砌體結(jié)構(gòu)高溫性能研究進(jìn)展

張 晉 許清風(fēng) 章東昊 李維濱 王卓琳

(1.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;2.上海市建筑科學(xué)研究院上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032)

0 引 言

目前,砌體結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量在城市既有建筑工程中仍占很大比例,且普遍存在人員密集、房屋密度大、消防措施落后等特點(diǎn)。這些因素不僅增加了砌體建筑發(fā)生火災(zāi)的頻率,也使得砌體建筑發(fā)生火災(zāi)后的危害更加嚴(yán)重?；馂?zāi)發(fā)生后,盡管砌體結(jié)構(gòu)本身不會(huì)燃燒,但塊體和砂漿在高溫下的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)明顯降低,極易引起結(jié)構(gòu)破壞,房屋垮塌,甚至造成人員傷亡。

近年來(lái)隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,除了最初的燒結(jié)黏土實(shí)心磚,又相繼出現(xiàn)頁(yè)巖多孔磚、煤矸石多孔磚、粉煤灰多孔磚、混凝土多孔磚等,這些都極大地豐富和發(fā)展了砌體結(jié)構(gòu)[1],使得砌體結(jié)構(gòu)在將來(lái)仍有一席之地。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的高溫性能已經(jīng)開(kāi)展了一系列研究,并取得一定的成果,但仍不夠全面。因此本文系統(tǒng)地總結(jié)了砌體高溫性能研究的已有成果,并以圖表的方式進(jìn)行了對(duì)比,直觀地展示出各方研究的異同,為今后更進(jìn)一步的研究提供參考和思路。

1 砌體結(jié)構(gòu)的高溫性能特點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)和理論研究成果[2-5]以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),砌體結(jié)構(gòu)的高溫(火災(zāi))下性能與常溫下的性能有很大的差異,具體特點(diǎn)有:

(1) 內(nèi)部溫度場(chǎng)分布。砌體結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小,結(jié)構(gòu)受火后表面溫度迅速升高,而內(nèi)部的溫度增長(zhǎng)緩慢,再加上砂漿和塊體的導(dǎo)熱能力有差異,砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成了不均勻的溫度場(chǎng),且溫度場(chǎng)隨著火災(zāi)時(shí)間的延續(xù)也會(huì)不斷發(fā)展變化。

(2) 材料性能。高溫(火災(zāi))下,塊體和砂漿的強(qiáng)度值與彈性模量值將減小,變形增大,材料性能?chē)?yán)重劣化。砌體結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)開(kāi)裂、酥松剝落等外觀損傷現(xiàn)象,并隨著溫度的升高而漸趨嚴(yán)重。

(3) 應(yīng)力-應(yīng)變-溫度-時(shí)間的耦合作用效應(yīng)。溫度值和持續(xù)時(shí)間都會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能參數(shù)造成影響。高溫-力學(xué)本構(gòu)關(guān)系中,必須考慮應(yīng)力-應(yīng)變-溫度-時(shí)間的耦合作用效應(yīng)。

(4) 破壞的過(guò)程和形態(tài)。砌體結(jié)構(gòu)在常溫下和高溫下的破壞形式均為脆性破壞。但在高溫下,裂縫發(fā)展更加迅速,破壞過(guò)程也更為短促,破壞后的砌體構(gòu)件變形更大,剝落和碎裂現(xiàn)象更加明顯可見(jiàn)。

2 高溫下砌體結(jié)構(gòu)的熱工性能

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)這高溫下砌體結(jié)構(gòu)的熱工性能的研究很少,本節(jié)多參考國(guó)外研究成果,分別介紹塊體、砂漿兩種材料的高溫?zé)峁ば阅堋?/p>

