201223_第三節(jié)建筑物耐火性及構(gòu)件破壞特點(diǎn)一建筑材料耐火性能

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,一、建筑材料的耐火性能,建筑物是由各種建筑材料建造起來的。根據(jù)使用功能，建筑材料主要可分為結(jié)構(gòu)材料和裝修材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料,(,如混凝土、鋼材、粘土磚等,),的作用是組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件并承受各種載荷，維持建筑物的框架結(jié)構(gòu)不變；裝修材料（各種飾面材料、木材及各種塑料、聚合物等）的作用是美化室內(nèi)環(huán)境，給人們創(chuàng)造一個(gè)良好的生活或工作環(huán)境。此外，建筑材料還包括多種功能不同的材料，如保溫材料、隔熱材料及防水材料等。這些建筑材料在高溫下的性能直接關(guān)系到建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性的大小以及發(fā)生火災(zāi)后火勢(shì)蔓延擴(kuò)大的速度。建筑材料的高溫性

2、能主要包括以下五個(gè)方面，即：燃燒性能、力學(xué)性能、發(fā)煙性能、毒性性能和隔熱性能。,(,一,),混凝土的高溫性能,1,、混凝土的熱學(xué)性能,混凝土的熱學(xué)性能主要包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱容量以及質(zhì)量密度等四個(gè)參數(shù)。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(1),導(dǎo)熱系數(shù),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是指單位溫度梯度下，通過單位面積等溫面的熱流速度，單位為,W/m,。它主要受骨料種類、含水量、混凝土配合比等因素的影響，常溫下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)約為,1.63W/m,。隨著溫度的提高，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

3、近似線性減小。當(dāng)溫度小于,100,時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)主要受材料含水量的影響。但在高溫下，由于水分的不斷蒸發(fā)，其影響越來越小。不同種類骨料,(,硅質(zhì)、鈣質(zhì)等,),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度,T,的關(guān)系不同。,(2),熱膨脹系數(shù),混凝土的熱膨脹系數(shù)不僅與混凝土本身的材料性能有關(guān)，還與構(gòu)件尺寸、約束條件、含水量等因素有關(guān)?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)與溫度的關(guān)系可由下式表示：,(6-18),式中：,混凝土的熱膨脹系數(shù)；,T,混凝土的溫度。,(3),比熱,雖然混凝土的熱容量受骨料種類、配合比和水分的影響，但這些影響都不大?；炷猎跍囟壬邥r(shí)熱容緩慢增加，在火災(zāi)高溫下一般可取常值,921J/kg,。,一、,建筑材料的耐火性

4、能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(4),質(zhì)量密度,由于加溫過程中水份的蒸發(fā)，混凝土的質(zhì)量密度在受熱過程中有所降低。輕骨料混凝土質(zhì)量密度的減小比一般混凝土的大些，但總的來說還是很小的。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，都把混凝土的質(zhì)量密度看作常數(shù)。,2,、混凝土的力學(xué)性能,(1),混凝土的抗壓強(qiáng)度,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而變化的規(guī)律是：在溫度,300,左右時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化不大，甚至還略有增大。當(dāng)溫度超過,300,以后，抗壓強(qiáng)度明顯下降，破壞形態(tài)也明顯變化。,從圖,6-4,可以看出，在高溫下，混凝土的抗壓強(qiáng)度基本上

5、呈線性下降趨勢(shì)。在,600,時(shí)，其抗壓強(qiáng)度僅為常溫下的,45%,左右；至,1000,時(shí)，幾乎完全喪失強(qiáng)度。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),圖,6-4,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化,混凝土抗壓強(qiáng)度在高溫下迅速下降的原因：混凝土各組成材料的熱膨脹系數(shù)不同。在高溫下，水泥石脫水收縮，而骨料受熱膨脹，由于脹縮不一，使混凝土中產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，破壞了水泥石與骨料間的粘結(jié)；水泥石內(nèi)部產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化，如水泥主要水化物,Ca(OH),2,、水化鋁酸鈣等結(jié)晶水排除，使結(jié)構(gòu)變得疏松；骨

6、料內(nèi)部不均勻膨脹和熱分解。如花崗巖和砂巖內(nèi)石英顆粒膨脹的方向性及晶形轉(zhuǎn)變（在溫度分別為,573,和,870,時(shí)），石灰?guī)r中,CaCO,3,的熱分解（,825,時(shí)），導(dǎo)致骨料強(qiáng)度的下降。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),0,.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0,200,400,600,800,1000,1200,f,c,/f,c0,影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素：,加熱溫度：混凝土所受加熱溫度越高，抗壓強(qiáng)度下降幅度越大；,混凝土成分：骨料在混凝土組成中占絕大部分。骨料的

