消防射水對(duì)熾熱黏土磚抗壓性能影響的試驗(yàn)研究

邱景通，周 昕

(天津?yàn)I海新區(qū)消防支隊(duì)，天津 300457)

消防射水對(duì)熾熱黏土磚抗壓性能影響的試驗(yàn)研究

邱景通，周 昕

(天津?yàn)I海新區(qū)消防支隊(duì)，天津 300457)

簡(jiǎn)要介紹我國(guó)以實(shí)心黏土磚墻為主要承重體系的建筑使用現(xiàn)狀。針對(duì)其在火災(zāi)中失去承載能力而倒塌的情況，對(duì)黏土磚試樣在高溫條件下模擬消防射水試驗(yàn)，分析高溫和消防射水對(duì)黏土磚抗壓性能的影響因素，得出黏土磚在不同試驗(yàn)條件下抗壓性能的變化規(guī)律，為我國(guó)黏土磚建筑結(jié)構(gòu)在高溫、消防射水條件下抗壓性能的研究提供一些基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支持。

黏土磚；消防射水；破碎率；抗壓性能

0 引言

目前我國(guó)農(nóng)村房屋及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廠房等采用的幾乎都是磚混結(jié)構(gòu)建筑體系，半數(shù)以上該類(lèi)建筑為20世紀(jì)80～90年代建造，使用期限較長(zhǎng)，磚混結(jié)構(gòu)作為承重體系其強(qiáng)度已發(fā)生了變化，一旦發(fā)生火災(zāi)，黏土磚在高溫下的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生巨大變化，直至酥軟解體而喪失承載力，滅火用消防射水也會(huì)加速建筑物在短時(shí)間內(nèi)倒塌。理論上,用水泥砌筑的普通黏土磚實(shí)心墻，屬于不燃燒體，耐火極限為2～3 h。實(shí)踐證明，在火災(zāi)情況下，磚混結(jié)構(gòu)的樓宇會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，黏土磚的吸水率為23%～25%，被水浸漬后，其自重迅速增大(上海建筑科研所的試驗(yàn)表明，黏土磚在前5 min的吸水量相當(dāng)于其在48 h內(nèi)吸水量的80%[1])，而普通實(shí)心黏土磚的耐火性能很低，在火災(zāi)的高溫狀態(tài)下遇冷水會(huì)迅速開(kāi)裂，酥軟解體，逐漸喪失承載能力，并伴隨著磚表面出現(xiàn)剝裂現(xiàn)象，反復(fù)若干次后，黏土磚解體，完全喪失承載能力。在火場(chǎng)上，磚混結(jié)構(gòu)建筑在連續(xù)大量消防射水的條件下會(huì)加大結(jié)構(gòu)本身的荷載，時(shí)斷時(shí)續(xù)的噴水也將加速磚體的破壞[2]。

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)有關(guān)磚混結(jié)構(gòu)墻體材料(黏土磚)在高溫下失去承載能力的問(wèn)題就已開(kāi)始研究，近年來(lái)有關(guān)這方面研究的文獻(xiàn)較多，但基本上局限于黏土磚的定性分析，有關(guān)實(shí)心黏土磚應(yīng)力-變形的關(guān)系、溫度-變形的關(guān)系以及材料熱物理參數(shù)的取值等的研究還很不系統(tǒng)，特別是對(duì)于黏土磚在高溫下模擬消防射水的試驗(yàn)研究更少，無(wú)法為磚混結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)下承重體系的變化研究提供足夠的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

實(shí)心黏土磚分青磚和紅磚兩種，本文涉及的紅磚是一種長(zhǎng)期被大量生產(chǎn)和廣泛使用的建筑材料，目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)村房屋及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廠房等建設(shè)中。實(shí)心黏土磚的主要成分都是具有很高晶格能的高熔點(diǎn)或高分解溫度的單質(zhì)或化合物。這些單質(zhì)或化合物在黏土磚生產(chǎn)或服役過(guò)程中能形成穩(wěn)定的具有優(yōu)良性能的礦物，其中氧化物主要包含Al2O3、BeO、Cr2O3、MgO、CaO、SiO2等，這些氧化物在地殼中分布較多而且較易提取與利用。另外，一些碳化物、氮化物、硅化物和硼化物，也可作為耐火材料的主要成分[3]。國(guó)外近幾年主要是針對(duì)新型墻體材料，節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品及相關(guān)配套產(chǎn)品，節(jié)能屋面系統(tǒng)的保溫、隔熱技術(shù)與材料，干混砂漿(保溫砂漿)等進(jìn)行研究，對(duì)于黏土磚的試驗(yàn)研究非常少[4-5]。