2.1 高溫下塊體的熱工性能

塊體的熱工性能包括比熱c、熱傳導(dǎo)率λ和密度三個(gè)方面。影響塊體高溫下熱工性能的因素有很多[5-6]:①當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃～120 ℃時(shí),塊體內(nèi)部的水分蒸發(fā),將對(duì)材料的熱工性能有很大影響;②不同材料的塊體在高溫下所發(fā)生的物理化學(xué)變化也各有不同;③相比于實(shí)心磚,多孔磚內(nèi)部有許多孔洞的存在,使傳熱過(guò)程變得更為復(fù)雜。以上種種影響因素,加大了高溫下塊體熱工性能的分析難度,各學(xué)者和機(jī)構(gòu)的研究成果存在一定的出入。

2.1.1比熱c

高溫下塊體的比熱取決于很多因素,最重要的是塊體中水分的蒸發(fā)。研究表明[7],在塊體的加熱過(guò)程中,當(dāng)溫度小于95 ℃時(shí),c基本不變;溫度在95 ℃～105 ℃時(shí),由于塊體內(nèi)的水分開(kāi)始大量蒸發(fā),吸收大量的熱量,使c陡增達(dá)到峰值;溫度升到200 ℃左右時(shí)水分基本蒸發(fā)完畢,c迅速回落至常溫?cái)?shù)值附近;溫度繼續(xù)上升,雖然塊體材料會(huì)因物化反應(yīng)吸收熱量,但吸收熱很少,可以看作不影響c。

EN 1996-1-2[8]給出了多種類(lèi)型的塊體隨溫度變化的比熱曲線(圖1中給出了兩種常見(jiàn)塊體的比熱曲線),Nguyen[6,9,10]等通過(guò)試驗(yàn)研究得到的粘土磚隨溫度變化的比熱曲線,如圖1所示(圖中相對(duì)比熱系數(shù),為溫度T時(shí)cT與20 ℃時(shí)比熱值c20的比值),反映出塊體在100 ℃時(shí),比熱數(shù)值由于水分蒸發(fā)造成的驟然上升。

圖1 塊體比熱隨溫度變化曲線Fig.1 Evolution of heat capacity of brick versus temperature

2.1.2熱傳導(dǎo)率λ

影響熱傳導(dǎo)率的原因有很多,例如:當(dāng)溫度上升時(shí),塊體內(nèi)部物質(zhì)會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化;對(duì)于有孔洞的多孔磚來(lái)說(shuō),高溫下其會(huì)產(chǎn)生空腔輻射,從而改變整個(gè)多孔磚的λ[11]。Nguyen等[6]通過(guò)熱學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),300 ℃以下時(shí),黏土磚的λ基本沒(méi)有變化;隨著溫度繼續(xù)上升,由于黏土高溫的物化反應(yīng)使λ發(fā)生下降;等溫度超過(guò)800 ℃,黏土磚膨脹使磚內(nèi)部的空隙增多,造成空隙內(nèi)的熱輻射傳熱,又會(huì)增強(qiáng)黏土磚的傳熱能力,λ值上升(λ-T曲線見(jiàn)圖2)。Pavlík,Jerman等[12]研究發(fā)現(xiàn),在多孔磚孔洞內(nèi)填充聚苯乙烯、石棉等材料,可以有效降低多孔磚在高溫下的空腔輻射,從而降低λ約50%。Ayala[3]認(rèn)為,火災(zāi)下輕集料混凝土砌塊表面會(huì)被蒸發(fā)的水汽覆蓋,從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)隔熱層,減少λ;溫度高于800 ℃后,λ趨于穩(wěn)定,其規(guī)律與EN1994-1-2[13]給出的曲線一致。EN 1996-1-2[8]同樣給出了粘土材料熱λ隨溫度變化的曲線,考慮到砌體結(jié)構(gòu)多數(shù)情況是受力的,在火災(zāi)下容易出現(xiàn)破損裂紋,從而使熱量容易傳導(dǎo)至內(nèi)部,所以溫度升高到200℃后,λ取了一個(gè)較大的偏安全值,見(jiàn)圖2。(圖中相對(duì)熱傳導(dǎo)率系數(shù),為溫度T時(shí)λT與20 ℃時(shí)λ20的比值)

圖2 塊體熱傳導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.2 Evolution of thermal conductivity of brick versus temperature

