鄒中奇

摘要:本文利用WAW-1000高溫微機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、箱式電阻爐和溫控儀對(duì)KP1型承重粘土空心磚和普通粘土實(shí)心磚在高溫下(500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃)進(jìn)行抗壓力學(xué)性能試驗(yàn),得出粘土空心磚和實(shí)心磚在各個(gè)溫度下的抗壓強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)。研究表明:空心磚的抗壓強(qiáng)度及高溫下隨溫度的升高抗壓強(qiáng)度下降強(qiáng)度和實(shí)心磚基本一致?？招拇u的初裂荷載與極限荷載的比值比較大,表明空心磚在受壓時(shí)初裂縫出現(xiàn)較晚。粘土空心磚是當(dāng)前大力發(fā)展的一種新型墻體材料,與實(shí)心磚相比具有很大的優(yōu)越性,對(duì)比研究這兩種建材在高溫下的力學(xué)性能對(duì)于建筑防火安全設(shè)計(jì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞:實(shí)心磚空心磚高溫力學(xué)性能強(qiáng)度折減系數(shù)

中圖分類號(hào):TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)04(c)-0079-03

1 緒論

1.1 粘土磚的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

目前,粘土磚作為墻體和屋面的主要建筑材料,大量應(yīng)用于住宅、中小型單層工業(yè)廠房、影劇院等建筑物中,是我國(guó)建筑工程中量大面廣的最常用的結(jié)構(gòu)形式。粘土磚是用粘土制成一定的形狀的坯然后在磚窯中高溫?zé)瞥鰜?lái)的,是最傳統(tǒng)的建筑材料。按孔洞率分為無(wú)孔洞或孔洞率小于15%的實(shí)心磚(普通磚),孔洞率等于或大于15%的空心磚。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)粘土實(shí)心磚年產(chǎn)量多達(dá)4300多億塊,生產(chǎn)這么多的粘土磚,光燒制過(guò)程中消耗的煤量就占到全年煤能源消耗總量的15%左右。隨著國(guó)家“禁實(shí)推新”工作的不斷推廣深入,承重型粘土空心磚作為一種新型墻體材料在我國(guó)得到推廣應(yīng)用。相比實(shí)心磚,粘土空心磚具有保溫、隔熱、抗震性能好、造價(jià)低廉、施工方便、快捷等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于保護(hù)耕地、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等有積極意義,是我國(guó)重點(diǎn)推廣使用的新型墻體材料之一。

1.2 空心磚力學(xué)性能的研究動(dòng)態(tài)

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的梁建國(guó)和中元國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院的梁輝等人通過(guò)18件P型燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚、3件燒結(jié)頁(yè)巖普通磚砌體抗壓試驗(yàn)研究,得出了這種多孔磚的受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)取值方法,其力學(xué)性能均達(dá)到和超過(guò)普通粘土磚,是一種性能優(yōu)越的墻體材料。

研究表明,空心磚砌體在常溫下其抗壓強(qiáng)度相當(dāng)或略高于實(shí)心磚砌體,一般認(rèn)為抗壓強(qiáng)度較高的原因是塊體尺寸的影響。從這點(diǎn)看,用具有隔熱、抗震性能好、造價(jià)低廉、施工方便、快捷等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于保護(hù)耕地、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等有積極意義的粘土空心磚替代粘土實(shí)心磚是可行的,甚至是必要的。承重型空心磚在高溫下力學(xué)性能的變化和實(shí)心磚是否一致,能否在高溫下滿足承載要求,保證安全,真正做到替代實(shí)心磚,均沒(méi)有可參考的文獻(xiàn)及借鑒的實(shí)例,本文就將進(jìn)行這方面的研究。

