鄭文忠，黃文宣，王 英，焦貞貞

(結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

火災(zāi)是高頻災(zāi)種[1-3]，建筑火災(zāi)是最常見(jiàn)的火災(zāi)，2014—2016年中國(guó)共發(fā)生火災(zāi)104.5萬(wàn)起，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失120億元[4-6].砌體主要是由塊材和砌筑漿體砌筑而成的受力構(gòu)件.塊材主要有黏土磚、石材、混凝土砌塊等.砌筑漿體主要為砂漿，也有用土坯做塊材用泥巴做砌筑漿體的情況.

用混凝土砌塊和砂漿砌筑而成砌體的耐高溫性能可借鑒混凝土結(jié)構(gòu)高溫性能研究的成果進(jìn)行考察.用土坯和泥巴砌筑而成的砌體目前已很少應(yīng)用，不做討論.本文在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，著力對(duì)磚砌體的抗火性能研究進(jìn)展進(jìn)行論述，包括黏土磚高溫下和高溫后的力學(xué)性能、砂漿高溫后的力學(xué)性能和磚砌體高溫后的力學(xué)性能.基于相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，建立了高溫下和高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算公式、水泥砂漿高溫后的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算公式以及高溫后水泥砂漿和混合砂漿磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算公式.對(duì)用具有良好耐高溫性能的堿礦渣膠凝材料做砌塊和砌筑漿體的新型砌體的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

1 材料的高溫力學(xué)性能

1.1 黏土磚高溫力學(xué)性能

1.1.1 資料收集

文獻(xiàn)[7]對(duì)普通黏土實(shí)心磚和KP1型黏土空心磚進(jìn)行了高溫下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)心磚和空心磚常溫下抗壓強(qiáng)度分別為37.9和38.3 MPa，升溫速度為6～8 ℃/min，恒溫40 min后進(jìn)行高溫下抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示.

表1 文獻(xiàn)[7]高溫下黏土磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析力學(xué)性能變化的微觀原因.500 ℃時(shí)，高嶺石變成了煅燒高嶺石，孔洞增加，降低了抗壓強(qiáng)度.800 ℃時(shí)微結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化，但在此溫度下孔結(jié)構(gòu)和玻璃體微結(jié)構(gòu)更易破碎，導(dǎo)致強(qiáng)度大幅下降[11-13].

文獻(xiàn)[8]采用的試件尺寸為112.5 mm×112.5 mm×75 mm，常溫強(qiáng)度為5 MPa.以2 ℃/min的速度加熱到目標(biāo)溫度恒溫1 h后，進(jìn)行了高溫下試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)溫度在800 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度是常溫強(qiáng)度的71%.試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 文獻(xiàn)[8]高溫下黏土磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了黏土磚的高溫后抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，常溫強(qiáng)度為19.17 MPa.為了模擬實(shí)際火災(zāi)情況，升溫時(shí)間和恒溫時(shí)間都盡可能短，并在空氣中自然冷卻，300和600 ℃后黏土磚的殘余強(qiáng)度分別為常溫的80%和60%左右.試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 文獻(xiàn)[9]高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[10]對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為MU20的黏土磚進(jìn)行高溫后力學(xué)性能研究，試驗(yàn)只選用了800 ℃以上的3個(gè)溫度，在空氣中冷卻后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).結(jié)果表明，875 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度只下降5%，898 ℃時(shí)下降16%.試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 文獻(xiàn)[10]高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1.2 黏土磚高溫力學(xué)性能計(jì)算

20 ℃≤T≤1 000 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃.

(1)

圖1 高溫下黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與T的下包曲線

20 ℃≤T≤600 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃.

(2)

圖2 高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與T的下包曲線

在CECS252—2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[14]中給出了高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù).根據(jù)式(2)計(jì)算的高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與文獻(xiàn)[14]給出的折減系數(shù)如表5所示.文獻(xiàn)[14]認(rèn)為黏土磚高溫后抗壓強(qiáng)度在經(jīng)歷溫度不高于700 ℃時(shí)不降低.式(2)計(jì)算結(jié)果表明，黏土磚抗壓強(qiáng)度在100 ℃高溫后就下降，600 ℃高溫后的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)為0.562.