本文主要針對(duì)磚混結(jié)構(gòu)建筑物，尤其是以實(shí)心黏土磚墻為主要承重體系的建筑物，在火災(zāi)中失去承載能力而倒塌的現(xiàn)狀，對(duì)黏土磚試樣在高溫條件下模擬消防射水試驗(yàn)，分析高溫和消防射水對(duì)黏土磚抗壓性能的影響因素。

從民用單元式住宅建筑工地上取得實(shí)心黏土磚試樣(該建筑系磚混結(jié)構(gòu)承重體系)，經(jīng)切割機(jī)加工后制備成規(guī)格為110 mm×110 mm×50 mm，標(biāo)重為1 kg的標(biāo)準(zhǔn)試樣。結(jié)合箱式電阻爐、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同溫度、不同恒溫時(shí)間、不同消防射水量作用下的黏土磚試樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，分析試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和碎片的質(zhì)量，從而得出黏土磚在不同試驗(yàn)條件下抗壓性能的變化規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)儀器

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表1；箱式電阻爐，主要參數(shù)見(jiàn)表2，附帶夾取黏土磚的鐵鉗1把；BX3200H型電子天平，測(cè)量精度0.01 g；燒杯，容積200 mL；塑料噴壺，容積500 mL；電動(dòng)齒輪切割機(jī)1臺(tái)。

表1 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要參數(shù)

表2 箱式電阻爐主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

實(shí)心黏土磚試樣：共需19塊試樣，均從一幢六層民用單元式住宅建筑工地上取得(該建筑系磚混結(jié)構(gòu)承重體系)，經(jīng)切割機(jī)加工后制備成規(guī)格為110 mm×110 mm×50 mm，標(biāo)重為1 kg的標(biāo)準(zhǔn)試樣。模擬消防射水材料：自來(lái)水，成分與消火栓所提供的水質(zhì)基本一致。

1.3 試驗(yàn)措施

1.3.1 常溫加壓

取一塊黏土磚試樣(未噴水)稱(chēng)其質(zhì)量M0，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行常溫20 ℃下的抗壓試驗(yàn)，不需要外界加熱，加壓結(jié)束后收集壓落的碎片，質(zhì)量為M2，通過(guò)計(jì)算得出碎片率X和破碎率α。

式中，M0是加熱前黏土磚試樣的質(zhì)量(g)；M1是加熱后噴水產(chǎn)生的碎片質(zhì)量(g)；M2是進(jìn)行壓斷后產(chǎn)生的碎片質(zhì)量(g)；X1是加熱后噴水產(chǎn)生的碎片率；X2是進(jìn)行壓斷后產(chǎn)生的碎片率；X是試樣總的碎片率；α是試樣壓斷后的破碎率。

1.3.2 高溫加壓

共需9塊試樣，分成3組(每組各3塊)，每組內(nèi)3塊黏土磚試樣的恒溫時(shí)間依次為：30min、45min、60min，第一組試樣恒溫1 000 ℃，不模擬消防射水直接加壓；第二組和第三組試樣恒溫1 000 ℃后模擬消防射水，射水量分別為：100mL、200mL，射水之后再利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述三組不同條件下的黏土磚試樣依次進(jìn)行加壓試驗(yàn)，黏土磚的應(yīng)力-應(yīng)變情況可由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)測(cè)得，并輸入電腦主機(jī)得出試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)；碎片率、破碎率的計(jì)算同式(1)～式(4)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常溫下黏土磚試樣的受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在常溫(20 ℃)條件下，直接把試樣放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的托盤(pán)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，在施加壓力較小的階段沒(méi)有觀察到外形的變化，隨著外力的不斷增大，受壓試樣開(kāi)始變形并伴有“咔咔”的聲響，持續(xù)一段時(shí)間后其承載力達(dá)到了峰值，表面發(fā)生嚴(yán)重變形直至酥軟解體，同時(shí)產(chǎn)生了少量碎片。常溫下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。常溫條件下試樣內(nèi)部晶格沒(méi)有發(fā)生太大的變化，圖1給出了本文關(guān)于常溫下黏土磚試樣的壓力-變形曲線。從圖1可以看出，常溫下試樣的變形隨著壓力的增大而增加，當(dāng)壓力值達(dá)到653.5kN時(shí)，所能承受的壓力急劇減小，磚體本身已接近解體，此時(shí)黏土磚本身就已經(jīng)失去了抵抗外部荷載的能力。

