砌體結構高溫性能研究進展

張 晉 許清風 章東昊 李維濱 王卓琳

(1.東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室,南京 210096;2.上海市建筑科學研究院上海市工程結構安全重點實驗室,上海 200032)

0 引 言

目前,砌體結構建筑的數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。這些因素不僅增加了砌體建筑發生火災的頻率,也使得砌體建筑發生火災后的危害更加嚴重。火災發生后,盡管砌體結構本身不會燃燒,但塊體和砂漿在高溫下的力學強度會明顯降低,極易引起結構破壞,房屋垮塌,甚至造成人員傷亡。

近年來隨著生產工藝的進步,除了最初的燒結黏土實心磚,又相繼出現頁巖多孔磚、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展了砌體結構[1],使得砌體結構在將來仍有一席之地。目前國內外對砌體結構的高溫性能已經開展了一系列研究,并取得一定的成果,但仍不夠全面。因此本文系統地總結了砌體高溫性能研究的已有成果,并以圖表的方式進行了對比,直觀地展示出各方研究的異同,為今后更進一步的研究提供參考和思路。

1 砌體結構的高溫性能特點

根據現有的試驗和理論研究成果[2-5]以及工程實踐經驗,砌體結構的高溫(火災)下性能與常溫下的性能有很大的差異,具體特點有:

(1) 內部溫度場分布。砌體結構的熱傳導系數很小,結構受火后表面溫度迅速升高,而內部的溫度增長緩慢,再加上砂漿和塊體的導熱能力有差異,砌體結構內部形成了不均勻的溫度場,且溫度場隨著火災時間的延續也會不斷發展變化。

(2) 材料性能。高溫(火災)下,塊體和砂漿的強度值與彈性模量值將減小,變形增大,材料性能嚴重劣化。砌體結構相繼出現開裂、酥松剝落等外觀損傷現象,并隨著溫度的升高而漸趨嚴重。

(3) 應力-應變-溫度-時間的耦合作用效應。溫度值和持續時間都會對材料的力學性能參數造成影響。高溫-力學本構關系中,必須考慮應力-應變-溫度-時間的耦合作用效應。

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

2 高溫下砌體結構的熱工性能

目前,國內對這高溫下砌體結構的熱工性能的研究很少,本節多參考國外研究成果,分別介紹塊體、砂漿兩種材料的高溫熱工性能。

2.1 高溫下塊體的熱工性能

塊體的熱工性能包括比熱c、熱傳導率λ和密度三個方面。影響塊體高溫下熱工性能的因素有很多[5-6]:①當溫度達到100 ℃～120 ℃時,塊體內部的水分蒸發,將對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生的物理化學變化也各有不同;③相比于實心磚,多孔磚內部有許多孔洞的存在,使傳熱過程變得更為復雜。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,各學者和機構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。研究表明[7],在塊體的加熱過程中,當溫度小于95 ℃時,c基本不變;溫度在95 ℃～105 ℃時,由于塊體內的水分開始大量蒸發,吸收大量的熱量,使c陡增達到峰值;溫度升到200 ℃左右時水分基本蒸發完畢,c迅速回落至常溫數值附近;溫度繼續上升,雖然塊體材料會因物化反應吸收熱量,但吸收熱很少,可以看作不影響c。

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

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熱傳導率λ

影響熱傳導率的原因有很多,例如:當溫度上升時,塊體內部物質會發生物理化學變化;對于有孔洞的多孔磚來說,高溫下其會產生空腔輻射,從而改變整個多孔磚的λ[11]。Nguyen等[6]通過熱學試驗發現,300 ℃以下時,黏土磚的λ基本沒有變化;隨著溫度繼續上升,由于黏土高溫的物化反應使λ發生下降;等溫度超過800 ℃,黏土磚膨脹使磚內部的空隙增多,造成空隙內的熱輻射傳熱,又會增強黏土磚的傳熱能力,λ值上升(λ-T曲線見圖2)。Pavlík,Jerman等[12]研究發現,在多孔磚孔洞內填充聚苯乙烯、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]認為,火災下輕集料混凝土砌塊表面會被蒸發的水汽覆蓋,從而導致產生一個隔熱層,減少λ;溫度高于800 ℃后,λ趨于穩定,其規律與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,考慮到砌體結構多數情況是受力的,在火災下容易出現破損裂紋,從而使熱量容易傳導至內部,所以溫度升高到200℃后,λ取了一個較大的偏安全值,見圖2。(圖中相對熱傳導率系數,為溫度T時λT與20 ℃時λ20的比值)