2試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)樣品。

試驗(yàn)用磚為KP1型承重型粘土空心磚和普通粘土實(shí)心磚。兩種材料均從市場(chǎng)選購(gòu),空心磚尺寸為240mm×115mm×90mm,孔洞率為25%;實(shí)心磚尺寸為240mm×115mm×50mm。兩種樣品磚的外型勻稱、密度均勻,經(jīng)過(guò)初步測(cè)試,用半磚得到的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)和用整磚得到的基本一致,所以用切割機(jī)把一塊磚在長(zhǎng)度方向均分為兩塊作為此次試驗(yàn)的直接樣品。最終得到實(shí)心樣品磚尺寸為120mm×115mm×50mm,空心樣品磚為120mm×115mm×90mm。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備。

(1)WAW-1000高溫微機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

WAW-1000高溫微機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖1)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)具有較高水平的工程測(cè)試設(shè)備,它由加載系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)量測(cè)系統(tǒng)組成?？捎糜阡摬募捌渌饘俨牧系某睾透邷乩臁嚎s、彎曲等強(qiáng)度的力學(xué)試驗(yàn)。也可用于水泥及粘土磚等非金屬材料的常溫和高溫壓縮的力學(xué)試驗(yàn)。

(2)加溫及溫控裝置。

加溫及溫控裝置(圖2)包括箱式電阻爐和溫控儀。箱式電阻爐是天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司生產(chǎn)的,額定電壓為220V,額定功率為5kW,加熱最高溫度為1200℃,爐膛尺寸為300mm×200mm×120mm。溫控儀是余姚市東方電工儀器廠生產(chǎn)的,輔助箱式電阻爐使用可以使磚加熱到所需加熱的溫度并保持恒溫。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)步驟

2.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容。

本課題研究粘土實(shí)心磚和空心磚在溫度為500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的情況下其初裂荷載、極限荷載等力學(xué)參數(shù),并對(duì)比研究這兩種建材在高溫下力學(xué)性能的變化規(guī)律。即分析實(shí)心磚和空心磚的力學(xué)性能參數(shù)隨溫度升高的變化趨勢(shì),得出兩種磚隨溫度升高抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù),為建筑選擇建材提供參考數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)步驟。

(1)利用箱式電阻爐對(duì)試件進(jìn)行加熱,使試件的溫度分別達(dá)到500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃,當(dāng)磚的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后繼續(xù)恒溫40min,讓試件內(nèi)外均得到均勻加熱。記錄試件加熱的時(shí)間。(2)將加熱好的試驗(yàn)試件快速置于試驗(yàn)機(jī)上,調(diào)節(jié)上壓板,使之與試件上表面緊密接觸,以1kN/s加載速度進(jìn)行抗壓試驗(yàn),直至試件失去承載能力,試驗(yàn)完畢后保存試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。(3)在試驗(yàn)過(guò)程中,觀察和捕捉第一條受力的發(fā)絲裂縫,并記錄初裂荷載值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 加熱及恒溫時(shí)間。

試驗(yàn)過(guò)程中記錄各試件的加溫時(shí)間和恒溫時(shí)間以及總時(shí)間如表1。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析。

(1)常溫力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)過(guò)程中可由系統(tǒng)自動(dòng)記錄荷載、變形、位移等參數(shù)。為了研究粘土實(shí)心磚和空心磚在高溫下抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù),試驗(yàn)前先進(jìn)行粘土實(shí)心磚和空心磚的常溫力學(xué)試驗(yàn),各進(jìn)行兩次。根據(jù)試驗(yàn)中得到的荷載、變形、位移數(shù)據(jù)可得到荷載-變形關(guān)系曲線,將試件初次出現(xiàn)明顯的裂縫時(shí)的荷載定義為初裂荷載,將試件能承受的最大荷載定義為極限荷載,見(jiàn)圖3。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到粘土磚的常溫極限荷載分別為558kN和488kN,平均為523kN?？招拇u的常溫極限荷載分別為527kN和529kN,平均為528kN,見(jiàn)表2。

(2)高溫力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)于粘土實(shí)心磚和空心磚的高溫試驗(yàn),每個(gè)溫度下進(jìn)行一次試驗(yàn),系統(tǒng)自動(dòng)記錄試驗(yàn)中的荷載、變形、位移。