圖1 常溫下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 恒溫下黏土磚抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試樣在恒定溫度1 000 ℃，不噴水、不同噴水量的條件下在每個(gè)恒定時(shí)間內(nèi)(30min、45min、60min)分別進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4。

2.2.1 溫度、噴水量恒定不同恒溫時(shí)間條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析

1 000 ℃不噴水條件下試驗(yàn)現(xiàn)象分析：恒溫加熱爐溫度升高到1 000 ℃后，3塊試樣依次恒溫30min、45min、60min，到達(dá)規(guī)定時(shí)間后將試樣放在試驗(yàn)機(jī)托盤(pán)上，試樣表面呈鮮紅色；在加壓過(guò)程中，試樣外表面開(kāi)始變形并不時(shí)發(fā)出“咔咔”的聲響；當(dāng)壓力升高到一定值后，試樣四周開(kāi)始酥軟解體而失去承載力，產(chǎn)生較多的碎片，圖2～圖4給出了本文關(guān)于不同試驗(yàn)條件下試樣的壓力-變形曲線。

從圖2～圖4可以看出，隨著施加壓力的增大黏土磚試樣的變形隨之增大，當(dāng)所施加的壓力增大到一定程度時(shí)，黏土磚失去抵抗能力而酥軟解體；試樣的屈服強(qiáng)度隨恒溫時(shí)間的增加而減??；在圖3中恒溫45min的試樣在低于300kN時(shí)比恒溫30min試樣的變形大，但在壓力高于300kN后其變形卻小于恒溫30min的試樣，恒溫45min的試樣的屈服強(qiáng)度也是大于恒溫30min試樣的。考慮到黏土磚本身的組成成分大體相同，在燒制過(guò)程中磚窯中的溫度場(chǎng)不盡相同，導(dǎo)致上述兩塊試樣出現(xiàn)了“黑心”現(xiàn)象，這種磚內(nèi)核呈黑色，表面依然呈紅色，內(nèi)部強(qiáng)度比紅心磚要大很多，在恒溫時(shí)間較長(zhǎng)的情況下“黑心”磚能夠抵抗的壓力就會(huì)高于恒溫時(shí)間短的試樣。所以黏土磚在高溫條件下屈服強(qiáng)度反而會(huì)增大，也是符合實(shí)際生產(chǎn)工藝的，若改進(jìn)燒制工藝使得溫度場(chǎng)一致那么磚混結(jié)構(gòu)建筑抵抗火燒的能力將會(huì)大大提高。

圖2 1 000 ℃不噴水情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 1 000 ℃噴水100 mL情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 1 000 ℃噴水200 mL情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.2 溫度、加熱時(shí)間恒定噴水量不同條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析

用燒杯分別量取100mL、200mL水加入噴壺中，恒溫60min時(shí)間結(jié)束取出試樣后，可以觀察到黏土磚試樣表面顏色更鮮紅，而且在受壓面有部分凸出，造成了初期的受壓不均；在噴水過(guò)程中水有部分滲透到黏土磚試樣中形成水漬，其余的都?xì)饣?，碎片?shù)量較前兩塊試樣多。圖5給出了不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5 1 000℃恒溫60 min情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖5可以看出，所有曲線都能說(shuō)明黏土磚試樣的變形隨著壓力的增大而增大，由于加熱時(shí)間的不同，不同試樣的屈服強(qiáng)度是不相同的，在溫度和加熱時(shí)間相同的條件下屈服強(qiáng)度會(huì)隨著噴水量的增多而減小；溫度為1 000 ℃的試樣在壓力很小的時(shí)候便出現(xiàn)了較大的變形，主要原因是試樣在高溫狀態(tài)下受水表面發(fā)生了不規(guī)則的凸出變形，試驗(yàn)機(jī)施加的壓力作用在凸出表面使得接觸面積變小，相應(yīng)承受的壓強(qiáng)就大。