7、種類、性質(zhì)將直接影響混凝土的高溫強(qiáng)度。用膨脹性小、性能穩(wěn)定、粒徑較小的骨料配制的混凝土在高溫下抗壓強(qiáng)度保持較好；,消防射水：消防水急驟射到高溫的混凝土結(jié)構(gòu)表面，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在火災(zāi)高溫作用下，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度達(dá)到,300,左右時(shí)，其內(nèi)部深層溫度依然很低，消防水射到混凝土結(jié)構(gòu)表面后的急劇冷卻會(huì)使表面混凝土中產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力，因而構(gòu)件表面出現(xiàn)很多由外向里的裂縫。當(dāng)混凝土溫度超過,500,以后，從中游離的,CaO,遇到噴射的水流，發(fā)生熟化，體積迅速膨脹，造成混凝土強(qiáng)度急劇降低。,混凝土在火災(zāi)條件下溫度不超過,500,時(shí)，其強(qiáng)度在火災(zāi)后可逐漸回升，一年后的強(qiáng)度可恢復(fù)到受熱前的,90%,；

8、但在火災(zāi)條件下溫度超過,500,時(shí)，其強(qiáng)度則不能恢復(fù)。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(2),混凝土的抗拉強(qiáng)度,在常溫下，混凝土直接受拉容易開裂，斷裂前無明顯殘余變形。在火災(zāi)時(shí)，混凝土因受熱膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并引起局部出現(xiàn)微縫。外部混凝土的開裂會(huì)將使內(nèi)部鋼筋直接暴露在火中。從,50,左右到,600,時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本上是直線下降，到,600,時(shí)其值為零。,(3),粘結(jié)強(qiáng)度,鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度是鋼筋與混凝土在界面的相互作用，通過這種作用來傳遞兩者的應(yīng)力和協(xié)調(diào)變

9、形。它的大小對(duì)構(gòu)件的裂縫、變形和承載能力有直接的影響。高溫下，粘結(jié)強(qiáng)度的損失與混凝土的抗壓強(qiáng)度相比，粘結(jié)強(qiáng)度的損失要大得多。,(4),彈性模量,混凝土的彈性模量隨溫度的升高而降低，呈明顯的塑性性質(zhì)，其主要原因是：水泥石與骨料在高溫時(shí)產(chǎn)生差異，兩者之間出現(xiàn)裂縫，組織松弛以及混凝土發(fā)生脫水現(xiàn)象內(nèi)部孔隙率增加。高溫下混凝土內(nèi)部損傷在降溫時(shí)不可恢復(fù)。因此，在降溫過程中，彈性模量基本不變。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),3,、混凝土的爆裂,在火災(zāi)初期，混凝土的構(gòu)件受熱表層發(fā)生的塊狀

10、爆炸性脫落的現(xiàn)象，稱為混凝土的爆裂。它在很大程度上決定著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能，尤其是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。,(1),影響爆裂的因素有：混凝土的含水率、密實(shí)性、骨料的性質(zhì)、加熱的速度、構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力的情況以及約束條件等。,(2),解釋爆裂發(fā)生的原因有：蒸汽壓鍋爐效應(yīng)理論和熱應(yīng)力理論等。,根據(jù)耐火試驗(yàn)，下列情況容易發(fā)生爆炸裂：耐火試驗(yàn)初期；急劇加熱；混凝土含水率大；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件；周邊約束的鋼筋混凝土板；厚度小的構(gòu)件；梁和柱的棱角處以及工字型梁的腹板部位等。,(3),根據(jù)混凝土構(gòu)件爆裂發(fā)生的條件，可采取如下措施防止爆裂：設(shè)置阻火屏障；在構(gòu)件表面噴涂料或涂抹水泥砂漿，并內(nèi)設(shè)鋼絲網(wǎng)；避免使用石英

11、骨料，且粒徑不宜過大；防止構(gòu)件截面突變。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(,二,),建筑鋼材的高溫性能,建筑鋼材可分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼材（各種型材、鋼材）和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋兩大類。在建筑工程中常用的鋼材主要是普通碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。從防火角度來看，鋼材雖然屬于不可燃性材料，但耐火性能卻很差。,1,、鋼材的熱學(xué)性能,鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱小是造成鋼結(jié)構(gòu)在高溫下極易破壞的主要原因。,(1),導(dǎo)熱系數(shù),通常鋼的導(dǎo)熱性能隨溫度升高而遞減，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為,58w/m,，但當(dāng)溫度達(dá)

12、到,750,時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)幾乎等于常數(shù)，約為,30,w/m,。鋼材導(dǎo)熱系數(shù)大是造成鋼結(jié)構(gòu)在高溫下極易破壞的主要原因之一。,(2),鋼材的比熱,C,P,鋼材的比熱隨溫度上升而緩慢增大，,C,p,與溫度,T,的關(guān)系可由下式表示：,(KJ/kg)(6-19),一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(3),熱膨脹系數(shù),熱膨脹系數(shù)與溫度,T,的關(guān)系可由下式表示：,(6-20),2,、鋼材的強(qiáng)度,在高溫下，鋼材強(qiáng)度隨溫度升高而降低，降低的幅度因溫度的高低和鋼材種類而不同。,(1),普通低碳鋼

