粘土空心砖和实心砖的高温力学性能对比试验研究
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摘要:本文利用WAW-1000高温微机万能试验机、箱式电阻炉和温控仪对KP1型承重粘土空心砖和普通粘土实心砖在高温下(500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃)进行抗压力学性能试验,得出粘土空心砖和实心砖在各个温度下的抗压强度以及抗压强度折减系数。研究表明:空心砖的抗压强度及高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。空心砖的初裂荷载与极限荷载的比值比较大,表明空心砖在受压时初裂缝出现较晚。粘土空心砖是当前大力发展的一种新型墙体材料,与实心砖相比具有很大的优越性,对比研究这两种建材在高温下的力学性能对于建筑防火安全设计具有重要意义。
关键词:实心砖 空心砖 高温力学性能 强度折减系数
中图分类号:TU5 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0079-03
1 绪论
1.1 粘土砖的应用现状和发展趋势
目前,粘土砖作为墙体和屋面的主要建筑材料,大量应用于住宅、中小型单层工业厂房、影剧院等建筑物中,是我国建筑工程中量大面广的最常用的结构形式。粘土砖是用粘土制成一定的形状的坯然后在砖窑中高温烧制出来的,是最传统的建筑材料。按孔洞率分为无孔洞或孔洞率小于15%的实心砖(普通砖),孔洞率等于或大于15%的空心砖。
据不完全统计,目前我国粘土实心砖年产量多达4300多亿块,生产这么多的粘土砖,光烧制过程中消耗的煤量就占到全年煤能源消耗总量的15%左右。随着国家“禁实推新”工作的不断推广深入,承重型粘土空心砖作为一种新型墙体材料在我国得到推广应用。相比实心砖,粘土空心砖具有保温、隔热、抗震性能好、造价低廉、施工方便、快捷等优点,对于保护耕地、节约能源、保护环境等有积极意义,是我国重点推广使用的新型墙体材料之一。
1.2 空心砖力学性能的研究动态
湖南农业大学的梁建国和中元国际工程设计研究院的梁辉等人通过18件P型烧结页岩多孔砖、3件烧结页岩普通砖砌体抗压试验研究,得出了这种多孔砖的受压强度设计取值方法,其力学性能均达到和超过普通粘土砖,是一种性能优越的墙体材料。
研究表明,空心砖砌体在常温下其抗压强度相当或略高于实心砖砌体,一般认为抗压强度较高的原因是块体尺寸的影响。从这点看,用具有隔热、抗震性能好、造价低廉、施工方便、快捷等优点,对于保护耕地、节约能源、保护环境等有积极意义的粘土空心砖替代粘土实心砖是可行的,甚至是必要的。承重型空心砖在高温下力学性能的变化和实心砖是否一致,能否在高温下满足承载要求,保证安全,真正做到替代实心砖,均没有可参考的文献及借鉴的实例,本文就将进行这方面的研究。
2 试验内容和试验结果
2.1 试验样品和试验设备
2.1.1 试验样品。
试验用砖为KP1型承重型粘土空心砖和普通粘土实心砖。两种材料均从市场选购,空心砖尺寸为240mm×115mm×90mm,孔洞率为25%;实心砖尺寸为240mm×115mm×50mm。两种样品砖的外型匀称、密度均匀,经过初步测试,用半砖得到的抗压强度数据和用整砖得到的基本一致,所以用切割机把一块砖在长度方向均分为两块作为此次试验的直接样品。最终得到实心样品砖尺寸为120mm×115mm×50mm,空心样品砖为120mm×115mm×90mm。
2.1.2 试验设备。
(1)WAW-1000高温微机万能试验机。
