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建筑材料的高温性能

发布日期:2020-08-27 来源: 未知 阅读量(


  建筑材料的高温性能_材料科学_工程科技_专业资料。第二部分 建筑火灾被动防护 建筑材料的高温性能 建筑构件的耐火试验 建筑物的耐火等级 钢结构耐火设计 防火分区与防烟分区 安全疏散 总平面防火设计 室内装修防火设计 建筑结构与建筑

  第二部分 建筑火灾被动防护 建筑材料的高温性能 建筑构件的耐火试验 建筑物的耐火等级 钢结构耐火设计 防火分区与防烟分区 安全疏散 总平面防火设计 室内装修防火设计 建筑结构与建筑的关系 凡是建筑物,无论宿舍、办公楼或厂房、体育馆, 都是由屋盖、楼板、墙、柱、基础等结构构件所组 成。这些构件在房屋中互相支承、互相扶持,直接 或间接地、单独或协同地承受各种荷载作用,构成 了一个结构整体——建筑结构。 建筑结构与建筑有密切的关系,建筑结构是房屋的 骨架,是建筑物赖以存在的物质基础,它的质量好 坏,对于建筑物的坚固和寿命具有决定性作用,对 于生产和使用影响很大。 建筑材料与防火的关系 建筑物是由各种建筑材料建造起来的。 根据使用功能,建筑材料主要分为: – 结构材料(如混凝土、钢材、黏土砖等)的作用是 组成结构构件并承受各种荷载,维持建筑物的框架 结构不变; – 装修材料(各种饰面材料、木材及各种塑料物、聚 合物等)的作用是美化室内环境,给人们创造一种 美好道德工作生活环境。 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。 第六章 建筑材料的高温性能 6.1 概述 6.2 钢材的高温性能 6.3 混凝土的高温性能 6.4 其它材料的高温性能 6.5 建筑材料燃烧性能分级及试验方法 6.1 概述 建筑材料高温下的性能包括以下五个方面: 燃烧性能:包括着火性、火焰传播性、燃烧速度和发 热量等 力学性能:材料在高温作用下,力学性能(尤其是强 度性能)随温度的变化关系。 发烟性能 毒性性能 隔热性能:在隔绝火灾高温热量方面,材料的导热系 数和热容量是两个最为重要的影响因素。 6.2 钢材的高温性能 钢材的冶炼和分类 常用建筑钢材 钢材的高温性能 建筑用钢材可分为钢结构用钢材(各种型材、钢板)和钢 筋混凝土结构用钢筋两类。它是在严格的技术控制下生产 的材料,具有强度大、塑性和韧性好、品质均匀、可焊可 铆、制成的钢结构重量轻等优点。但就防火而言,钢材虽 然属于不燃性材料,耐火性能却很差。 ?钢材的冶炼 钢的主要成分是铁和碳,它的含碳量在2%以下。 钢的冶炼主要是将熔融的生铁进行高温氧化,使 碳的含量降低到预定范围,杂质含量降低到允许 范围之内。 钢的冶炼方法主要有空气转炉炼钢法、氧气转炉 炼钢法和平炉炼钢法。冶炼过程中,铁被氧化成 氧化铁,影响钢材质量,必须进行脱氧。 根据脱氧程度的不同钢可分为沸腾钢(脱氧不完 全)、镇静钢(完全脱氧)和半镇静钢(脱氧程 度介于沸腾钢与镇静钢之间)。 ?钢的分类 碳素钢:以铁、碳为主体,含碳量小于2%。含 碳 量 小 于 0.25% 的 为 低 碳 钢 ; 介 于 0.25% ~ 0.6%的为中碳钢;大于0.6%的为高碳钢。 合金钢:在普通低碳钢的基础上,加入少量合金 元素,如硅、锰、铬、钛、钒等。可以保证钢的 良好塑性、韧性,提高钢的强度。低合金钢合金 元素总含量小于5%;中合金钢合金元素总含量 为5~10%;高合金钢合金元素大于10%。 ?常用建筑钢材—普通碳素钢 分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五种,Q是屈服点的 汉语拼音首位字母,数字代表钢材厚度(直径)≤16mm时的屈 服点下限N/mm2。数字较低的钢材,碳含量和强度较低,而塑 性、韧性、焊接性较好。 普通碳素钢分为A、B、C、D四个质量,A级最差,D级最好。 普通碳素钢塑性好,适宜于各种加工,并能保证在焊接、超载、 冲击、温度应力等不利条件下的安全:力学性能稳定,对轧制、 一般加热、剧烈冷却的敏感性较小。