建筑材料的高溫性能.ppt

1、第二部分 建筑火災(zāi)被動(dòng)防護(hù),建筑材料的高溫性能 建筑構(gòu)件的耐火試驗(yàn) 建筑物的耐火等級(jí) 鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì) 防火分區(qū)與防煙分區(qū) 安全疏散 總平面防火設(shè)計(jì) 室內(nèi)裝修防火設(shè)計(jì),建筑結(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)系,凡是建筑物，無論宿舍、辦公樓或廠房、體育館，都是由屋蓋、樓板、墻、柱、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件所組成。這些構(gòu)件在房屋中互相支承、互相扶持，直接或間接地、單獨(dú)或協(xié)同地承受各種荷載作用，構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)整體建筑結(jié)構(gòu)。 建筑結(jié)構(gòu)與建筑有密切的關(guān)系，建筑結(jié)構(gòu)是房屋的骨架，是建筑物賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的質(zhì)量好壞，對(duì)于建筑物的堅(jiān)固和壽命具有決定性作用，對(duì)于生產(chǎn)和使用影響很大,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

2、料主要分為： 結(jié)構(gòu)材料（如混凝土、鋼材、黏土磚等）的作用是組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件并承受各種荷載，維持建筑物的框架結(jié)構(gòu)不變； 裝修材料（各種飾面材料、木材及各種塑料物、聚合物等）的作用是美化室內(nèi)環(huán)境，給人們創(chuàng)造一種美好道德工作生活環(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,建筑材料與防火的關(guān)系,第六章 建筑材料的高溫性能,6.1 概述 6.2 鋼材的高溫性能 6.3 混凝土的高溫性能 6.4 其它材料的高溫性能 6.5 建筑材料燃燒性能分級(jí)及試驗(yàn)方法,6.1 概述,建筑材料高溫

3、下的性能包括以下五個(gè)方面,燃燒性能:包括著火性、火焰?zhèn)鞑バ浴⑷紵俣群桶l(fā)熱量等 力學(xué)性能:材料在高溫作用下，力學(xué)性能（尤其是強(qiáng)度性能）隨溫度的變化關(guān)系。 發(fā)煙性能 毒性性能 隔熱性能:在隔絕火災(zāi)高溫?zé)崃糠矫妫牧系膶?dǎo)熱系數(shù)和熱容量是兩個(gè)最為重要的影響因素,6.2 鋼材的高溫性能,鋼材的冶煉和分類 常用建筑鋼材 鋼材的高溫性能,建筑用鋼材可分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼材（各種型材、鋼板）和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋兩類。它是在嚴(yán)格的技術(shù)控制下生產(chǎn)的材料，具有強(qiáng)度大、塑性和韌性好、品質(zhì)均勻、可焊可鉚、制成的鋼結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但就防火而言，鋼材雖然屬于不燃性材料，耐火性能卻很差,鋼材的冶煉,鋼的主要成分是鐵和碳，它的

4、含碳量在2%以下。鋼的冶煉主要是將熔融的生鐵進(jìn)行高溫氧化，使碳的含量降低到預(yù)定范圍，雜質(zhì)含量降低到允許范圍之內(nèi)。 鋼的冶煉方法主要有空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法和平爐煉鋼法。冶煉過程中，鐵被氧化成氧化鐵，影響鋼材質(zhì)量，必須進(jìn)行脫氧。 根據(jù)脫氧程度的不同鋼可分為沸騰鋼（脫氧不完全）、鎮(zhèn)靜鋼（完全脫氧）和半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧程度介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間,鋼的分類,碳素鋼：以鐵、碳為主體，含碳量小于2%。含碳量小于0.25%的為低碳鋼；介于0.25%0.6%的為中碳鋼；大于0.6%的為高碳鋼。 合金鋼：在普通低碳鋼的基礎(chǔ)上，加入少量合金元素，如硅、錳、鉻、鈦、釩等。可以保證鋼的良好塑性、韌性，提高鋼的強(qiáng)度

