至室温后的外观形貌如图2-23所示。各类混凝土小板经过高温试验后，板的受热表面均有肉眼可见的密集分布的小孔以及不同程度的微细裂缝；且基准混凝土小板在试验过程中发生了不同程度爆裂，主要表现在板受热表面的浅层混凝土有明显脱落现象；而PP纤维混凝土小板均未发生爆裂现象，并且与基准混凝土相比，受热表面肉眼可见的密集分布的小孔数量更多，孔径相对较小一些，但表面出现的网状微细裂缝相对较多。这说明在混凝土中添加适量PP纤维可有效抑制混凝土高温爆裂的发生，从而验证了其高温蒸汽压爆裂机理。
（2）混凝土大板
随着混凝土大板的不断加热，炉门缝隙及板背火面导气管缝隙处开始有白色烟雾向外逸出；基准加筋混凝土大板在加热至约23min时，听到有较大的爆裂声，此时炉膛内的温度为796℃，板底温度为712℃，之后陆续听到有“哧、哧、哧”的轻微爆裂声，爆裂声大约持续20min，并且板侧面（特别是后侧面和右侧面）出现许多肉眼可见的裂缝，如图2-24所示；而PP纤维加筋混凝土大板在加热过程中均未听见有爆裂声发出，其他现象与基准加筋混凝土的类似。
图2-24 明火试验过程中混凝土大板侧面裂缝
基准混凝土和PP纤维混凝土两类混凝土大板经高温试验并冷却至室温后的外观形貌如图2-25所示。图2-25（a）所示为基准混凝土大板高温后的外观形貌，其经明火加热过程中发生了爆裂现象并伴随有白色烟雾逸出，可见受火面出现不同深度的剥落，剥落面积约占板受火表面积的70%，其中板角埋设蒸汽压导管的周围出现剥落，剥落深度最大19mm，板中间也出现剥落，其深度最大为25mm左右，从图中剥落部位可见，板保护层剥落后预先布置的单层钢筋网中有一根钢筋外露，
图2-25 混凝土大板高温后外观形貌
并有许多肉眼可见的大小空洞；未剥落部位出现许多微细裂纹，且板侧面（板厚度方向）出现许多肉眼可见的细长裂缝，较明显的几条裂缝大概在预埋钢筋网的钢筋间距处混凝土保护层上，与明火加热前板表面相比，受火面的过火痕迹较为显著。
图2-25（b）所示为PP纤维混凝土大板高温后的外观形貌，发现其经明火加热过程中未出现高温爆裂现象，但同样有白色烟雾逸出，板侧面（板厚度方向）出现肉眼可见的细长裂缝，较明显的几条长裂缝约在配置单层钢筋网的钢筋间混凝土保护层上，可以推测是由于加热过程中混凝土自身受热膨胀及钢筋网对周围混凝土的束缚相互作用所致。冷却后观察大板受火面发现，有许多肉眼可见的针孔大的密集细孔并有许多微细裂纹，且受火面的过火痕迹比较明显，而板侧面的较大裂缝较加热过程中出现的有所变窄。与基准混凝土大板比，添加PP纤维混凝土大板未发生爆裂现象且出现的密集细孔及微细裂纹较多一些。这结合工程实际充分说明了在加均布荷载和明火耦合作用下高强、高性能混凝土中添加适量的PP纤维可以有效减小爆裂的危险，从而抑制其爆裂的发生。
2.4.2 温度对C80HPC混凝土板内部蒸汽压的影响
2.4.2.1 高温作用下无荷载混凝土蒸汽压测试结果与分析
（1）混凝土小板内部温度
混凝土小板不同深度测点的温度值随加热时间的变化曲线如图2-26所示。小板受热炉膛内部的升温速率较ISO标准升温曲线慢，加热60min左右炉膛内的温度达到800℃，然后通过温控仪使炉膛内的温度基本维持在800℃±10℃。距离混凝土板受热表面深度为25mm、50mm、75mm处测点的温度依次不断升高，并且升温速率均呈现先快后慢的变化趋势。同一时间混凝土内部不同测点的升温速率大致保持相同。
图2-26 混凝土小板不同深度测点的温度随时间的变化曲线
（2）温度对混凝土内部蒸汽压的影响
