XXXX23_第三节建筑物耐火性及构件破坏特点一建筑材料耐

一、建筑材料的耐火性能建筑物是由各种建筑材料建造起来的。根据使用功能，建筑材料主要可分为结构材料和装修材料两大类。结构材料(如混凝土、钢材、粘土砖等)的作用是组成结构构件并承受各种载荷，维持建筑物的框架结构不变；装修材料（各种饰面材料、木材及各种塑料、聚合物等）的作用是美化室内环境，给人们创造一个良好的生活或工作环境。此外，建筑材料还包括多种功能不同的材料，如保温材料、隔热材料及防水材料等。这些建筑材料在高温下的性能直接关系到建筑物火灾危险性的大小以及发生火灾后火势蔓延扩大的速度。建筑材料的高温性能主要包括以下五个方面，即：燃烧性能、力学性能、发烟性能、毒性性能和隔热性能。(一)混凝土的高温性能1、混凝土的热学性能混凝土的热学性能主要包括热传导系数、热膨胀系数、热容量以及质量密度等四个参数。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点(1)导热系数混凝土的导热系数是指单位温度梯度下，通过单位面积等温面的热流速度，单位为W/m℃。它主要受骨料种类、含水量、混凝土配合比等因素的影响，常温下混凝土的导热系数约为1.63W/m℃。随着温度的提高，混凝土的导热系数近似线性减小。当温度小于100℃时，导热系数主要受材料含水量的影响。但在高温下，由于水分的不断蒸发，其影响越来越小。不同种类骨料(硅质、钙质等)混凝土的导热系数与温度T的关系不同。(2)热膨胀系数混凝土的热膨胀系数不仅与混凝土本身的材料性能有关，还与构件尺寸、约束条件、含水量等因素有关。混凝土的热膨胀系数与温度的关系可由下式表示：(6-18)式中：α—混凝土的热膨胀系数；T—混凝土的温度。(3)比热虽然混凝土的热容量受骨料种类、配合比和水分的影响，但这些影响都不大。混凝土在温度升高时热容缓慢增加，在火灾高温下一般可取常值921J/kg℃。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点6100.6008.0To(4)质量密度由于加温过程中水份的蒸发，混凝土的质量密度在受热过程中有所降低。轻骨料混凝土质量密度的减小比一般混凝土的大些，但总的来说还是很小的。在实际计算时，都把混凝土的质量密度看作常数。2、混凝土的力学性能(1)混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度随温度升高而变化的规律是：在温度300℃左右时，抗压强度变化不大，甚至还略有增大。当温度超过300℃以后，抗压强度明显下降，破坏形态也明显变化。从图6-4可以看出，在高温下，混凝土的抗压强度基本上呈线性下降趋势。在600℃时，其抗压强度仅为常温下的45%左右；至1000℃时，几乎完全丧失强度。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点图6-4混凝土的抗压强度随温度的变化混凝土抗压强度在高温下迅速下降的原因：①混凝土各组成材料的热膨胀系数不同。在高温下，水泥石脱水收缩，而骨料受热膨胀，由于胀缩不一，使混凝土中产生很大内应力，破坏了水泥石与骨料间的粘结；②水泥石内部产生一系列物理化学变化，如水泥主要水化物Ca(OH)2、水化铝酸钙等结晶水排除，使结构变得疏松；③骨料内部不均匀膨胀和热分解。如花岗岩和砂岩内石英颗粒膨胀的方向性及晶形转变（在温度分别为573℃和870℃时），石灰岩中CaCO3的热分解（825℃时），导致骨料强度的下降。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点0.20.40.60.81.01.2020040060080010001200℃fc/fc0影响混凝土抗压强度的因素：①加热温度：混凝土所受加热温度越高，抗压强度下降幅度越大；②混凝土成分：骨料在混凝土组成中占绝大部分。