石材貼覆混凝土梁試體火害承載行為研究

張　茜，曾昭蓉，念紅芬

(攀枝花學(xué)院,攀枝花　617000)

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石材貼覆混凝土梁試體火害承載行為研究

張茜，曾昭蓉，念紅芬

(攀枝花學(xué)院,攀枝花617000)

摘要：本試驗(yàn)研究各種石材在各種火害的情況下，石材對混凝土的保護(hù)效果，石材施工方法使用濕式貼法，溫度則考慮常溫(25℃)以及火害溫度500℃、700℃與900℃，火害延時(shí)皆為30 min。然后以25頓MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土梁四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，火害溫度500℃、700℃與900℃后，無論任何石材貼覆之混凝土梁強(qiáng)度皆高于火害后的純混凝土梁。

火害; 混凝土梁; 石材; 抗彎試驗(yàn)

1　引　言

石材對于建筑的應(yīng)用已有數(shù)千年的歷史，不論在古代西方或是東方皆有運(yùn)用的案例，例如西方的埃及金字塔、羅馬神廟、歐洲古城等；東方的陵墓、萬里長城、石橋等建筑，在石材的運(yùn)用上相較于其他建材其硬度、耐火、耐久、耐酸堿及保存等各方面均有其優(yōu)勢。

隨著近代建筑工業(yè)進(jìn)步，崗石建筑興起，人們生活質(zhì)量逐漸提高，相對于居住環(huán)境質(zhì)量有較高的要求，與多樣性的選擇，因此石材制品逐漸成為熱門的建筑材料。就建筑上石材的種類而言，主要可以分為火成巖類、沉積巖類、及變質(zhì)巖類等，以目前商業(yè)上常見的石材可分為花崗石、大理石、砂巖及板巖。而在石材使用上亦有越來越多的趨勢，石材在建筑的使用主要為貼覆在混凝土構(gòu)件表面，當(dāng)建筑物遭遇火害時(shí)，石材貼覆之混凝土構(gòu)件的承載行為，石材防火性能以及火災(zāi)后的建筑物安全性將成為重要的研究探討重點(diǎn)。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)規(guī)劃

探討不同石材對混凝土梁所產(chǎn)生的保護(hù)效果，然后針對混凝土梁試體做四點(diǎn)抗彎測試。本實(shí)驗(yàn)共制作39支混凝土梁試體；試體尺寸為：15 cm×15 cm×53 cm，試體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為210 。

本實(shí)驗(yàn)選石材進(jìn)行研究，分別為銹石、印度黑、玉石與珍珠白等四種石材；溫度常溫25℃，火害溫度500℃、700℃與900℃火害延時(shí)30 min[1]。

試體類別編號所表示：試驗(yàn)批數(shù)、試體種類、火害溫度，表1，銹石以A表示；印度黑以B表示；玉石以C表示；珍珠白以D表示；最后將火害后的混凝土梁做四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)。

表1　混凝土梁試體整體編號規(guī)劃表

2.2試驗(yàn)試體

三項(xiàng)試驗(yàn)方法說明如下。

(1)未包覆石材也未火害混凝土梁四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)：一般混凝土梁的強(qiáng)度會影響火害后試體的抗彎及抗剪強(qiáng)度，為充分掌握每一批灌制混凝土抗壓強(qiáng)度；

(2)未包覆石材火害后混凝土梁四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)：本試驗(yàn)共進(jìn)行了三種不同的溫度分別為500℃、700℃及900℃進(jìn)行火害試驗(yàn)[2]，為了解不同石材對于混凝土的保護(hù)效果；

(3)不同石材包覆混凝土梁火害后四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)：將各類石材包覆混凝土梁進(jìn)行500℃、700℃與900℃高溫火害試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)儀器與設(shè)備

(1)澆灌試驗(yàn)混凝土梁所需的器具包括：沙錐、木模、鋼尺、小鏟、搗棒及墁刀等；(2)電子磅秤；(3)混凝土試體模；(4)水泥攪拌機(jī)；(5)空氣壓縮機(jī) ；(6)石材；(7)高溫爐；(8)250 kN MTS 動態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)由控制器所附Teststar及Testware軟件來操控，而試驗(yàn)程序可依需要設(shè)定為載重控制或位移控制。試驗(yàn)機(jī)所配備的250 kN 荷重計(jì)、位移感應(yīng)器及試驗(yàn)外加裝置的讀數(shù)可經(jīng)由 Testware 軟件的設(shè)定來做資料擷取工作[3]。