5、。低合金鋼合金元素總含量小于5%；中合金鋼合金元素總含量為510%；高合金鋼合金元素大于10,常用建筑鋼材普通碳素鋼,分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五種，Q是屈服點(diǎn)的漢語拼音首位字母，數(shù)字代表鋼材厚度（直徑）16mm時(shí)的屈服點(diǎn)下限N/mm2。數(shù)字較低的鋼材，碳含量和強(qiáng)度較低，而塑性、韌性、焊接性較好。 普通碳素鋼分為A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量，A級(jí)最差，D級(jí)最好。 普通碳素鋼塑性好，適宜于各種加工，并能保證在焊接、超載、沖擊、溫度應(yīng)力等不利條件下的安全：力學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)軋制、一般加熱、劇烈冷卻的敏感性較小。但與低合金結(jié)構(gòu)相比，強(qiáng)度較低。普通碳素鋼中的Q235（其碳含量為0.1

6、2%0.22%）因?yàn)槠淞W(xué)及加工等綜合方面的性能較好，而且冶煉成本低，所以在建筑工程中得到普遍使用,常用建筑鋼材低合金結(jié)構(gòu)鋼,是一種含有少量合金元素(硅、錳、鉻、鈦、釩等元素組成)的合金鋼種。低合金結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性和沖擊韌性，并具有耐銹蝕，耐低溫性能，是一種高效能鋼種。較多地用于大型結(jié)構(gòu)和荷載較大的結(jié)構(gòu),鋼材的高溫性能,通常鋼材的導(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)到750 時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)幾乎為常數(shù)，約為30W/m.鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大是造成鋼結(jié)構(gòu)極易破壞的主要原因之一,導(dǎo)熱系數(shù),鋼材的比熱Cp,鋼材的比熱隨溫度上升而緩慢增大，Cp與T的關(guān)系可由下式來

7、表示,KJ/kg.,當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼構(gòu)件要發(fā)生膨脹。對(duì)截面溫度均勻分布的靜定結(jié)構(gòu)而言，熱膨脹只對(duì)變形有影響，不會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。但當(dāng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的膨脹受到約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析時(shí)，必須考慮這種影響。 鋼的熱膨脹系數(shù)（特指線膨脹系數(shù)）實(shí)際隨溫度的升高會(huì)發(fā)生變化，但變化幅度不大,熱膨脹系數(shù),參考鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)與計(jì)算中國(guó)建工出版社,在高溫下鋼材強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，降低的幅度因鋼材溫度的高低和鋼材種類而不同,鋼材的強(qiáng)度,1）普通低碳鋼,普通碳素鋼的高溫力學(xué)性質(zhì),當(dāng)鋼材溫度在250以下時(shí)，由于蘭脆現(xiàn)象，極限強(qiáng)度比常溫時(shí)略有提高； 溫度超過250，強(qiáng)度開始下降；溫度達(dá)到500時(shí)強(qiáng)度降

8、低約50%，600時(shí)降低約70%； 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%。 鋼材在高溫下屈服點(diǎn)降低是決定鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的最重要的因素。（鋼屋架,主要包括高碳鋼以及用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件中冷加工鋼筋及高強(qiáng)度鋼筋等。 高強(qiáng)度鋼對(duì)溫度更為敏感。當(dāng)溫度超過175時(shí)，強(qiáng)度急劇下降，500時(shí)降至常溫的30%，當(dāng)溫度達(dá)到750時(shí)，完全喪失其強(qiáng)度,3）普通低合金鋼,2）高強(qiáng)度鋼,高溫性能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,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。在高溫下，預(yù)應(yīng)力極易損失，其構(gòu)件難以正常工

9、作,建筑鋼材的變形性能,鋼材的伸長(zhǎng)率和截面收縮率隨著溫度升高總的趨勢(shì)是增大的，表明高溫下鋼材塑性性能增大，易于變形。 鋼材在一定溫度和應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的推移，會(huì)發(fā)生緩慢塑性變形，即蠕變。蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)發(fā)生，但在溫度高于一定值時(shí)比較明顯。對(duì)于普通低碳鋼這一溫度為300350，對(duì)于合金鋼為400450，溫度愈高，蠕變現(xiàn)象愈明顯。 蠕變不僅受溫度的影響，而且也受應(yīng)力大小影響，若應(yīng)力超過了鋼材在某一溫度下屈服強(qiáng)度時(shí)，蠕變會(huì)明顯增大,6.3 混凝土的高溫性能,概述 混凝土的高溫力學(xué)性能 混凝土的爆裂 混凝土的熱學(xué)性質(zhì),定義： 混凝土由膠凝材料、水和粗、細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合，拌制成拌合物，經(jīng)一定時(shí)間硬