(3)高溫試驗(yàn)結(jié)果的分析。

根據(jù)前面對(duì)初裂荷載和極限荷載的定義,根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出粘土實(shí)心磚和空心磚在各個(gè)溫度下的初裂荷載,極限荷載,并計(jì)算出初裂荷載和極限荷載的比值,見(jiàn)表2。

從表2中可知,空心磚和實(shí)心磚受壓破壞時(shí),初裂荷載均達(dá)極限破壞荷載的0.5倍以上?？招拇u初裂荷載與極限荷載的比值為49%～60%,平均為54%,實(shí)心磚初裂荷載和極限荷載的比值為47%～60%,平均為52%。相比而言,空心磚的初裂荷載與極限荷載的比值稍大,由此可見(jiàn),空心磚在受壓時(shí)初裂縫出現(xiàn)稍晚。

將各試件的極限荷載換算成強(qiáng)度參數(shù),根據(jù)抗壓強(qiáng)度p計(jì)算公式:

p=N/S (1)

由受壓面積S=120mm×115mm=138cm2,把各個(gè)溫度下的極限荷載值代入公式(1)可以分別計(jì)算出各個(gè)溫度下兩種磚型的抗壓強(qiáng)度,見(jiàn)表3。

從表3中可知,實(shí)心磚的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高整體呈下降趨勢(shì),溫度從500℃到700℃時(shí),抗壓強(qiáng)度沒(méi)有太大的變化。當(dāng)溫度升高到800℃時(shí),抗壓強(qiáng)度明顯降低,為23.5MPa。溫度繼續(xù)升高,抗壓強(qiáng)度下降幅度減小,900℃時(shí)為22.5MPa,1000℃時(shí)為20.6MPa?？招拇u的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高也呈下降趨勢(shì),溫度升高到500℃時(shí),抗壓強(qiáng)度為36.4MPa,500℃到700℃抗壓強(qiáng)度變化不大,當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí),抗壓強(qiáng)度為24.3MPa,可以看出有明顯的下降,溫度繼續(xù)升高,抗壓強(qiáng)度下降幅度減緩,900℃時(shí)為22.5Mpa,1000℃時(shí)為20.4Mpa?？招拇u和實(shí)心磚的各溫度下的抗壓強(qiáng)度的平均比值為1.01,可見(jiàn)空心磚的抗壓強(qiáng)度和實(shí)心磚基本一致。

將實(shí)心磚和空心磚在用各溫度下的抗壓強(qiáng)度除以常溫下的抗壓強(qiáng)度即得到兩種磚在各溫度下抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù),見(jiàn)表4。

從表4中可以看出兩種材料的高溫強(qiáng)度折減系數(shù)隨著溫度的升高均有不同的下降,空心磚和實(shí)心磚在各溫度下抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)幾乎相當(dāng),空心磚的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)600℃、900℃時(shí)與實(shí)心磚一致,700℃、1000℃時(shí)比實(shí)心磚稍小,500℃、800℃時(shí)比實(shí)心磚稍大,說(shuō)明空心磚在高溫下隨溫度的升高抗壓強(qiáng)度下降強(qiáng)度和實(shí)心磚基本一致。

若把加熱時(shí)間考慮成火災(zāi)發(fā)展時(shí)間,可以得出加熱時(shí)間和抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系,見(jiàn)表5。