2.3 恒溫條件下黏土磚破碎率分析

黏土磚試樣破碎率α是指其在外部荷載作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞或破損，分裂成多個(gè)更小顆粒。顆粒破碎會(huì)引起磚體內(nèi)部固有結(jié)構(gòu)的改變，從而影響其物理力學(xué)性質(zhì)。從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，黏土磚試樣(土體顆粒)本身是不可壓縮和破碎的，其變形是孔隙中氣和水的排出和顆粒的重組，摩擦和滑移是其強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)。但實(shí)際上黏土磚在受到高于自身強(qiáng)度的應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生部分或整體破碎。圖6給出了黏土磚試樣在不同條件下的破碎率-恒溫時(shí)間曲線。

圖6 恒溫1 000 ℃不同噴水情況下的破碎率-恒溫時(shí)間曲線

從圖6可看，在試驗(yàn)條件下，試樣的破碎率是隨著恒溫時(shí)間的增加而增大的，在相同恒溫時(shí)間下噴水量越大試樣的破碎率就越大，不噴水試樣在恒溫60min條件下的破碎率(α=0.584 49)高于噴水100mL試樣在恒溫30min條件下的破碎率(α=0.535 68)，這說(shuō)明恒溫時(shí)間越長(zhǎng)可能產(chǎn)生更多的裂隙與缺陷，這是造成該類(lèi)試樣破碎率較高的主要原因，黏土磚試樣的破碎率隨恒溫時(shí)間和噴水量的增大而增加。

3 結(jié)論

實(shí)心黏土磚在高溫環(huán)境下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，其所能承受的壓力隨著溫度、恒溫時(shí)間的增加而減?。徊煌臒乒に嚭蜔茰囟壬a(chǎn)的黏土磚強(qiáng)度不盡相同，“黑心”磚強(qiáng)度最大，耐火性能最好。本文在高溫條件下模擬消防射水，其抗壓性能顯著下降，產(chǎn)生了少量碎片和更多的裂隙與缺陷，得出碎片率值越大其自身的物理力學(xué)性質(zhì)就越差，產(chǎn)生碎片時(shí)表明黏土磚本身已經(jīng)失去了最佳的力學(xué)性能。黏土磚在高溫條件下進(jìn)行快速冷卻抗壓性能的顯著變化，給火災(zāi)條件下進(jìn)行消防射水提出新的課題。為了完善實(shí)心黏土磚在高溫環(huán)境下的各種數(shù)據(jù)資源，還需要進(jìn)一步的研究和探討關(guān)于黏土磚以及黏土磚建筑在特定條件下的諸多變化規(guī)律。

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[2] 魏平安.衡州大廈是怎樣倒塌的[J].建筑知識(shí),2004,(1):8-10.

[3] 黃質(zhì)宏,朱立軍,廖義玲,等.不同應(yīng)力路徑下紅粘土的力學(xué)性能[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(15):2599-2603.

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

An Experimental Study on the Influence of Water Jetting upon the Load-carrying Ability of Hot Clay Brick

QIU Jingtong, ZHOU Xin

(BinhaiNewAreaMunicipalFireBrigade,Tianjin300457,China)

The paper briefly reviewed the current situation of the buildings which have solid brick walls as the main load-carrying structure in China. The experiment is carried out to study and analyze how the brick construction resists a pressure under a fire-water sprinkling and high temperature. Compared with the different conditions, the experimental test shows that the structure and the resistibility of the clay brick changes dramatically with a constant fire-water sprinkling and increased temperature, which provides some basic data for relative studies.

clay brick; fire-water sprinkling; crushing rate; load-carrying ability

2015-03-11

邱景通(1982— )，男，河北黃驊人，助理工程師； 周昕(1986— ),女，天津武清人。

TU317;D631.6

A

1008-2077(2015)08-0014-05