10、化而成的人造石材,重混凝土：表觀密度大于2600kg/m3，采用重晶石、鐵礦石等作骨料，對(duì)射線、射線有較高的屏蔽能力。 普通混凝土：表觀密度為19002500kg/m3，采用天然的砂、石子作骨科，在建筑工程中使用最廣。 輕混凝土：表觀密度為8001900kg/m3，包括輕骨料混凝土、多孔混凝土及無砂大孔混凝土，多用于有保溫隔熱要求的墻體、屋面等處，標(biāo)號(hào)高的輕骨料混凝土也用于承重結(jié)構(gòu),混凝土按密度分類,水泥混凝土又稱普通混凝土（簡(jiǎn)稱為混凝土），是由水泥、砂、石和水所組成，另外還常加入適量的摻合料和外加劑。在混凝土中，砂、石起骨架作用，稱為骨料；水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙

11、。在硬化前，水泥漿起潤(rùn)滑作用，賦予拌合物一定的和易性，便于施工。水泥漿硬化后，則將骨料膠結(jié)為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體。 鋼筋混凝土（簡(jiǎn)稱RC），是經(jīng)由水泥、粒料級(jí)配、加水拌和而成混凝土，在其中加入一些抗拉鋼筋，在經(jīng)過一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，達(dá)到建筑設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度。它應(yīng)該是人類最早開發(fā)使用的復(fù)合型材料之一,結(jié)構(gòu)混凝土；耐熱混凝土； 耐酸混凝土；防水混凝土,混凝土按功能和用途分類,可根據(jù)不同要求配制不同性質(zhì)的混凝土。 混凝土在凝結(jié)前具有良好的塑性，可澆制成各種形狀和大小的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)物； 混凝土與鋼筋有牢固的粘結(jié)力，能制作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件； 混凝土拌合物經(jīng)硬化后有抗壓強(qiáng)度高與耐久性良好的特性； 混凝土組成材料中砂

12、、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和經(jīng)濟(jì)的原則,混凝土的優(yōu)點(diǎn),混凝土的熱學(xué)性能,主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱容量以及質(zhì)量密度四個(gè)參數(shù),1）導(dǎo)熱系數(shù),普通混凝土在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)約為1.63W/m，隨著其溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)減小，在溫度500時(shí)為常溫的80%，在1000時(shí)只有常溫的50%。主要受骨料種類、含水量、混凝土配合比等因素的影響,2）熱膨脹系數(shù),不僅與混凝土本身材料的性能有關(guān)，還與構(gòu)件尺寸、約束條件、含水量等因素有關(guān),3）比熱： 雖然受骨料種類、配合比和水分的影響，但影響都不大?；炷猎跍囟壬邥r(shí)比熱緩慢增大。在火災(zāi)高溫下混凝土的比熱可取常值921J/kg。 （4）密度： 在升溫

13、條件下，混凝土由于內(nèi)部水分的蒸發(fā)和發(fā)生熱膨脹，密度降低。 在實(shí)際計(jì)算時(shí)，把混凝土的質(zhì)量密度看作常數(shù),混凝土的力學(xué)性能,1）抗壓強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度為常壓下的45,幾乎完全喪失,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而變化的規(guī)律是： 在溫度為300以下，混凝土的抗壓強(qiáng)度基本上沒有降低，甚至還有些增大；當(dāng)溫度超過300以上，隨著溫度升高，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，破壞形態(tài)也明顯變化,混凝土抗壓強(qiáng)度下降的原因,混凝土各組成材料的熱膨脹不同。在溫度超過300情況下，水泥石脫水收縮，而骨料受熱膨脹，由于脹縮的不一致性，使混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，不但破壞了水泥石與骨料間的粘結(jié)，而且會(huì)把包裹在骨料周圍的水泥石撐破。 水泥石內(nèi)