2.4試驗(yàn)程序與方法

(1)梁試體模板制作；(2)拌合混凝土；(3)進(jìn)行工作性試；(4)澆置混凝土試體；(5)養(yǎng)護(hù)混凝土梁試體；(6)混凝土梁試體與石材貼覆面表面清潔；(7)調(diào)配益膠泥；(8)貼覆前益膠泥打底；(9)貼覆石材

2.4.1高溫火害試驗(yàn)

將本試驗(yàn)混凝土梁試體放入高溫爐前，先將高溫爐溫度控制設(shè)定至本試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)500℃、700℃及900℃，啟動高溫爐并加溫至預(yù)定溫度再延時(shí)30 min，然后關(guān)閉高溫爐電源，打開爐門將其溫度降至室溫后再取出試體[4]。

2.4.2四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)

將火害后混凝土梁試體取出后拆除表面石材再以石膏蓋帄，試驗(yàn)時(shí)所有梁均為簡支承并在中點(diǎn)處施放兩對稱的集中載重，完成后設(shè)定Teststar 軟件，將250 kN MTS 動態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行暖機(jī)作業(yè)，待暖機(jī)完成后再將混凝土梁放上250 kN MTS 動態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，等試驗(yàn)完成后將Teststar所產(chǎn)生的四點(diǎn)抗彎數(shù)據(jù)以表格方式整理成為本論文中所表示的參考數(shù)據(jù)并繪圖[5]。

2.4.3含水量試驗(yàn)

將銹石、印度黑、玉石及珍珠白等四種石材切割成相同尺寸，放入高溫爐中控制溫度至100℃時(shí)間設(shè)定為24 h，進(jìn)行水分烘干試驗(yàn)，取出后置于電子磅秤上量測其重量，并依序記錄各類石材重量，量測完畢后將石材靜置于水中24 h，取出后將石材表面擦干再置于電子磅秤上量測其重量，再依序記錄各類石材重量[6]。

3　結(jié)果與討論

3.1第一次試驗(yàn)及第二次試驗(yàn)混凝土梁試體貼覆后火害前后外觀的觀察

將混凝土梁包覆銹石、印度黑、玉石及珍珠白后以高溫爐進(jìn)行高溫火害試驗(yàn)后觀察外觀發(fā)現(xiàn)，火害溫度達(dá)500℃、700℃時(shí)混凝土試體表面外觀并無太大變化，而火害溫度達(dá)900℃時(shí)混凝土外觀呈現(xiàn)灰黑色，比一般混凝土梁顏色較深混凝土梁包覆玉石時(shí)，火害溫度達(dá) 500℃、700℃時(shí)試體外觀亦無太大變化，而火害溫度達(dá) 900℃時(shí)試體外觀已完全崩毀。

表2　第一次及第二次試驗(yàn)混凝土梁未火害試體的抗彎強(qiáng)度

3.2第一次試驗(yàn)及第二次試驗(yàn)無包覆石材混凝土梁試體火害后承載行為

本試驗(yàn)使用25噸MTS 材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)所有梁試體均為簡支承，并在梁試體中央處架設(shè) LVDT 分別置于試體的兩側(cè)量測位移，載重則以25噸MTS 材料試驗(yàn)機(jī)量測即可，試驗(yàn)后可知未受火害混凝土試體帄均載重為 25.66 kN；帄均彎矩強(qiáng)度為2.05 kN·m，如表2所示；混凝土試體火害溫度達(dá)500℃時(shí)，試驗(yàn)后可知混凝土試體帄均載重為13.75 kN；帄均彎矩強(qiáng)度為1.1 kN·m，如表3所示；未包覆混凝土梁試體火害溫度達(dá)700℃、900℃時(shí)，因試體嚴(yán)重?fù)p壞無法進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，故無法得知混凝土試體帄均彎矩強(qiáng)度。

表3　第一次及第二次試驗(yàn)混凝土梁火害 500℃試體的最大抗彎強(qiáng)度

3.3第一次試驗(yàn)及第二次試驗(yàn)混凝土梁試體貼覆不同石材的火害后承載行為

銹石、印度黑、玉石及珍珠白等四種不同石材混凝土試體500℃、700℃及900℃火害后使用25噸 MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)的結(jié)果探討，試驗(yàn)時(shí)所有梁試體均為簡支承，并在梁試體中央處架設(shè)LVDT分別置于試體的兩側(cè)量測位移，載重則25 噸MTS材料試驗(yàn)機(jī)量測得出。經(jīng)由計(jì)算得到該梁的彎矩強(qiáng)度，并根據(jù)兩次試驗(yàn)的帄均彎矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷其趨勢，試體破壞模式皆為混凝土梁脆性破壞，各梁試體在不同溫度下的承載行為由表3可知500℃火害后試體做四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，由表4可知700℃火害后試體做四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，由表5可知900℃試體火害后做四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)。