①基准混凝土 基准素混凝土和基准加筋混凝土小板中3个不同深度测点的蒸汽压力随加热时间的变化曲线分别如图2-27和图2-28所示。
图2-27 基准素混凝土内部蒸汽压随时间变化曲线
图2-28 基准加筋混凝土内部蒸汽压随时间变化曲线
试验表明，混凝土小板加热的前50min中，两类混凝土的3个不同测点的蒸汽压力值变化幅度不大；之后，距离受热面最近的25mm处测点蒸汽压力先呈现快速上升的趋势，基准素混凝土小板、基准加筋混凝土小板分别加热至75min、82min时，蒸汽压力达到最大值，分别为0.332MPa、0.445MPa，基准加筋较基准素混凝土的峰值蒸汽压力增大了0.113MPa；之后两类混凝土相应测点处的蒸汽压力开始逐渐下降。随即距离受热面50mm测点处的蒸汽压力开始缓慢上升，基准素混凝土小板、基准加筋混凝土小板分别加热至89min、92min时，蒸汽压力达到最大值，分别为0.558MPa、0.6185MPa，混凝土较基准素混凝土的峰值蒸汽压力增大了0.06MPa；之后两类混凝土该测点处的蒸汽压力均开始逐渐降低，且基准加筋混凝土的蒸汽压力下降速率较大。距离受热面最远的75mm处测点的蒸汽压力开始缓慢上升，基准素混凝土小板、基准加筋混凝土小板分别加热至130min、148min时，混凝土内部蒸汽压力达到最大值分，别为0.493MPa、0.758MPa；之后两种混凝土在该测点处的蒸汽压力均开始逐渐降低。可见，两种基准混凝土高温下的内部蒸汽压力随加热时间均呈现先增大后减小的变化趋势，且同一深度测点处基准加筋混凝土的蒸汽压力大于基准素混凝土的蒸汽压力。
基准混凝土小板内部距受热面25mm测点与50mm、75mm两测点处相比，此测点处距受热面最近，最先受到炉膛内的大量热辐射，并产生较大的温度应力，随着热量不断传递，混凝土内部温度随之升高，该测点附近的自由水和结合水转变成的水蒸气在混凝土内部密闭的微细孔结构中逐渐积聚，致使微孔结构中的蒸汽压力持续增大引起微孔结构破坏产生微裂缝，微裂缝的出现造成混凝土内部众多微孔结构相互贯通，直到与混凝土板表面微细裂缝贯通（即开裂现象），为混凝土内部水蒸气提供了逃逸的通道，内部蒸汽压力也就随着微细裂缝的不断出现而逐渐减小。试验过程中可以明显发现板侧面有肉眼可见的微细裂缝，并有白色烟雾不断冒出。混凝土小板内部25mm测点处的水蒸气在向板外逸散的同时，也会有部分水蒸气向板内部逐渐迁移，且迁移的水蒸气会逐渐聚积在混凝土内部更深处的微孔结构中凝结变成水，从而为混凝土板内部更深处测点蒸汽压力的增加提供更多的液态水。可以认为，这些都是本试验三个测点中25mm测点处蒸汽压力峰值最小的原因。距离基准混凝土小板受热面50mm、75mm测点处的蒸汽压力峰值均比25mm处的大，因为这些测点处受到的热辐射较25mm处少，进而产生的温度应力梯度的影响较25mm处小，所以50mm、75mm两测点处附近混凝土内部微孔结构内产生贯通至混凝土表面的微细裂缝就需较大的蒸汽压力，测点的试验数据也证实50mm、75mm两测点处的蒸汽压力值均较25mm处的大，可见所测得的试验数据符合混凝土高温爆裂机理的分析。
②PP纤维混凝土 PP素混凝土和PP加筋混凝土小板中3个不同深度测点内部蒸汽压力值随加热时间的变化曲线分别如图2-29、图2-30所示。
图2-29 PP素混凝土内部蒸汽压随时间变化曲线
图2-30 PP加筋混凝土内部蒸汽压随时间的变化曲线