但与低合金结构相比,强度 较低。普通碳素钢中的Q235(其碳含量为0.12%~0.22%)因 为其力学及加工等综合方面的性能较好,而且冶炼成本低,所以 在建筑工程中得到普遍使用。 ?常用建筑钢材—低合金结构钢 是一种含有少量合金元素(硅、锰、铬、钛、钒 等元素组成)的合金钢种。低合金结构钢具有较 高的强度,良好的塑性和冲击韧性,并具有耐锈 蚀,耐低温性能,是一种高效能钢种。较多地用 于大型结构和荷载较大的结构。 ?钢材的高温性能 ?导热系数 通常钢材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 导热系数几乎为常数,约为30W/m.℃.钢材的导热 系数大是造成钢结构极易破坏的主要原因之一。 ?钢材的比热Cp 钢材的比热随温度上升而缓慢增大,Cp与T的关系 可由下式来表示: Cp 38.1108T 2 20.1105T 0.473 (KJ/kg.℃) 参考《钢结构抗火设计与计算》中国建工出版社 ?热膨胀系数 ? 当温度升高时,钢构件要发生膨胀。对截面温度 均匀分布的静定结构而言,热膨胀只对变形有影 响,不会产生附加内力。但当结构和构件的膨胀 受到约束时,就会产生附加内力,在进行结构反 应分析时,必须考虑这种影响。 ? 钢的热膨胀系数(特指线膨胀系数)实际随温度 的升高会发生变化,但变化幅度不大 ?钢材的强度 在高温下钢材强度随温度的升高而降低,降低 的幅度因钢材温度的高低和钢材种类而不同。 ?(1)普通低碳钢 力普 学通 性碳 质素 钢 的 高 温 ?当钢材温度在250℃以下时,由于兰脆 现象,极限强度比常温时略有提高; ?温度超过250℃,强度开始下降;温度 达到500℃时强度降低约50%,600℃ 时降低约70%; ?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%。 ?钢材在高温下屈服点降低是决定钢结构 和钢筋混凝土结构耐火性能的最重要的 因素。(钢屋架) ?(2)高强度钢 主要包括高碳钢以及用于预应力钢筋混凝土构件 中冷加工钢筋及高强度钢筋等。 高强度钢对温度更为敏感。当温度超过175℃时, 强度急剧下降,500℃时降至常温的30%,当温 度达到750℃时,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。在 高温下,预应力极易损失,其构件难以正常工作。 ?(3)普通低合金钢 高温性能与普通碳素钢基本相同,在200300℃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。 ?建筑钢材的变形性能 钢材的伸长率和截面收缩率随着温度升高总的趋势是 增大的,表明高温下钢材塑性性能增大,易于变形。 钢材在一定温度和应力作用下,随时间的推移,会发 生缓慢塑性变形,即蠕变。蠕变在低温下也会发生, 但在温度高于一定值时比较明显。对于普通低碳钢这 一温度为300~350℃,对于合金钢为400~450℃, 温度愈高,蠕变现象愈明显。 蠕变不仅受温度的影响,而且也受应力大小影响,若 应力超过了钢材在某一温度下屈服强度时,蠕变会明 显增大。 6.3 混凝土的高温性能 概述 混凝土的高温力学性能 混凝土的爆裂 混凝土的热学性质 ? 定义: 混凝土由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合, 拌制成拌合物,经一定时间硬化而成的人造石材。 ?混凝土按密度分类: 重混凝土:表观密度大于2600kg/m3,采用重晶石、 铁矿石等作骨料,对χ射线、γ射线有较高的屏蔽能力。 普通混凝土:表观密度为1900—2500kg/m3,采用天 然的砂、石子作骨科,在建筑工程中使用最广。 轻混凝土:表观密度为800~1900kg/m3,包括轻骨 料混凝土、多孔混凝土及无砂大孔混凝土,多用于有保 温隔热要求的墙体、屋面等处,标号高的轻骨料混凝土 也用于承重结构。 水泥混凝土又称普通混凝土(简称为混凝土),是 由水泥、砂、石和水所组成,另外还常加入适量的 掺合料和外加剂。