表4　第一次及第二次試驗(yàn)混凝土梁火害700℃試體的最大抗彎強(qiáng)度

表5　第一次及第二次試驗(yàn)混凝土梁火害 900℃試體的最大抗彎強(qiáng)度

3.4第一次試驗(yàn)及第二次試驗(yàn)混凝土梁試體與貼覆石材的混凝土梁試體火害后承載行為

比較針對500℃、700℃及900℃火害后試體無貼覆石材與貼覆銹石、印度黑、玉石及珍珠白等四種不同石材的四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)所得最大抗彎載重?cái)?shù)據(jù)做表格分析和判斷其趨勢。

3.5第三次試驗(yàn)混凝土梁試體與貼覆石材的混凝土梁試體火害厚彎矩及撓度影響分析

第三次試驗(yàn)的混凝土梁試體載重與撓度影響 如表6所示。

表6　第三次試驗(yàn)的混凝土梁試體載重與撓度

3.6石材含水量試驗(yàn)

不同石材的含水量試驗(yàn)結(jié)果見表7，由此可推論石材含水量若越高，表示孔隙越大，其火害保護(hù)效果越差，銹石、印度黑及玉石含水量相當(dāng)，故保護(hù)效果也相當(dāng)。

表7　不同石材的含水量試驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)　論

(1)混凝土梁在四點(diǎn)抗彎破壞過程中發(fā)現(xiàn)混凝土梁皆為張力脆性破壞;

(2)火害溫度500℃、700℃與900℃后，無論任何石材貼覆的混凝土梁強(qiáng)度皆高于火害后的純混凝土梁;

(3)試驗(yàn)所使用之混凝土梁為前人所留下之試體，因試體存放時(shí)間久遠(yuǎn)，故并未進(jìn)行防爆處理，推測試驗(yàn)時(shí)有部分混凝土梁內(nèi)部仍存在少許水分，而造成火害試驗(yàn)時(shí)試體出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象;

(4)整體而言，貼覆銹石的混凝土梁試體在各溫度下能有相當(dāng)好的保護(hù)效果;

(5)石材含水量越高，表示石材孔隙越大，高溫火害較容易直接對混凝土造成傷害，故石材含水量越高火害保護(hù)效果相對較差。

[1]闞前華等編著.ANSYS高級工程應(yīng)用實(shí)例分析與二次開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2006:12-14.

[2]劉濤,楊鳳鵬主編.精通ANSYS[M].清華大學(xué)出版社,2002：78-79.

[3]宋玉普編著.多種混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則[M].中國水利水電出版社,2002：65-66.

[4]凌光榮,岳建偉,張錫治.火災(zāi)時(shí)有防火保護(hù)層的鋼管混凝土柱溫度場分析及實(shí)用計(jì)算方法研究[J].天津建設(shè)科技,2002，(04)：23-26.

[5]韓林海,徐蕾.帶保護(hù)層方鋼管混凝土柱耐火極限的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2000，(06)：43-45.

[6]徐蕾,韓林海.方形截面鋼管混凝土溫度場的非線性有限元分析[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1999,(05)：51-54.

Behavior of Concrete Beams Carrying the Fire Victims Specimen with Stone Veneer Cladding

ZHANG Qian,ZENG Zhao-rong,NIAN Hong-fen

(Panzhihua University,Panzhihua 617000,China)

The test study of various kinds of stone in the case of fire victims,stone protective effect of concrete,stone construction method using a wet paste method,the temperature is considered normal temperature (25℃) and thermal damage temperature 500℃,700℃ and 900℃ fire victims are all 30 min delayed. Then 25 Dayton MTS material testing machine concrete beam four-point bending test,the results showed that the fire damage temperature 500℃,after 700℃ and 900℃,regardless of any concrete beam intensity stone veneer cladding of the fire victims are higher than the pure concrete beam.

fire damage;concrete beams;stone;bending test

張茜(1981-),女，講師.主要從事建筑材料建筑節(jié)能方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0432-05