2.1.3密度

由于塊體中的水分會(huì)隨著溫度的升高而蒸發(fā),故當(dāng)溫度高于100 ℃后,塊體的質(zhì)量會(huì)略有下降。Bidoung等[14]試驗(yàn)對(duì)比了黏土磚在200 ℃、400 ℃和600 ℃下的質(zhì)量損失和密度變化,發(fā)現(xiàn)黏土磚的質(zhì)量損失不明顯。EN 1996-1-2[8]規(guī)定在進(jìn)行構(gòu)件溫度響應(yīng)分析時(shí),可認(rèn)為黏土磚和輕集料混凝土砌塊的密度與溫度無(wú)關(guān),取其常溫密度值即可。

2.2 高溫下砂漿的熱工性能

高溫下砂漿比熱的變化趨勢(shì)與塊體有許多相似之處,而熱傳導(dǎo)率則有所不同,砂漿內(nèi)部水分的蒸發(fā)同樣是影響砂漿熱工性能的重要因素,砂漿受熱發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)也使砂漿的熱工性能隨溫度上升而變化。

2.2.1比熱c

圖3 砂漿比熱隨溫度變化曲線Fig.3 Evolution of heat capacity of mortarversus temperature

2.2.2熱傳導(dǎo)率λ

Nguyen等[9-10]也對(duì)高溫下砂漿的熱傳導(dǎo)率進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在溫度小于100 ℃時(shí),λ幾乎沒(méi)有變化;當(dāng)溫度在100 ℃～200 ℃時(shí),λ開(kāi)始持續(xù)下降,下降至原數(shù)值的80%;隨著溫度繼續(xù)上升,λ繼續(xù)下降,但下降速率緩慢,最終趨近原數(shù)值的50%～60%,如圖4所示。

圖4 砂漿熱傳導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.4 Evolution of thermal conductivity of mortarversus temperature

2.2.3密度

由于砂漿中自由水分的蒸發(fā),當(dāng)溫度超過(guò)100 ℃后,砂漿的密度會(huì)略有減少,一般減少50～100 kg/m3。EN 1996-1-2[8]認(rèn)為在進(jìn)行構(gòu)件溫度響應(yīng)分析時(shí),可認(rèn)為砂漿的密度與溫度無(wú)關(guān),取其常溫密度值即可。

3 砌體結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能

一般來(lái)說(shuō),砌體的高溫力學(xué)性能指標(biāo)主要有抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等,各項(xiàng)性能隨溫度升高,都有不同程度的劣化,最終都接近衰竭,難以再加利用。

本節(jié)結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的規(guī)范、試驗(yàn)和理論研究等,從高溫下和高溫冷卻后兩方面介紹砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。為便于對(duì)各研究成果之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和比較,本節(jié)對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的符號(hào)規(guī)定,詳見(jiàn)表1。

表1砌體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)符號(hào)表

Table 1Significant parameters of masonry

注:表中符號(hào)在T溫度下的屬性,增加下標(biāo)“T”即可

3.1 抗壓強(qiáng)度

盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)砌體的高溫抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了很多的研究,但是其結(jié)果往往都會(huì)有所差異,使得目前國(guó)內(nèi)外并未形成一個(gè)統(tǒng)一的公式,更多的是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,從而給出強(qiáng)度的折減系數(shù)。另外高溫下構(gòu)件力學(xué)參數(shù)的量測(cè)對(duì)設(shè)備要求較高,所以國(guó)內(nèi)學(xué)者多數(shù)進(jìn)行了高溫冷卻后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