在混凝土中,砂、石起骨架作用, 称为骨料;水泥与水形成水泥浆,水泥浆包裹在骨 料表面并填充其空隙。在硬化前,水泥浆起润滑作 用,赋予拌合物一定的和易性,便于施工。水泥浆 硬化后,则将骨料胶结为一个坚实的整体。 钢筋混凝土(简称RC),是经由水泥、粒料级配、 加水拌和而成混凝土,在其中加入一些抗拉钢筋, 在经过一段时间的养护,达到建筑设计所需的强度。 它应该是人类最早开发使用的复合型材料之一。 ?混凝土按功能和用途分类: 结构混凝土;耐热混凝土; 耐酸混凝土;防水混凝土 ?混凝土的优点: 可根据不同要求配制不同性质的混凝土。 混凝土在凝结前具有良好的塑性,可浇制成各种形状和 大小的构件或结构物; 混凝土与钢筋有牢固的粘结力,能制作钢筋混凝土结构 和构件; 混凝土拌合物经硬化后有抗压强度高与耐久性良好的特 性; 混凝土组成材料中砂、石等地方材料占80%以上,符合 就地取材和经济的原则。 ?混凝土的热学性能 主要包括导热系数、热膨胀系数、热容量以及质量密 度四个参数。 ?(1)导热系数 普通混凝土在常温下的导热系数约为1.63W/m·℃, 随着其温度升高,导热系数减小,在温度500℃时为常温 的80%,在1000℃时只有常温的50%。主要受骨料种类、 含水量、混凝土配合比等因素的影响。 ?(2)热膨胀系数 不仅与混凝土本身材料的性能有关,还与构件尺寸、 约束条件、含水量等因素有关。 0 (0.008T 6) 106 ? (3)比热: 虽然受骨料种类、配合比和水分的影响,但影响 都不大。混凝土在温度升高时比热缓慢增大。 在火灾高温下混凝土的比热可取常值 921J/kg·℃。 ? (4)密度: 在升温条件下,混凝土由于内部水分的蒸发和发 生热膨胀,密度降低。 2400 0.56T 在实际计算时,把混凝土的质量密度看作常数。 ?混凝土的力学性能 ?(1)抗压强度 抗压强度为常压下的45% 几乎完全丧 混凝土的抗压强度随温度升高而变化的规律是: 在温度为300℃以下,混凝土的抗压强度基 本上没有降低,甚至还有些增大;当温度超 过300℃以上,随着温度升高,混凝土抗压 强度逐渐降低,破坏形态也明显变化。 混凝土抗压强度下降的原因 混凝土各组成材料的热膨胀不同。在温度超过300℃ 情况下,水泥石脱水收缩,而骨料受热膨胀,由于胀 缩的不一致性,使混凝土中产生很大的内应力,不但 破坏了水泥石与骨料间的粘结,而且会把包裹在骨料 周围的水泥石撑破。 水泥石内部产生一系列物理化学变化。如水泥主要水 化构变产得物疏Ca松(O。H)2,水化铝酸钙等的结晶水排出,使结 骨料内部的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(在温度达到 582753℃℃)、,8导7致0℃骨)料强,度石的灰下岩降中。CaCO3 的 热 分 解 ( 在 影响混凝土抗压强度的因素 加热温度:混凝土加热温度越高,抗压强度下 降越大。 混凝土的组成材料:骨料在混凝土中占绝大部 分。骨料的种类不同,性质也不同,直接影响 混凝土的高温强度。用膨胀性小、性能较稳定、 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。采用高标号水泥、减少水泥用量、 减少含水量也有利于保持混凝土在高温下的强 度。 影响混凝土抗压强度的因素 消防射水:消防水急骤射到高温的混凝土结 构表面时,会使结构产生严重破坏。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内的 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。 湖南衡阳11.3特大火灾坍塌事故 案例:广东珠海前山纺织城火灾 1996年6月16日16时30分许,珠海前山纺织城A幢 (6层,高27米,钢混结构,二级耐火等级,建筑面 积1.8万余平方米,一层为仓库,其余各层为生产车 间),在消防工程施工(安装自动喷水装置)中, 无证电工使用冲击电钻打孔时,因电气线路短路打 出火花引燃棉花导致火灾,由于报警迟,火势迅速 蔓延。