试验表明，对混凝土小板加热后，在距离受热面最近的25mm处测点的蒸汽压力峰值相对较小，PP素混凝土小板、PP加筋混凝土小板分别加热至96min、99min时，蒸汽压力达到峰值，分别为0.125MPa、0.137MPa，相应测点的蒸汽压力峰值附近波动较明显，并趋于平缓之后开始逐渐下降。而距受火面50mm测点处的蒸汽压力峰值较高，PP素混凝土小板、PP加筋混凝土小板分别加热至116min、110min时，蒸汽压力达到峰值，分别为0.324MPa、0.419MPa，且两种混凝土该测点处的蒸汽压力峰值附近也出现明显波动，持续一段时间才开始逐渐降低；距离受热面75mm处测点的蒸汽压力峰值附近也有所波动，PP素混凝土小板、PP加筋混凝土小板分别加热至120min、131min时，蒸汽压力达到峰值，分别为0.242MPa、0.264MPa，峰值附近波动一段时间后，两种混凝土在该测点处的蒸汽压力均开始逐渐降低。可见，与PP素混凝土相比，PP加筋混凝土3个测点处的蒸汽压力峰值均大于PP素混凝土相应测点处的峰值，表明加筋混凝土由于内部钢筋的束缚作用较素混凝土更容易发生高温爆裂。
对两类PP纤维混凝土小板进行加热过程中发现有大量的烟雾冒出，这是由于混凝土中的PP纤维受热开始逐渐熔化、汽化。由于PP纤维液态体积小于其固态所占空间以及其在混凝土内部的均匀散乱分布，形成众多细长的小孔隙，促进了混凝土小板内部微孔结构的相互贯通，为混凝土内部水分的蒸发逸出创造了一定的条件，进而有效地降低混凝土中水蒸气聚积形成的蒸汽压力，试验表明，PP纤维混凝土的蒸汽压力峰值均远低于基准混凝土的最大蒸汽压力，降低了混凝土高温爆裂的可能性，从而验证了在高强、高性能混凝土中添加适量的PP纤维可在一定程度上有效地抑制混凝土高温爆裂的发生。
③基准混凝土与PP纤维混凝土对比分析 图2-31～图2-33分别为C80混凝土小板内部距受热面25mm、50mm和75mm三个不同深度测点处的蒸汽压力随温度的变化曲线。距受热面25mm测点处，基准素混凝土、基准加筋混凝土、PP纤维素混凝土、PP纤维加筋混凝土达到蒸汽压力峰值0.332MPa、0.445MPa、0.125MPa、0.137MPa时的相应温度分别为211.8℃、215.6℃、247.8℃、260.1℃。距受热面50mm测点处，基准素混凝土、基准加筋混凝土、PP纤维素混凝土、PP纤维加筋混凝土达到蒸汽压力峰值0.558MPa、0.618MPa、0.324MPa、0.419MPa时的相应温度分别为145.6℃、148.5℃、202.3℃、170.4℃。距受热面75mm深度测点处，基准素混凝土、基准加筋混凝土、PP纤维素混凝土、PP纤维加筋混凝土达到蒸汽压力峰值0.493MPa、0.758MPa、0.242MPa、0.264MPa时的相应温度分别为156.2℃、175.6℃、138.6℃、156.2℃。对比基准混凝土与PP纤维混凝土，距受热面25mm测点处的蒸汽压力峰值降低较为显著，除75mm测点处基准加筋混凝土的蒸汽压力峰值外，四类混凝土中50mm深度测点处的蒸汽压力峰值均比25mm、75mm深度测点处的蒸汽压力峰值大。可以推测混凝土内部50mm处有可能为混凝土高温爆裂机理中所提到的“类饱和层”，即混凝土内部的水蒸气在不断迁移过程中会在某一个临界区域达到饱和状态，形成“湿阻”现象，因此该“类饱和层”之前部分是蒸汽压力最大的区域，该测点处的内部蒸汽压不断积聚。
图2-31 距受热面25mm处高性能混凝土内部蒸汽压力随温度变化曲线
图2-32 距受热面50mm处高性能混凝土内部内蒸汽压力随温度变化曲线