WAW-1000高温微机万能试验机(图1)是当今国内具有较高水平的工程测试设备,它由加载系统、温控系统以及数据量测系统组成。可用于钢材及其它金属材料的常温和高温拉伸、压缩、弯曲等强度的力学试验。也可用于水泥及粘土砖等非金属材料的常温和高温压缩的力学试验。
(2)加温及温控装置。
加温及温控装置(图2)包括箱式电阻炉和温控仪。箱式电阻炉是天津市中环实验电炉有限公司生产的,额定电压为220V,额定功率为5kW,加热最高温度为1200℃,炉膛尺寸为300mm×200mm×120mm。温控仪是余姚市东方电工仪器厂生产的,辅助箱式电阻炉使用可以使砖加热到所需加热的温度并保持恒温。
2.2 试验内容和试验步骤
2.2.1 试验内容。
本课题研究粘土实心砖和空心砖在温度为500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的情况下其初裂荷载、极限荷载等力学参数,并对比研究这两种建材在高温下力学性能的变化规律。即分析实心砖和空心砖的力学性能参数随温度升高的变化趋势,得出两种砖随温度升高抗压强度的折减系数,为建筑选择建材提供参考数据。
2.2.2 试验步骤。
(1)利用箱式电阻炉对试件进行加热,使试件的温度分别达到500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃,当砖的温度达到目标温度后继续恒温40min,让试件内外均得到均匀加热。记录试件加热的时间。(2)将加热好的试验试件快速置于试验机上,调节上压板,使之与试件上表面紧密接触,以1kN/s加载速度进行抗压试验,直至试件失去承载能力,试验完毕后保存试验所得数据。(3)在试验过程中,观察和捕捉第一条受力的发丝裂缝,并记录初裂荷载值。
2.3 试验结果及数据分析
2.3.1 加热及恒温时间。
试验过程中记录各试件的加温时间和恒温时间以及总时间如表1。
2.3.2 试验结果与数据分析。
(1)常温力学试验数据。
试验过程中可由系统自动记录荷载、变形、位移等参数。为了研究粘土实心砖和空心砖在高温下抗压强度的折减系数,试验前先进行粘土实心砖和空心砖的常温力学试验,各进行两次。根据试验中得到的荷载、变形、位移数据可得到荷载-变形关系曲线,将试件初次出现明显的裂缝时的荷载定义为初裂荷载,将试件能承受的最大荷载定义为极限荷载,见图3。从试验数据可以得到粘土砖的常温极限荷载分别为558kN和488kN,平均为523kN。空心砖的常温极限荷载分别为527kN和529kN,平均为528kN,见表2。
(2)高温力学试验数据。
对于粘土实心砖和空心砖的高温试验,每个温度下进行一次试验,系统自动记录试验中的荷载、变形、位移。
(3)高温试验结果的分析。
根据前面对初裂荷载和极限荷载的定义,根据得到的试验数据可以得出粘土实心砖和空心砖在各个温度下的初裂荷载,极限荷载,并计算出初裂荷载和极限荷载的比值,见表2。
从表2中可知,空心砖和实心砖受压破坏时,初裂荷载均达极限破坏荷载的0.5倍以上。空心砖初裂荷载与极限荷载的比值为49%～60%,平均为54%,实心砖初裂荷载和极限荷载的比值为47%～60%,平均为52%。相比而言,空心砖的初裂荷载与极限荷载的比值稍大,由此可见,空心砖在受压时初裂缝出现稍晚。
将各试件的极限荷载换算成强度参数,根据抗压强度p计算公式:
p=N/S (1)
由受压面积S=120mm×115mm=138cm2,把各个温度下的极限荷载值代入公式(1)可以分别计算出各个温度下两种砖型的抗压强度,见表3。