由此可以看出,從開(kāi)始到時(shí)間為90min時(shí),磚的溫度達(dá)到700℃左右,實(shí)心磚抗壓強(qiáng)度為常溫下的85%～94%,幾乎不會(huì)對(duì)磚的承載能力產(chǎn)生大的影響;當(dāng)時(shí)間超過(guò)90min后,抗壓強(qiáng)度會(huì)有比較大的變化,時(shí)間超過(guò)兩個(gè)小時(shí)后,溫度超過(guò)800℃,此時(shí)抗壓強(qiáng)度為常溫下的60%左右,對(duì)于建筑物的承載已經(jīng)達(dá)到比較危險(xiǎn)的程度;加熱時(shí)間再長(zhǎng)一些,溫度會(huì)升高到1000℃甚至更高,此時(shí)抗壓強(qiáng)度只有常溫下的一半甚至更低,已不適合承載?？招拇u的情況基本和實(shí)心磚一致,到90min之前,抗壓強(qiáng)度為常溫下的82%～95%,不會(huì)對(duì)承載影響太大;當(dāng)時(shí)間超過(guò)90min后,抗壓強(qiáng)度也會(huì)有一個(gè)比較明顯的變化,為常溫的60%左右;當(dāng)時(shí)間超過(guò)兩個(gè)小時(shí)后,溫度達(dá)到1000℃,此時(shí)的抗壓強(qiáng)度僅為常溫的53%,已遠(yuǎn)低于適合承載的值。

3結(jié)論和展望

本文通過(guò)對(duì)粘土實(shí)心磚和空心磚在不同高溫下的抗壓對(duì)比試驗(yàn)研究,得到以下幾個(gè)結(jié)論。

(1)粘土空心磚和實(shí)心磚在高溫下抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度折減系數(shù)隨著溫度的升高而降低,空心磚的抗壓強(qiáng)度及高溫下隨溫度的升高抗壓強(qiáng)度下降強(qiáng)度和實(shí)心磚基本一致。(2)實(shí)心磚和空心磚受壓破壞時(shí),初裂荷載均達(dá)極限破壞荷載的0.5倍以上,但是空心磚的初裂荷載與極限荷載的比值比實(shí)心磚的大,表明空心磚在受壓時(shí)初裂縫出現(xiàn)較晚。(3)當(dāng)火災(zāi)時(shí)間超過(guò)90min后,粘土實(shí)心磚和空心磚的抗壓強(qiáng)度均下降至常溫下的60%以下,此時(shí)磚體會(huì)發(fā)生開(kāi)裂,故由粘土實(shí)心磚和空心磚作承重構(gòu)件的建筑物有倒塌的危險(xiǎn)。因此,當(dāng)火災(zāi)時(shí)間超過(guò)90min后,滅火救援人員盡量避免進(jìn)入建筑物內(nèi)進(jìn)行滅火救援作業(yè)。

承重型粘土空心磚的尺寸一般要比實(shí)心磚大,幾乎是實(shí)心磚的兩倍。當(dāng)把磚砌成砌體時(shí),空心磚所用砂漿量要遠(yuǎn)小于實(shí)心磚,單位高度的砌體,水平灰縫僅為實(shí)心磚的一半左右,所以灰縫對(duì)空心磚砌體的影響要遠(yuǎn)小于實(shí)心磚,加上砂漿會(huì)在空心磚的孔洞內(nèi)形成銷鍵,會(huì)使空心磚砌體的強(qiáng)度大于實(shí)心磚砌體的強(qiáng)度。砌體的耐火性能不僅僅與磚的耐火性能有關(guān),還與砌體的整體結(jié)構(gòu)、完整性、絕緣性有關(guān)?？招拇u由于尺寸大,內(nèi)部孔洞多,導(dǎo)熱系數(shù)小,所以砌體整體結(jié)構(gòu)好,完整、絕緣性好,從而其耐火性能會(huì)比單個(gè)磚體大大提高。由于試驗(yàn)條件限制,在本次試驗(yàn)過(guò)程采用的是恒溫加載的方法,而不是恒載加溫,與實(shí)際情況有一定差別。影響磚的力學(xué)性能的因素很多,如制作的粘土的成分和添加物、養(yǎng)護(hù)條件、燒制條件等,所以本研究的結(jié)果僅僅適用于與本研究所用樣品性質(zhì)相同的磚,應(yīng)用到工程中還要視實(shí)際情況而定。

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