13、,普通低碳鋼在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛，其應(yīng)力,應(yīng)變曲線隨溫度升高而變化，大量實(shí)驗(yàn)表明：隨溫度的升高，應(yīng)力,應(yīng)變 曲線形狀變化很大，溫室下屈服平臺(tái)明顯并呈現(xiàn)鋸齒狀；溫度升高，屈服平臺(tái)降低，鋸齒逐漸消失。如圖,6-5,所示。,圖,6-5,高溫下普通低碳鋼的應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),200,400,應(yīng)力（,kg/mm,2,）,10,20,30,29.0,24.0,25,.0,21.8,14,.0,20,100,300,500,一般來說，在,350,以下時(shí)

14、，由于蘭脆現(xiàn)象，鋼材極限強(qiáng)度略有提高；當(dāng)超過,350,時(shí)，強(qiáng)度開始下降；在,500,時(shí)強(qiáng)度降低約,50%,，,600,時(shí)降低約,70%,。此外，鋼材的屈服點(diǎn)隨溫度升高也逐漸降低，在,500,時(shí)約為常溫的,50%,。另外，鋼材的屈服平臺(tái)逐漸降低并隨溫度的升高而逐步消失。,(2),高強(qiáng)硬鋼,高強(qiáng)硬鋼主要包括高碳鋼及用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件中的冷加工鋼筋及高強(qiáng)鋼筋等。這類鋼材往往無明顯的屈服臺(tái)階，高溫下的性能與一般鋼材不同。大量試驗(yàn)表明：高強(qiáng)硬鋼與具有明顯屈服臺(tái)階的軟鋼相比，對(duì)溫度更為敏感。當(dāng)溫度超過,175,以后，強(qiáng)度急劇下降，,500,時(shí)降至常溫強(qiáng)度的,30%,，溫度達(dá),750,則完全喪失其強(qiáng)度

15、。,所以，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件耐火性能要低于普通混凝土構(gòu)件，其原因除上述硬鋼對(duì)溫度比較敏感以外，還因?yàn)樵诟邷叵骂A(yù)應(yīng)力極易損失，使構(gòu)件難以正常工作。如對(duì)于強(qiáng)度為,600Mpa,的低碳鋼冷拔鋼絲，當(dāng)溫度升高至,300,時(shí)，其預(yù)應(yīng)力幾乎全部喪失。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(3),普通低合金鋼,這種鋼材是在普通碳素鋼中加入一定量的合金元素冶煉而成的。這種鋼材在高溫下溫度變化與普通碳素鋼基本相同，在,200-300,的溫度范圍內(nèi)極限強(qiáng)度增加，當(dāng)溫度超過,300,后，強(qiáng)度逐漸降低。,3,

16、、彈性模量,鋼材的彈性模量也是隨著溫度的升高而連續(xù)降低，變化趨勢(shì)為：,600,以前，彈性模量的下降由慢變快；,600,以后，下降則由快變慢。,4,、變形性能,鋼材的變形性能主要包括伸長率和截面收縮率，伸長率和截面收縮率隨著溫度升高總的趨勢(shì)是增大的，這表明高溫下鋼材塑性性能增大，易于產(chǎn)生變形。,5,、蠕變,鋼材在一定溫度和應(yīng)力作用下，隨時(shí)間推移，發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象，叫做蠕變。影響蠕變的因素主要有溫度和應(yīng)力。,一、,建筑材料的耐火性能,*,二、,建筑構(gòu)件的耐火性能,三、,建筑物的耐火等級(jí),四、,建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞特點(diǎn),第三節(jié) 建筑物的耐火性及構(gòu)件的破壞特點(diǎn),(1),溫度,蠕變?cè)谳^低溫度下也發(fā)生，但在溫度高于一定值時(shí)比較明顯。對(duì)普通低碳鋼，這一溫度為,300-500,；對(duì)合金鋼為,400450,。溫度愈高，蠕變現(xiàn)象愈明顯。因此在火災(zāi)高溫下，鋼材蠕變現(xiàn)象十分明顯。,(2),應(yīng)力,蠕變不僅受溫度的影響，而且也受應(yīng)力大小的影響。若應(yīng)力超過了鋼材在某一溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，蠕變就會(huì)明顯增大。,總之，由于鋼材在高溫下熱學(xué)性能、力學(xué)性能、變形性能等參數(shù)的變化，使得裸露鋼構(gòu)件的耐火性能較差，所以必須