1.2 砌筑砂漿高溫力學(xué)性能

1.2.1 資料收集

文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為M10和M20的水泥砂漿在不同溫度后的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到歷經(jīng)溫度對(duì)其高溫后抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律.強(qiáng)度等級(jí)為M10和M20的水泥砂漿實(shí)測(cè)常溫強(qiáng)度分別為11.91和23.25 MPa，水灰比w/c分別為1.03和0.79，采用的升溫速率為10 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后，恒溫90 min.結(jié)果表明，若歷經(jīng)溫度不高于300 ℃，高溫后抗壓強(qiáng)度下降較小；若歷經(jīng)溫度超過(guò)450 ℃，高溫后抗壓強(qiáng)度下降明顯，結(jié)合水的脫出使得砂漿結(jié)構(gòu)疏松.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.

表5 高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與規(guī)范值對(duì)比

表6 文獻(xiàn)[15]高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[17]研究了強(qiáng)度等級(jí)為M30的水泥砂漿高溫后抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律.水泥砂漿的實(shí)測(cè)常溫強(qiáng)度為39.0 MPa，水灰比為0.44，采用的升溫速率為3～5 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫4 h.自然冷卻后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7.

文獻(xiàn)[18]研究了高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律.水灰比為0.4，砂采用河砂.試驗(yàn)前先將試件放入烘干箱烘干至恒重，再放入高溫爐內(nèi)加熱，加熱至目標(biāo)溫度后恒溫2 h，再自然冷卻至室溫后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8.

表7 文獻(xiàn)[17]高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 文獻(xiàn)[18]高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了強(qiáng)度等級(jí)為M30的水泥砂漿高溫后的力學(xué)性能試驗(yàn)，水灰比為0.38.升溫速率為2 ℃/min，恒溫1 h.自然冷卻后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9.

表9 文獻(xiàn)[19]高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[20]中研究了高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律.加熱時(shí)以20 ℃/min的升溫速率升到目標(biāo)溫度恒溫2 h，自然冷卻至室溫后再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).研究表明，溫度為200 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度小幅下降，300 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度高于常溫強(qiáng)度，400 ℃時(shí)再次下降.試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10.

1.2.2 水泥砂漿高溫力學(xué)性能計(jì)算

表10 文獻(xiàn)[20]高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

T=100 ℃時(shí)，

(3)

T=200 ℃時(shí)，

(4)

T=300 ℃時(shí)，

(5)

T=400 ℃時(shí)，

(6)

T=500 ℃時(shí)，

(7)

T=600 ℃時(shí)，

(8)

T=700 ℃時(shí),

(9)

T=800 ℃時(shí),

(10)

圖隨w/c的擬合曲線

表11 高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2 磚砌體的高溫力學(xué)性能

2.1 數(shù)據(jù)收集

文獻(xiàn)[9]對(duì)黏土實(shí)心磚墻進(jìn)行高溫后抗壓試驗(yàn)研究，得到抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律.墻厚250 mm，墻高和墻寬為510 mm.采用M10水泥砂漿砌筑，黏土磚和水泥砂漿常溫強(qiáng)度分別為19.17 MPa和13.0 MPa.升溫速率為20 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫1 h.結(jié)果表明，高溫后抗壓強(qiáng)度在300 ℃時(shí)略有增加，600 ℃時(shí)平均下降了13%.試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表12.

表12 文獻(xiàn)[9]高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[10]研究高溫后磚和砂漿的強(qiáng)度變化，磚的強(qiáng)度等級(jí)為MU20，砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M5和M10，給出高溫后強(qiáng)度折減系數(shù)，并參考GB50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出磚砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算公式，給出了高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算公式：

fmt=K1(Ct1f1)α(1+0.07Ct2f2)K2.

(11)

式中：fmt為高溫后無(wú)筋磚砌體的抗壓強(qiáng)度平均值；f1為常溫下黏土磚的抗壓強(qiáng)度平均值；f2為常溫砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值；α為參數(shù)，等于0.5；K1為無(wú)筋磚砌體受壓安全系數(shù)，等于0.78；K2為砂漿強(qiáng)度抗壓計(jì)算系數(shù).當(dāng)f2<1時(shí)，K2=0.6+0.4f2；當(dāng)f2>1時(shí)，K2=1；Ct1為火災(zāi)后磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)；Ct2為火災(zāi)后砂漿抗壓強(qiáng)度折減系數(shù).根據(jù)式(11)計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表13所示.