3.1.1高溫下的抗壓強(qiáng)度

Fu等[17]和Djaknoun等[18]通過(guò)研究分別給出了不同成分的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的曲線;Nguyen等[6]、Ayala[3]和EN 1996-1-2[8]研究給出了塊體抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的曲線,詳見(jiàn)圖5。研究發(fā)現(xiàn),在低溫階段,因?yàn)椴牧铣煞?、試件尺寸、加熱條件和環(huán)境濕度等因素的不同,會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度隨溫度變化趨勢(shì)的不一致;當(dāng)溫度超過(guò)500 ℃后,抗壓強(qiáng)度普遍下降。歐規(guī)EN 1996-1-2[8]認(rèn)為黏土磚的抗壓強(qiáng)度隨溫度上升持續(xù)下降,而輕集料混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度則會(huì)有少許上升,待到400 ℃后才開(kāi)始下降;相比塊體,砂漿的抗壓強(qiáng)度隨溫度下降得很快,在300 ℃～400 ℃時(shí)幾乎下降了50%。

圖5 高溫下抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.5 Variation of compressive strength of different samples under high temperature

3.1.2高溫冷卻后的抗壓強(qiáng)度

高溫冷卻后的抗壓強(qiáng)度,既是高溫(火災(zāi))后結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

影響高溫(火災(zāi))冷卻后砌體結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的因素有很多,除了構(gòu)成材料自身的特性,主要還包括受熱的最高溫度、升溫速率、加熱持續(xù)時(shí)間和冷卻方式等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了揭示高溫(火災(zāi))后砌體結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的變化規(guī)律,分別著手研究了砂漿、塊體和整體砌體構(gòu)件的剩余強(qiáng)度,但由于過(guò)多的影響因素和砌體構(gòu)件構(gòu)成材料的復(fù)雜性,因此國(guó)內(nèi)外并未形成一套成熟的理論計(jì)算方法,多是基于對(duì)試驗(yàn)的歸納和分析。

商景祥等[19]采用IOS834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,研究了多種砂漿試件在受火不同時(shí)間后的抗壓強(qiáng)度。研究表明,受火相同時(shí)間時(shí),不同種類(lèi)不同強(qiáng)度的砂漿抗壓強(qiáng)度下降程度基本相近,如圖6所示。

苗生龍等[4]對(duì)不同溫度后黏土磚砌體構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn),得到了黏土磚砌體強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律,并結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的黏土磚砌體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式,給出了對(duì)應(yīng)溫度下剩余強(qiáng)度的計(jì)算方法,見(jiàn)式(1)。

φ1=-6×10-7T2-0.000 3T+1.002 2

10 ℃≤T≤800 ℃

(1)

式中:φ1為不同溫度磚抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù);φ2為不同溫度砂漿抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù);k1,α和k2為《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[20]附錄B中系數(shù)。

圖6 砂漿剩余強(qiáng)度隨受火時(shí)間變化曲線Fig.6 Variation of compressive strength of mortar after fire exposure

Russo等[2]通過(guò)細(xì)致的試驗(yàn),研究了黏土磚砌體受熱冷卻后的力學(xué)性能。試驗(yàn)不僅進(jìn)行了砌體整體構(gòu)件的力學(xué)性能研究,還將構(gòu)件所用的黏土磚和砂漿進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試,分別得到了各自樣本強(qiáng)度隨溫度變化的曲線,如圖7和公式(2)所示。其試驗(yàn)的結(jié)果也可以更好地展現(xiàn)材料強(qiáng)度和整體構(gòu)件強(qiáng)度的關(guān)系。

(2)

從圖7中可以注意到,砌體構(gòu)件的剩余承強(qiáng)度在300 ℃時(shí)會(huì)有所上升,這和砂漿的剩余強(qiáng)度變化趨勢(shì)是一致的;并且黏土磚砌體構(gòu)件剩余強(qiáng)度的下降程度,是小于其組成材料黏土磚和砂漿;通過(guò)和參考資料的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)砌體構(gòu)件受熱的最高溫度和最高溫度持續(xù)時(shí)間都是影響剩余強(qiáng)度的重要因素,但是受熱的最高溫度對(duì)構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度劣化起到?jīng)Q定性的作用。