骨料的种类、性质将直接影响混凝土的高温强度。用膨胀性小、性能稳定、粒径较小的骨料配制的混凝土在高温下抗压强度保持较好；③消防射水：消防水急骤射到高温的混凝土结构表面，会使结构产生严重破坏。在火灾高温作用下，当混凝土结构表面温度达到300℃左右时，其内部深层温度依然很低，消防水射到混凝土结构表面后的急剧冷却会使表面混凝土中产生很大的收缩应力，因而构件表面出现很多由外向里的裂缝。当混凝土温度超过500℃以后，从中游离的CaO遇到喷射的水流，发生熟化，体积迅速膨胀，造成混凝土强度急剧降低。混凝土在火灾条件下温度不超过500℃时，其强度在火灾后可逐渐回升，一年后的强度可恢复到受热前的90%；但在火灾条件下温度超过500℃时，其强度则不能恢复。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点(2)混凝土的抗拉强度在常温下，混凝土直接受拉容易开裂，断裂前无明显残余变形。在火灾时，混凝土因受热膨胀，在混凝土内部产生内应力，并引起局部出现微缝。外部混凝土的开裂会将使内部钢筋直接暴露在火中。从50℃左右到600℃时，抗拉强度基本上是直线下降，到600℃时其值为零。(3)粘结强度钢筋与混凝土的粘结强度是钢筋与混凝土在界面的相互作用，通过这种作用来传递两者的应力和协调变形。它的大小对构件的裂缝、变形和承载能力有直接的影响。高温下，粘结强度的损失与混凝土的抗压强度相比，粘结强度的损失要大得多。(4)弹性模量混凝土的弹性模量随温度的升高而降低，呈明显的塑性性质，其主要原因是：水泥石与骨料在高温时产生差异，两者之间出现裂缝，组织松弛以及混凝土发生脱水现象内部孔隙率增加。高温下混凝土内部损伤在降温时不可恢复。因此，在降温过程中，弹性模量基本不变。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点3、混凝土的爆裂在火灾初期，混凝土的构件受热表层发生的块状爆炸性脱落的现象，称为混凝土的爆裂。它在很大程度上决定着钢筋混凝土结构的耐火性能，尤其是预应力钢筋混凝土结构。(1)影响爆裂的因素有：混凝土的含水率、密实性、骨料的性质、加热的速度、构件施加预应力的情况以及约束条件等。(2)解释爆裂发生的原因有：蒸汽压锅炉效应理论和热应力理论等。根据耐火试验，下列情况容易发生爆炸裂：耐火试验初期；急剧加热；混凝土含水率大；预应力混凝土构件；周边约束的钢筋混凝土板；厚度小的构件；梁和柱的棱角处以及工字型梁的腹板部位等。(3)根据混凝土构件爆裂发生的条件，可采取如下措施防止爆裂：设置阻火屏障；在构件表面喷涂料或涂抹水泥砂浆，并内设钢丝网；避免使用石英骨料，且粒径不宜过大；防止构件截面突变。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点(二)建筑钢材的高温性能建筑钢材可分为钢结构用钢材（各种型材、钢材）和钢筋混凝土结构用钢筋两大类。在建筑工程中常用的钢材主要是普通碳素钢和低合金结构钢。从防火角度来看，钢材虽然属于不可燃性材料，但耐火性能却很差。1、钢材的热学性能钢材的导热系数大、比热小是造成钢结构在高温下极易破坏的主要原因。(1)导热系数通常钢的导热性能随温度升高而递减，常温下导热系数为58w/m℃，但当温度达到750℃时，其导热系数几乎等于常数，约为30w/m·℃。钢材导热系数大是造成钢结构在高温下极易破坏的主要原因之一。(2)钢材的比热CP钢材的比热随温度上升而缓慢增大，Cp与温度T的关系可由下式表示：(KJ/kg℃)(6-19)一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点473.0101.20101.38528TTCP(3)热膨胀系数热膨胀系数与温度T的关系可由下式表示：(6-20)2、钢材的强度在高温下，钢材强度随温度升高而降低，降低的幅度因温度的高低和钢材种类而不同。