珠海市消防支队接警后,迅速调集消防力量 前往扑救,广东省消防总队接报后又及时调集广州、 中山、佛山三市消防力量增援。次日4时,大火被基 本控制,进入灭余火阶段。 案例:广东珠海前山纺织城火灾 17日13时许,外方老板急于调集数百名职工 进入现场清理物资、翻棉花包;同时,厂方 还调来数台履带式推土机、挖掘机进入现场 搬运棉花包。因该建筑物已经经过近20小时 的火焰高温作用,加之灭火时喷了大量水, 使棉花包、棉布包重量成倍增加,而且又进 去了几百名职工翻包,尤其是工程机械的剧 烈震动,导致A幢厂房于17日14时10分坍塌, 造成93人死亡、156人受伤的严重后果 ?(2)混凝土的抗拉强度 在常温下,混凝土直接受拉容易断裂,断裂前无明显 残余变形。 在火灾高温条件下,混凝土的抗拉强度随温度上升明 显下降,下降幅度比抗压强度大10~15%。当温度 超过600℃以后,混凝土抗拉强度则基本丧失。混凝 土抗拉强度发生下降的原因是在高温下混凝土中的水 泥石产生微裂缝造成的,混凝土局部出现细缝或开裂, 导致内部钢筋直接暴露在火中。 ?(3)混凝土的粘结强度 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 之间的应力和协调变形。它的大小对构件的 裂缝、变形和承载能力有直接的影响。 在火灾高温作用下钢筋和混凝土之间的粘结 强度变化对其承载力影响很大。 ?(4)混凝土的弹性模量 随温度的升高而降低,呈现明显的塑性状态。 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 土发生发生脱水现象内部孔隙率增加。 高温下混凝土内部的损伤在降温时不可恢复。 因此在降温的过程中,弹性模量基本不变。 ?混凝土的爆裂 在火灾初期,混凝土构件受热表面层发生的块状爆炸 性脱落现象,称为混凝土的爆裂。它决定着钢筋混凝 土结构的耐火性能,尤其是预应力钢筋混凝土结构。 影响爆裂的因素有: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。 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易发生爆裂。 ?其他建筑材料的高温性能 ?石材抗压强度随温度变化 ?玻璃的高温性能 普通平板玻璃:在火灾条件下大多在250℃左右,由 于其变形受到门、窗框的限制而自行破裂。 夹丝玻璃:是在玻璃成型过程中,将经过预热处理的 金属丝网加入已软化的玻璃中,经压延辊压制而成。 常用夹丝玻璃的厚度为6mm。金属丝网在夹丝玻璃中 主要起增大强度作用。当夹丝玻璃表面受到外力或高 温作用时,同样会炸裂,但在金属丝网的支撑拉结下, 裂而不散。 当温度升高到700~800℃后,夹丝玻璃表面发生熔 融,会填实已经出现的裂缝,直至整个玻璃软化熔融, 顺着金属丝网垂落下来,形成孔洞,才失去隔火作用。 复合防火玻璃:将两片或两片以上的普通平板玻璃用 透明防火粘结剂胶结而成的一种防火玻璃,属于阻火 隔热型防火玻璃。这种在玻璃正常使用时和普通玻璃 一样具有透光性能和装饰性能;发生火灾后,随着火 势的蔓延扩大,火灾区域的温度升高,防火夹层不但 能将炸裂的玻璃碎片牢固地粘结在其他玻璃上,而且 受热膨胀发泡,厚度增大8—10倍,形成致密的蜂窝 状防火隔热层,阻止了火焰和热量向外穿透,从而起 到隔火隔热作用。复合防火玻璃主要用于防火门、窗 和防火隔断,此外也用于楼梯间、电梯井的某些部位。 思考题 1、建筑材料高温下的性能 2、钢的冶炼方法 3、按照化学成分,钢的分类?以及它们的特点? 4、钢的热学性能有哪几个指标? 5、普通低碳钢强度随温度的变化规律是什么? 6、何谓混凝土?有那些优点? 7、混凝土的热学性能有哪几个指标? 思考题 8、混凝土的抗压强度随温度的变化规律是什么? 有哪些影响因素? 9、何谓混凝土的爆裂?有哪些影响因素? 10、建筑材料的燃烧性能分级


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