Cülfik等[21]分別研究了受火最高溫度(Tmax)、最高溫度持續(xù)時(shí)間(tmax)和升溫速率(vT)三個(gè)參數(shù)對(duì)砂漿剩余強(qiáng)度的影響。如圖8所示,圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線的參數(shù)為基礎(chǔ),分別改變?cè)龃髏max或減小vT兩個(gè)參數(shù),得到三角形和方形數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線。對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn),更大的tmax或更小的vT都減小了砂漿試件的剩余抗壓強(qiáng)度;另外得到了和多數(shù)資料一致結(jié)論,Tmax對(duì)強(qiáng)度劣化的影響最大,tmax次之,vT的影響較小。

圖7 試件剩余強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.7 Variation of compressive strength of samples after high temperature exposure

圖8 砂漿試件抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.8 Variation of compressive strength of mortar after high temperature exposure

Karahan[22]對(duì)砂漿高溫后剩余強(qiáng)度與冷卻方式的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)同升溫速率一樣,不同的降溫速率(通過(guò)鼓風(fēng)控制)對(duì)砂漿試件的剩余承載力影響不大,但噴水冷卻會(huì)造成砂漿強(qiáng)度的明顯下降,如圖9所示。

3.2 彈性模量

同抗壓強(qiáng)度相似,高溫(火災(zāi))作用會(huì)造成砌體結(jié)構(gòu)的彈性模量變化,水分的蒸發(fā)、高溫下材料的物理化學(xué)反應(yīng)等都會(huì)影響到砌體結(jié)構(gòu)的剛度。

3.2.1高溫下的彈性模量

在目前收集到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中[2-3,8,17,23],砌體結(jié)構(gòu)的彈性模量隨著溫度上升一般呈下降趨勢(shì),詳見(jiàn)如圖10所示。在力學(xué)上最直觀的體現(xiàn)就是,塊體和砂漿受熱后會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋,造成材料的損傷,降低了其剛度。從圖中可以看出砂漿和輕集料混凝土的彈性模量都是隨著溫度的上升而下降,且下降趨勢(shì)呈線性。但是對(duì)于黏土磚彈性模量隨溫度變化的情況,EN 1996-1-2[8]和Nguyen等[6]則給出了相互矛盾的曲線。Nguyen等[6]的數(shù)據(jù)顯示在200 ℃～750 ℃時(shí),黏土磚的彈性模量出現(xiàn)了上升,之后開(kāi)始急劇下降;EN 1996-1-2[8]則給出了黏土磚彈性模量隨溫度升高而下降的曲線。Russo等[23]認(rèn)為這應(yīng)該是由于所使用黏土磚的化學(xué)和物理特性不同所造成的,同時(shí)黏土磚的燒結(jié)溫度也會(huì)影響其在高溫下的彈性模量。

圖9 不同冷卻方式下砂漿抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.9 Variation of compressive strength of cement mortar with different cooling regimes

圖10 高溫下彈性模量隨溫度變化曲線Fig.10 Variation of elastic modulus of different samples under high temperature

3.2.2高溫冷卻后的彈性模量

Russo等[2]對(duì)黏土磚砌體構(gòu)件、黏土磚和砂漿進(jìn)行了高溫冷卻后的彈性模量測(cè)定,詳見(jiàn)圖11(a),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果歸納了黏土磚砌體構(gòu)件彈性模量與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式(3)。從給出的資料可以看出,黏土磚和黏土磚砌體構(gòu)件的彈性模量隨溫度變化的趨勢(shì)基本一致,在溫度低于300℃時(shí),兩者受熱冷卻后的彈模會(huì)有一定上升。這一現(xiàn)象在Russo等[24]對(duì)古建筑受火后力學(xué)性能的研究中也有所體現(xiàn)。但多數(shù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[5,21,25]顯示了黏土磚砌體構(gòu)件的彈性模量隨溫度上升而持續(xù)下降,如圖11(b)所示。

(3)

圖11 高溫冷卻后彈性模量隨溫度變化曲線Fig.11 Variation of elastic modulus of different samples after high temperature

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

砌體構(gòu)件在高溫下和高溫冷卻后,雖然抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)會(huì)有所不同(高溫冷卻后的力學(xué)性能會(huì)下降得更多[5]),但是均呈脆性破壞。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和機(jī)構(gòu),都通過(guò)研究建立了塊體、砂漿和砌體構(gòu)件在不同溫度下的本構(gòu)模型。