(1)普通低碳钢普通低碳钢在建筑结构中应用非常广泛，其应力—应变曲线随温度升高而变化，大量实验表明：随温度的升高，应力—应变曲线形状变化很大，温室下屈服平台明显并呈现锯齿状；温度升高，屈服平台降低，锯齿逐渐消失。如图6-5所示。图6-5高温下普通低碳钢的应力-应变曲线一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点610036.00.11TLLs200℃400℃应力（kg/mm2）10203029.024.025.021.814.020℃100℃300℃500℃一般来说，在350℃以下时，由于兰脆现象，钢材极限强度略有提高；当超过350℃时，强度开始下降；在500℃时强度降低约50%，600℃时降低约70%。此外，钢材的屈服点随温度升高也逐渐降低，在500℃时约为常温的50%。另外，钢材的屈服平台逐渐降低并随温度的升高而逐步消失。(2)高强硬钢高强硬钢主要包括高碳钢及用于预应力钢筋混凝土构件中的冷加工钢筋及高强钢筋等。这类钢材往往无明显的屈服台阶，高温下的性能与一般钢材不同。大量试验表明：高强硬钢与具有明显屈服台阶的软钢相比，对温度更为敏感。当温度超过175℃以后，强度急剧下降，500℃时降至常温强度的30%，温度达750℃则完全丧失其强度。所以，预应力构件耐火性能要低于普通混凝土构件，其原因除上述硬钢对温度比较敏感以外，还因为在高温下预应力极易损失，使构件难以正常工作。如对于强度为600Mpa的低碳钢冷拔钢丝，当温度升高至300℃时，其预应力几乎全部丧失。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点(3)普通低合金钢这种钢材是在普通碳素钢中加入一定量的合金元素冶炼而成的。这种钢材在高温下温度变化与普通碳素钢基本相同，在200℃-300℃的温度范围内极限强度增加，当温度超过300℃后，强度逐渐降低。3、弹性模量钢材的弹性模量也是随着温度的升高而连续降低，变化趋势为：600℃以前，弹性模量的下降由慢变快；600℃以后，下降则由快变慢。4、变形性能钢材的变形性能主要包括伸长率和截面收缩率，伸长率和截面收缩率随着温度升高总的趋势是增大的，这表明高温下钢材塑性性能增大，易于产生变形。5、蠕变钢材在一定温度和应力作用下，随时间推移，发生缓慢塑性变形的现象，叫做蠕变。影响蠕变的因素主要有温度和应力。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点(1)温度蠕变在较低温度下也发生，但在温度高于一定值时比较明显。对普通低碳钢，这一温度为300-500℃；对合金钢为400~450℃。温度愈高，蠕变现象愈明显。因此在火灾高温下，钢材蠕变现象十分明显。(2)应力蠕变不仅受温度的影响，而且也受应力大小的影响。若应力超过了钢材在某一温度下的屈服强度时，蠕变就会明显增大。总之，由于钢材在高温下热学性能、力学性能、变形性能等参数的变化，使得裸露钢构件的耐火性能较差，所以必须经过防火保护处理才能应用于建筑结构中。(三)其它结构材料的高温性能1、粘土砖粘土砖经过高温煅烧，因而再次受到高温作用时性能保持稳定，耐火性良好。粘土砖受800——900℃的高温作用时无明显破坏。耐火试验表明：240mm非承重砖墙可耐火8h，承重砖墙可耐火5.5h。一、建筑材料的耐火性能*二、建筑构件的耐火性能三、建筑物的耐火等级四、建筑构件在火灾中的破坏特点第三节建筑物的耐火性及构件的破坏特点2、砂浆砂浆在400℃以前，强度不降低，甚至有所增大；在超过400℃以后，强度显著降低，且在冷却后强度更低。因此，砖砌体受火后发生破坏主要原因是砌筑砂浆超过600℃以后强度迅速下降，发生粉化所至。3、石材石材是