图2-33 距受热面75mm处高性能混凝土内部蒸汽压力随温度变化曲线
从图2-31～图2-33中还可以直观发现，两类基准混凝土内部距受热面25mm、50mm和75mm三个不同深度测点处的蒸汽压力峰值均远高于PP纤维混凝土相应各深度测点处的蒸汽压力峰值，这充分表明在混凝土中掺入适量的PP纤维能够有效地降低高温下混凝土内部的蒸汽压力，进而在一定程度上改善高强、高性能混凝土的高温抗爆性能，降低其爆裂的风险。
综合分析四类混凝土小板内部蒸汽压力随温度和时间的曲线图，混凝土内部峰值蒸汽压力大小有所差异，但整体变化趋势基本相似。在持续加热过程中，热量沿着混凝土板受热面由表及里不断传递，并形成一定的温度梯度，离板受热面较近的混凝土内部自由水及结合水蒸发并产生蒸汽压力，混凝土内部温度相对较高区域的水蒸气一部分不断积聚，另一部分向低温区域迁移，并在迁移过程中遇冷凝结成水；而较高温度区域的蒸汽压力增大到一定程度致使该区域的微孔结构破坏产生微细裂缝，当混凝土内部微细裂缝相互贯通到混凝土表面，内部部分水蒸气从裂缝中逃逸，混凝土蒸汽压力开始下降；当热量传递到低温区域时，低温区域积聚的水将再蒸发成水蒸气，并继续积聚—迁移—蒸发—迁移—冷凝循环进行，微细裂缝也在混凝土内部不断相互贯通扩展。试验中混凝土里添加适量PP纤维后，其在混凝土中均匀散乱分布，内部热量不断传递，达到其熔点后，就会熔融、汽化并在混凝土内部产生微裂缝及孔洞，有利于内部水蒸气的迁移，并为水蒸气向混凝土外逃逸创造条件，从而有效地降低了混凝土内部积聚的蒸汽压力，减小了高温爆裂的风险。
2.4.2.2 荷载与明火耦合作用下混凝土蒸汽压测试结果与分析
（1）混凝土大板内部温度
为结合工程实际，本试验中只研究了布置单层钢筋网的混凝土蒸汽压试验，混凝土大板不同测点的温度值随加热时间的变化曲线如图2-34所示。
图2-34 混凝土大板不同测点的温度随时间的变化曲线
明火加热混凝土大板炉膛内部的升温速率与ISO标准升温基本接近，前期升温速率较快，加热20min左右时炉膛内的温度就将近800℃，然后通过调节煤气开关阀门的大小使整个加热过程中基本维持在800℃±20℃。距离混凝土大板受火面板中25mm和板角25mm深度处测点的温度随时间的变化情况基本吻合，表明混凝土大板在加热过程中基本保持均匀受热；同一时间混凝土内部不同测点的升温速率大致保持相同。
（2）基准混凝土
基准混凝土大板中3个测点的蒸汽压力随加热时间的变化曲线如图2-35所示。
图2-35 基准混凝土内部蒸汽压力随时间变化曲线
图2-35中蒸汽压力变化曲线表明，在开始对混凝土大板明火加热后，在距离受火面最近的板中25mm深度处测点的蒸汽压力先出现上升趋势，加热至65min时该测点处的混凝土内部蒸汽压力峰值为0.504MPa，之后相应测点处蒸汽压力开始呈现下降趋势；随即距受火面板角25mm测点处的蒸汽压力开始缓慢上升，加热至73min时该测点处的蒸汽压力达到峰值0.493MPa，之后该测点处的蒸汽压开始迅速降低并在加热的40min中陆续听见有“噼里啪啦”的爆裂声；最后距离受火面板中50mm深度处测点的蒸汽压力开始几乎直线上升，加热至85min时该测点处的蒸汽压力峰值为0.718MPa，并在此时听见有一声较大的爆裂声，炉子和混凝土板的缝隙处有大量白雾冒出。之后该测点处的蒸汽压力出现骤降，周围的混凝土发生爆裂剥落现象，并且内部有大量水蒸气从剥落面释放逃逸出来，随后该测点处蒸汽压力缓慢降低，此现象与混凝土高温爆裂相吻合。
（3）纤维混凝土
PP纤维混凝土大板中3个测点处的蒸汽压力随加热时间的变化曲线如图2-36所示。