表13 文獻(xiàn)[10]高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算值

文獻(xiàn)[21]等對(duì)經(jīng)歷不同溫度后的黏土磚墻試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到磚墻抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律.試件尺寸為746 mm×365 mm×115 mm，采用強(qiáng)度等級(jí)為M10的混合砂漿.升溫速率為5 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫1 h.結(jié)果表明，磚墻在經(jīng)歷800 ℃高溫后，強(qiáng)度降低44%.文獻(xiàn)[21]的磚墻高溫后抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表14.

表14 文獻(xiàn)[21]高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[22]等研究了磚墻高溫后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，試件尺寸為189 mm×120 mm×115 mm，采用強(qiáng)度等級(jí)為M10的混合砂漿.發(fā)現(xiàn)磚墻抗壓強(qiáng)度隨溫度升高不斷下降，在800 ℃高溫后，抗壓強(qiáng)度為常溫的65%左右.試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表15.

表15 文獻(xiàn)[22]高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 磚砌體高溫力學(xué)性能計(jì)算

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃，

(12)

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃.

(13)

圖4 高溫后用水泥砂漿砌筑的磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與T的下包曲線和擬合曲線

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃，

(14)

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃時(shí)取T=20 ℃.

(15)

圖5 高溫后用混合砂漿砌筑的磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與T的下包曲線和擬合曲線

根據(jù)式(12)和(13)計(jì)算的高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與CECS252—2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》給出的折減系數(shù)如表16所示.可以看出，CECS252—2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中，若歷經(jīng)溫度不高于100 ℃，高溫后抗壓強(qiáng)度與常溫下相同，而式(12)和(13)中，經(jīng)歷100 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度略低于常溫下抗壓強(qiáng)度；歷經(jīng)200～700 ℃，基于式(12)所得高溫后水泥砂漿磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)高于CECS252規(guī)定，基于式(13)所得的高溫后混合砂漿磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與CECS252規(guī)定相近.擬合所得的高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)在歷經(jīng)溫度為500 ℃時(shí)為0.637，高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)在歷經(jīng)溫度為500 ℃時(shí)為0.520，而高溫后水泥砂漿磚砌體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)在歷經(jīng)溫度為500 ℃時(shí)為0.885，對(duì)這一結(jié)論的內(nèi)在原因有待進(jìn)一步研究.

表16 高溫后磚砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與規(guī)范值對(duì)比

3 結(jié)論與展望

1)高溫下和高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低，CECS252—2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度在歷經(jīng)溫度700 ℃以前不降低，而收集到的數(shù)據(jù)表明，歷經(jīng)溫度300 ℃后的高溫后抗壓強(qiáng)度為常溫下抗壓強(qiáng)度的86.8%～96.2%，600 ℃時(shí)其高溫后抗壓強(qiáng)度為常溫下的50.4%～71.8%.給出了高溫后黏土磚抗壓強(qiáng)度隨歷經(jīng)溫度變化的下包線.

2)高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度總體上隨歷經(jīng)溫度的升高而降低.CECS252—2009《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》未考慮水灰比對(duì)高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響.收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，若歷經(jīng)溫度介于300～800 ℃，水灰比不大于0.45時(shí)，高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨水灰比增大而增大；若水灰比大于0.45，高溫后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨水灰比增大而減小.

3)用水泥砂漿或混合砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強(qiáng)度都隨歷經(jīng)溫度的升高而降低.歷經(jīng)200～700 ℃，用水泥砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)高于CECS252規(guī)定，用混合砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與CECS252規(guī)定相近.

4)黏土磚砌體高溫試驗(yàn)研究多以塊體和砂漿的強(qiáng)度以及溫度作為參數(shù)，但實(shí)際上同樣的砂漿強(qiáng)度可能水灰比等參數(shù)也不同，高溫試驗(yàn)研究應(yīng)細(xì)化參數(shù)，獲得多參數(shù)影響下的強(qiáng)度退化規(guī)律.

5)現(xiàn)有研究成果較多涉及黏土磚、砂漿及黏土磚砌體的高溫下和高溫后抗壓強(qiáng)度，對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全的彈性模量、剛度等因素研究很少，且研究對(duì)象只針對(duì)新砌體，對(duì)既有建筑中舊砌體的抗火性能鮮有涉及.