3.3.1高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)顯示:不論在常溫還是高溫下,黏土磚的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升段(達(dá)到峰值應(yīng)力前)幾乎呈線性發(fā)展;下降段時(shí)應(yīng)力則迅速降到0,呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞形式;而輕集料混凝土砌塊和砂漿的曲線在上升段均呈非線性[17,26],如圖12所示。EN 1996-1-2[8]根據(jù)材料脆性破壞的特征,分別給出了粘土磚和輕集料混凝土砌塊的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算模型,如圖12(a),(b)所示。Nguyen等[6]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的黏土空心磚不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線,也符合線性增長(zhǎng)的規(guī)律,很好地驗(yàn)證了EN 1996-1-2提出的黏土磚本構(gòu)模型,如圖12(c)所示。

圖12 高溫下塊體和砂漿受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain relationships of brick and mortar at different temperatures

3.3.2高溫冷卻后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

Russo等[2]、Sciarretta[27]通過(guò)多次試驗(yàn),對(duì)不同溫度冷卻后的黏土磚砌體構(gòu)件及組成材料進(jìn)行了力學(xué)研究。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:①即使加熱溫度只有300 ℃,應(yīng)力-應(yīng)力的曲線也發(fā)生了一定的變化;②不同溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升段的變化并不明顯,而在下降段則有顯著的區(qū)別,如圖13所示。當(dāng)應(yīng)力下降到峰值應(yīng)力的一半時(shí),不同溫度冷卻后對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變差距很大,300 ℃和600 ℃的極限應(yīng)變分別比常溫下增加了51%和158%;③同樣也可以從圖中看出高溫冷卻后構(gòu)件抗壓強(qiáng)度和彈性模量的下降,尤其是在600 ℃時(shí)。

Sciarretta[27]又在上述兩人試驗(yàn)研究的成果上,總結(jié)出圖13的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式,分為初始彈線性上升段、非彈性上升段和下降段,σ-ε關(guān)系見(jiàn)式(4)-式(6)。

圖13 不同溫度冷卻后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.13 Residual constitutive law for masonry after high temperature exposure

①線彈性上升段0≤ε≤εc0,T:

(4)

②非彈性上升段εc0,T≤ε≤εc,T:

(5)

③下降段εc,T≤ε≤εc2,T:

(6)

4 展 望

綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峁ば阅?包括比熱、熱傳導(dǎo)率和密度)和高溫力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系)進(jìn)行了大量研究,取得了一定成果,但并未形成統(tǒng)一的計(jì)算方法,各方試驗(yàn)結(jié)果離散性較大且部分相互矛盾,所以仍需深入研究。

(1) 熱工性能方面:高溫下砌體材料的比熱和密度呈現(xiàn)出很好的規(guī)律性,影響其變化的主要因素為100 ℃左右時(shí)材料內(nèi)部水分的蒸發(fā)。與之相反,砌體材料的熱傳導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系則沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一趨勢(shì),所以仍需進(jìn)行更深入的研究,以確定影響其數(shù)值大小的決定因素。

(2) 力學(xué)性能方面:總體來(lái)說(shuō),隨著溫度的上升,砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能均趨于降低,但不同類(lèi)型砌體材料的下降過(guò)程又各有不同。隨著各種類(lèi)型多孔磚和新型材料磚體的廣泛應(yīng)用,目前的研究成果已經(jīng)無(wú)法滿足砌體結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要,所以本文在此給出砌體的高溫力學(xué)性能研究狀態(tài),見(jiàn)表2,為今后的砌體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能研究提供思路和參考。

表2高溫下和高溫冷卻后砌體力學(xué)性能研究狀態(tài)

Table 2Research status of mechanical properties of masonry under or after high temperature

注:“*”表示歐規(guī)EN 1996-1-2[28]中提供了高溫下砂漿、輕集料混凝土砌塊和黏土磚的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等數(shù)據(jù)