图2-36 PP纤维混凝土内部蒸汽压力随时间变化曲线
图2-36中的蒸汽压力变化曲线表明，开始对混凝土大板明火加热后，在距离受火面最近的板中25mm深度处测点的蒸汽压力先出现上升趋势，之后相应测点处蒸汽压力开始逐渐缓慢下降，随后不同时间段波动趋势较明显；紧接着距受火面板角25mm测点处的蒸汽压力开始逐渐上升，加热至100min左右时该测点处的蒸汽压力达到峰值0.253MPa，之后该测点处的蒸汽压力并未开始迅速降低而是在蒸汽压力峰值附近波动了约20min，随后开始缓慢降低，波动趋势也较明显；最后距离受火面板中50mm深度处测点的蒸汽压力开始逐渐增大，加热至120min左右时该测点处的蒸汽压力峰值为0.282MPa，之后该测点处的蒸汽压力开始逐渐缓慢降低，并伴随有较小的波动趋势。
经均布荷载与明火耦合作用下混凝土大板内部距受火面25mm和50mm两个不同深度处的蒸汽压力随温度变化的曲线分别如图2-37和图2-38所示。随着明火温度的不断升高，混凝土各深度测点处的蒸汽压力变化均呈现先增大后减小的趋势。其中，距受火面板中25mm深度测点处，加热至65min时基准混凝土的蒸汽压力峰值为0.504MPa，此时该测点处对应混凝土温度为250.1℃，而PP纤维混凝土相应深度测点处的蒸汽压力峰值为0.258MPa，加热时间为90min，对应的混凝土温度为300.2℃，其蒸汽压力峰值较基准混凝土的降低了0.246MPa；距受火面板角25mm深度测点处，基准混凝土的蒸汽压力峰值为0.493MPa，此时该测点对应混凝土温度为237.9℃，该温度下测点处受火面周围的混凝土发生了爆裂现象，而PP纤维混凝土相应深度测点处的蒸汽压力峰值为0.253MPa，此时该测点对应温度为281.3℃，其蒸汽压力峰值较对应深度测点基准混凝土的降低了0.24MPa，可见两类混凝土25mm深度处板中和板角测点的蒸汽压力基本接近，相应温度值也相差不大；距受火面50mm深度测点处，基准混凝土的蒸汽压力峰值为0.718MPa，此时该测点的对应温度为216.5℃，该温度下测点处受火面周围的混凝土发生了爆裂现象，而PP纤维混凝土相应深度测点处的蒸汽压力峰值为0.282MPa，此时该测点的对应温度为271.6℃，其蒸汽压力峰值较对应深度测点基准混凝土的降低了0.436MPa。与基准混凝土相比，PP纤维混凝土距受火面25mm、50mm深度测点处的蒸汽压力峰值均有不同程度的降低，其中50mm处测点蒸汽压力峰值降低显著，这充分说明了在混凝土中添加一定量的PP纤维，能够有效地降低混凝土高温下的内部蒸汽压力峰值，改善混凝土高温下的抗爆裂性能，进而降低其爆裂的风险。
图2-37 距受火面25mm处高性能混凝土内部蒸汽压力随温度变化曲线
图2-38 距受火面50mm处高性能混凝土内部蒸汽压力随温度变化曲线
对比两类混凝土内部蒸汽压力曲线图发现，基准混凝土和PP纤维混凝土两类混凝土高温下的内部蒸汽压力都呈现先增加后减小的趋势，但是对于基准混凝土而言，各测点的蒸汽压力随相应温度和时间都是以相对稳定的趋势增加或减小，而PP纤维混凝土各测点的蒸汽压力随相应温度和时间的波动性较大，特别是峰值蒸汽压力附近的波动更加明显，且达到峰值蒸汽压力的相应时间较基准混凝土的有所推迟。基准混凝土内部热量的传递相对比较稳定，而PP纤维混凝土导热不稳定，热量传递不均匀，尤其考虑到混凝土中添加的散乱分布的PP纤维达到熔化的先后时间不同，从而导致PP纤维混凝土在高温下内部蒸汽压力呈现波动的变化趋势。