1.2　混凝土材料的热工性能

结构构件在火灾或高温时内部的温度分布和变化，除了外部的温度条件外，只取决于结构材料的热工性能，而结构的高温力学反应通常情况下不影响其内部的温度情况，因此，可以认为结构构件的温度场与结构构件的内力、变形和损伤无关。

混凝土材料的热工性能主要指混凝土的导热能力、导温能力、比热容以及热膨胀。

在结构构件的温度场分析中，涉及材料热工性能的只有三个基本参数，即热导率、比热容和质量密度，其他热工参数可由它们导出。

材料的热膨胀系数，只影响材料和结构的温度变形和应力，而与温度场无关。

通常的普通混凝土和预应力混凝土结构中，钢筋或钢丝散布在混凝土内，用量有限，占总体积的百分数很小，一般小于3%。在火灾或高温作用下，钢筋或钢丝的存在对混凝土结构内部的温度分布影响很小。在分析结构构件的温度场时，忽略其中的钢筋或钢丝，看作匀质的混凝土材料，可满足计算精度的要求。因此，钢材的热工参数不加考虑。

混凝土是由水泥、水、粗细骨料、外加剂等组成的人工复合材料。由于各种原材料的矿物组成、化学成分和结构构造的差异很大，都有各自的热工参数值，加之混凝土配比和生产工艺等的差别，使混凝土热工参数值有很大的变异性和离散性。下面是一些试验结果与数据，可说明混凝土热工参数值的一般值和变化规律。

1.2.1　热导率λ

随温度升高，普通混凝土的热导率逐渐降低，由于混凝土中总体积的60%～70%为粗骨料，故骨料种类对混凝土的热导率具有明显影响。普通混凝土的粗骨料都是由火成岩和水成岩破碎而成的碎石或冲积的卵石，质地致密，孔隙率小，其热导率主要取决于矿物成分、结晶特征和颗粒的结构状况等。一些岩石的热导率随温度的变化情况，见图1-2。这些岩石在常温时的热导率值相差较大，但在高温（>200℃）时有逐渐接近的趋势。热导率随温度升高的变化规律也不尽相同，硅质砂岩、石灰石和白云石的热导率随温度升高而很快下降；花岗岩和片麻石等随温度升高而缓慢减小；辉绿岩和钙长石等则随温度升高而稍有增长。

硬化水泥浆的热导率，随着温度的升高有不大的上下波动，水灰比的大小影响硬化水泥浆的细微孔隙率，从而对热导率有一定影响，见图1-3。

不同种类骨料配制的混凝土，其热导率随温度的变化见图1-4。普通硅质骨料混凝土比钙质骨料混凝土的热导率稍高，两者随温度升高而有所减小，在较高温度（如800℃）后两者的数值接近。用各种多孔材料，如浮石、炉渣、膨胀黏土和页岩等制成的粗骨料配制成的轻混凝土，由于轻骨料中存在大量孔隙，使该混凝土比普通混凝土的热导率有较大下降，而且随温度升高的变化幅度也减小。

图1-4中给出了四种混凝土热导率与温度的关系曲线。在图1-2中可以看出，混凝土1中的石英质砂岩骨料和混凝土2中的钙长石骨料是普通岩石中热导率最高的和最低的，因此可以将混凝土1和混凝土2看作是普通骨料混凝土中热导率最高和最低的；混凝土3和混凝土4中的骨料是多孔的，混凝土3中骨料的热导率类似于辉绿岩，混凝土4中骨料的热导率类似于图1-2中的黑曜石，可以认为混凝土3和混凝土4分别代表轻骨料混凝土中热导率最高的和最低的。

表1-1　是几种混凝土的热导率。

为了简化计算，将混凝土按骨料不同分成三类，分别给出热导率[W/（m·K）]的计算式：

硅质骨料（20℃≤T≤1200℃）　　　　（1-2）

钙质骨料（20℃≤T≤1200℃）　　　　（1-3）

轻质骨料（20℃≤T<800℃）　 　；

（800℃≤T≤1200℃）　 λ=0.5　　（1-4）

通过测试普通混凝土的热导率，得到其随温度变化的规律为：

　　（1-5）

根据国外试验资料，建议混凝土的热导率采用下式计算：

　　（1-6）

比较上述各式，式（1-6）给出的混凝土的热导率随温度的下降幅度大于式（1-5）。式中，T为混凝土温度， ℃。

1.2.2　比热容c

混凝土的比热容随温度的升高（0～1000℃）有微小增大，骨料种类对比热容的影响很小。硅质骨料混凝土比钙质骨料混凝土的比热容稍大，而各种轻骨料混凝土比普通混凝土的比热容稍小。配比、生产工艺等因素对比热容的影响不大。各种混凝土比热容统一的计算式如下：

20℃≤T≤1200℃　　　　（1-7）

通过测试普通混凝土的比热容，得到其随温度变化的规律为：

　　（1-8）

由于混凝土的比热容随温度变化不大，因此计算过程中可近似取常数值为：

　　（1-9）

1.2.3　表观密度ρ

随温度升高，混凝土的表观密度略有减小，这主要是由于升温初期自由水的蒸发以及后期骨料和水泥石等固体成分受热膨胀变形造成体积增大所致。轻骨料混凝土的表观密度随温度升高的变化规律与普通混凝土相似，但变化幅度更小。

混凝土的表观密度随温度变化较小，对构件内部温度的影响幅度小于其他主要热工参数。进行构件温度场分析时，混凝土的表观密度可取常数值（2200～2400kg/m³）。混凝土的表观密度的变化规律可用下式表示（ρ单位为kg/m³）：

　　（1-10）

1.2.4　导温系数α

混凝土的导温系数表示混凝土发生温度变化的速率，它也是温度的函数，可由上述三个参数导出。法国规范推荐了如下计算式（α单位为m²/s）：

　　（1-11）

混凝土的这些基本热工参数不仅取决于粗细骨料和硬化水泥浆的各自的热工参数，还与混凝土的组成、制备工艺等因素有关，因而其变异性和离散性较大。对于重要的大型工程，需要用准确的热工参数进行分析时，应制作试件专门测定。对于一般的结构工程，对温度场分析没有特殊的精度要求，且考虑到火灾温度变化具有较大的随机性和离散性，可采用有关规范（或规程）提供的适于工程应用的简化值或计算式。