14、部產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化。如水泥主要水化產(chǎn)物Ca(OH)2，水化鋁酸鈣等的結(jié)晶水排出，使結(jié)構(gòu)變得疏松。 骨料內(nèi)部的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（在溫度達(dá)到573、870），石灰?guī)r中CaCO3的熱分解(在825)，導(dǎo)致骨料強(qiáng)度的下降,影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素,加熱溫度：混凝土加熱溫度越高，抗壓強(qiáng)度下降越大。 混凝土的組成材料：骨料在混凝土中占絕大部分。骨料的種類不同，性質(zhì)也不同，直接影響混凝土的高溫強(qiáng)度。用膨脹性小、性能較穩(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。采用高標(biāo)號(hào)水泥、減少水泥用量、減少含水量也有利于保持混凝土在高溫下的強(qiáng)度,影響混

15、凝土抗壓強(qiáng)度的因素,消防射水：消防水急驟射到高溫的混凝土結(jié)構(gòu)表面時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。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)很多由外向內(nèi)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,湖南衡陽11.3特大火災(zāi)坍塌事故,案例：廣東珠海前山紡織城火災(zāi),1996年6月16日16時(shí)30分許，珠海前山紡織城A幢（6層，高27米，鋼混結(jié)構(gòu)，二級(jí)耐火等級(jí)，建筑面積1.8萬余平方米，一層為倉(cāng)庫(kù)，其余各層為生產(chǎn)車間），在消防工程施工（

16、安裝自動(dòng)噴水裝置）中，無證電工使用沖擊電鉆打孔時(shí)，因電氣線路短路打出火花引燃棉花導(dǎo)致火災(zāi)，由于報(bào)警遲，火勢(shì)迅速蔓延。珠海市消防支隊(duì)接警后，迅速調(diào)集消防力量前往撲救，廣東省消防總隊(duì)接報(bào)后又及時(shí)調(diào)集廣州、中山、佛山三市消防力量增援。次日4時(shí)，大火被基本控制，進(jìn)入滅余火階段,17日13時(shí)許，外方老板急于調(diào)集數(shù)百名職工進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)清理物資、翻棉花包；同時(shí)，廠方還調(diào)來數(shù)臺(tái)履帶式推土機(jī)、挖掘機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)棉花包。因該建筑物已經(jīng)經(jīng)過近20小時(shí)的火焰高溫作用，加之滅火時(shí)噴了大量水，使棉花包、棉布包重量成倍增加，而且又進(jìn)去了幾百名職工翻包，尤其是工程機(jī)械的劇烈震動(dòng)，導(dǎo)致A幢廠房于17日14時(shí)10分坍塌，造成93人死

17、亡、156人受傷的嚴(yán)重后果,案例：廣東珠海前山紡織城火災(zāi),2）混凝土的抗拉強(qiáng)度,在常溫下，混凝土直接受拉容易斷裂，斷裂前無明顯殘余變形。 在火災(zāi)高溫條件下，混凝土的抗拉強(qiáng)度隨溫度上升明顯下降，下降幅度比抗壓強(qiáng)度大1015%。當(dāng)溫度超過600以后，混凝土抗拉強(qiáng)度則基本喪失?；炷量估瓘?qiáng)度發(fā)生下降的原因是在高溫下混凝土中的水泥石產(chǎn)生微裂縫造成的，混凝土局部出現(xiàn)細(xì)縫或開裂，導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋直接暴露在火中,3）混凝土的粘結(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之間的應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形。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。 在火災(zāi)高溫作用下鋼筋和混凝土之

18、間的粘結(jié)強(qiáng)度變化對(duì)其承載力影響很大,4）混凝土的彈性模量,隨溫度的升高而降低，呈現(xiàn)明顯的塑性狀態(tài)。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)部的損傷在降溫時(shí)不可恢復(fù)。因此在降溫的過程中，彈性模量基本不變,混凝土的爆裂,在火災(zāi)初期，混凝土構(gòu)件受熱表面層發(fā)生的塊狀爆炸性脫落現(xiàn)象，稱為混凝土的爆裂。它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)。 影響爆裂的因素有：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。 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易發(fā)生爆裂,其他建筑材料的高溫性能,石材抗壓強(qiáng)度隨溫度變化,玻璃的高溫性能,普通平板玻璃：在火災(zāi)條件下大多在250左右，由于其變形受到門、窗框的限制而自行