从表3中可知,实心砖的抗压强度随着温度的升高整体呈下降趋势,温度从500℃到700℃时,抗压强度没有太大的变化。当温度升高到800℃时,抗压强度明显降低,为23.5MPa。温度继续升高,抗压强度下降幅度减小,900℃时为22.5MPa,1000℃时为20.6MPa。空心砖的抗压强度随温度升高也呈下降趋势,温度升高到500℃时,抗压强度为36.4MPa,500℃到700℃抗压强度变化不大,当温度达到800℃时,抗压强度为24.3MPa,可以看出有明显的下降,温度继续升高,抗压强度下降幅度减缓,900℃时为22.5Mpa,1000℃时为20.4Mpa。空心砖和实心砖的各温度下的抗压强度的平均比值为1.01,可见空心砖的抗压强度和实心砖基本一致。
将实心砖和空心砖在用各温度下的抗压强度除以常温下的抗压强度即得到两种砖在各温度下抗压强度的折减系数,见表4。
从表4中可以看出两种材料的高温强度折减系数随着温度的升高均有不同的下降,空心砖和实心砖在各温度下抗压强度折减系数几乎相当,空心砖的抗压强度折减系数600℃、900℃时与实心砖一致,700℃、1000℃时比实心砖稍小,500℃、800℃时比实心砖稍大,说明空心砖在高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。
若把加热时间考虑成火灾发展时间,可以得出加热时间和抗压强度折减系数的关系,见表5。
由此可以看出,从开始到时间为90min时,砖的温度达到700℃左右,实心砖抗压强度为常温下的85%～94%,几乎不会对砖的承载能力产生大的影响;当时间超过90min后,抗压强度会有比较大的变化,时间超过两个小时后,温度超过800℃,此时抗压强度为常温下的60%左右,对于建筑物的承载已经达到比较危险的程度;加热时间再长一些,温度会升高到1000℃甚至更高,此时抗压强度只有常温下的一半甚至更低,已不适合承载。空心砖的情况基本和实心砖一致,到90min之前,抗压强度为常温下的82%～95%,不会对承载影响太大;当时间超过90min后,抗压强度也会有一个比较明显的变化,为常温的60%左右;当时间超过两个小时后,温度达到1000℃,此时的抗压强度仅为常温的53%,已远低于适合承载的值。
3 结论和展望
本文通过对粘土实心砖和空心砖在不同高温下的抗压对比试验研究,得到以下几个结论。
(1)粘土空心砖和实心砖在高温下抗压强度和强度折减系数随着温度的升高而降低,空心砖的抗压强度及高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。(2)实心砖和空心砖受压破坏时,初裂荷载均达极限破坏荷载的0.5倍以上,但是空心砖的初裂荷载与极限荷载的比值比实心砖的大,表明空心砖在受压时初裂缝出现较晚。(3)当火灾时间超过90min后,粘土实心砖和空心砖的抗压强度均下降至常温下的60%以下,此时砖体会发生开裂,故由粘土实心砖和空心砖作承重构件的建筑物有倒塌的危险。因此,当火灾时间超过90min后,灭火救援人员尽量避免进入建筑物内进行灭火救援作业。
承重型粘土空心砖的尺寸一般要比实心砖大,几乎是实心砖的两倍。当把砖砌成砌体时,空心砖所用砂浆量要远小于实心砖,单位高度的砌体,水平灰缝仅为实心砖的一半左右,所以灰缝对空心砖砌体的影响要远小于实心砖,加上砂浆会在空心砖的孔洞内形成销键,会使空心砖砌体的强度大于实心砖砌体的强度。砌体的耐火性能不仅仅与砖的耐火性能有关,还与砌体的整体结构、完整性、绝缘性有关。空心砖由于尺寸大,内部孔洞多,导热系数小,所以砌体整体结构好,完整、绝缘性好,从而其耐火性能会比单个砖体大大提高。由于试验条件限制,在本次试验过程采用的是恒温加载的方法,而不是恒载加温,与实际情况有一定差别。影响砖的力学性能的因素很多,如制作的粘土的成分和添加物、养护条件、烧制条件等,所以本研究的结果仅仅适用于与本研究所用样品性质相同的砖,应用到工程中还要视实际情况而定。
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