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

2.1.3密度

由于塊體中的水分會隨著溫度的升高而蒸發,故當溫度高于100 ℃后,塊體的質量會略有下降。Bidoung等[14]試驗對比了黏土磚在200 ℃、400 ℃和600 ℃下的質量損失和密度變化,發現黏土磚的質量損失不明顯。EN 1996-1-2[8]規定在進行構件溫度響應分析時,可認為黏土磚和輕集料混凝土砌塊的密度與溫度無關,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與塊體有許多相似之處,而熱傳導率則有所不同,砂漿內部水分的蒸發同樣是影響砂漿熱工性能的重要因素,砂漿受熱發生的物理化學反應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熱傳導率λ

Nguyen等[9-10]也對高溫下砂漿的熱傳導率進行過試驗研究,發現在溫度小于100 ℃時,λ幾乎沒有變化;當溫度在100 ℃～200 ℃時,λ開始持續下降,下降至原數值的80%;隨著溫度繼續上升,λ繼續下降,但下降速率緩慢,最終趨近原數值的50%～60%,如圖4所示。

圖4 砂漿熱傳導率隨溫度變化曲線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,當溫度超過100 ℃后,砂漿的密度會略有減少,一般減少50～100 kg/m3。EN 1996-1-2[8]認為在進行構件溫度響應分析時,可認為砂漿的密度與溫度無關,取其常溫密度值即可。

3 砌體結構的高溫力學性能

一般來說,砌體的高溫力學性能指標主要有抗壓強度、抗剪強度、彈性模量和應力-應變關系等,各項性能隨溫度升高,都有不同程度的劣化,最終都接近衰竭,難以再加利用。

本節結合國內外現有的規范、試驗和理論研究等,從高溫下和高溫冷卻后兩方面介紹砌體結構的力學性能。為便于對各研究成果之間的數據進行整理和比較,本節對重要參數進行統一的符號規定,詳見表1。

表1砌體結構的重要參數符號表

Table 1Significant parameters of masonry

注:表中符號在T溫度下的屬性,增加下標“T”即可

3.1 抗壓強度

盡管國內外對砌體的高溫抗壓強度進行了很多的研究,但是其結果往往都會有所差異,使得目前國內外并未形成一個統一的公式,更多的是對試驗數據的處理,從而給出強度的折減系數。另外高溫下構件力學參數的量測對設備要求較高,所以國內學者多數進行了高溫冷卻后的抗壓強度試驗研究。

3.1.1高溫下的抗壓強度

Fu等[17]和Djaknoun等[18]通過研究分別給出了不同成分的水泥砂漿抗壓強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度隨溫度變化的曲線,詳見圖5。研究發現,在低溫階段,因為材料成分、試件尺寸、加熱條件和環境濕度等因素的不同,會導致抗壓強度隨溫度變化趨勢的不一致;當溫度超過500 ℃后,抗壓強度普遍下降。歐規EN 1996-1-2[8]認為黏土磚的抗壓強度隨溫度上升持續下降,而輕集料混凝土砌塊的抗壓強度則會有少許上升,待到400 ℃后才開始下降;相比塊體,砂漿的抗壓強度隨溫度下降得很快,在300 ℃～400 ℃時幾乎下降了50%。

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

3.1.2高溫冷卻后的抗壓強度

高溫冷卻后的抗壓強度,既是高溫(火災)后結構的剩余強度。

影響高溫(火災)冷卻后砌體結構剩余強度的因素有很多,除了構成材料自身的特性,主要還包括受熱的最高溫度、升溫速率、加熱持續時間和冷卻方式等。國內外學者為了揭示高溫(火災)后砌體結構剩余強度的變化規律,分別著手研究了砂漿、塊體和整體砌體構件的剩余強度,但由于過多的影響因素和砌體構件構成材料的復雜性,因此國內外并未形成一套成熟的理論計算方法,多是基于對試驗的歸納和分析。

商景祥等[19]采用IOS834標準升溫曲線,研究了多種砂漿試件在受火不同時間后的抗壓強度。研究表明,受火相同時間時,不同種類不同強度的砂漿抗壓強度下降程度基本相近,如圖6所示。

苗生龍等[4]對不同溫度后黏土磚砌體構件的抗壓強度進行了試驗,得到了黏土磚砌體強度隨溫度變化的規律,并結合國內現有的黏土磚砌體結構的抗壓強度計算公式,給出了對應溫度下剩余強度的計算方法,見式(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度的折減系數;φ2為不同溫度砂漿抗壓強度的折減系數;k1,α和k2為《砌體結構設計規范》(GB 50003—2011)[20]附錄B中系數。

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

Russo等[2]通過細致的試驗,研究了黏土磚砌體受熱冷卻后的力學性能。試驗不僅進行了砌體整體構件的力學性能研究,還將構件所用的黏土磚和砂漿進行了力學性能測試,分別得到了各自樣本強度隨溫度變化的曲線,如圖7和公式(2)所示。其試驗的結果也可以更好地展現材料強度和整體構件強度的關系。

(2)

從圖7中可以注意到,砌體構件的剩余承強度在300 ℃時會有所上升,這和砂漿的剩余強度變化趨勢是一致的;并且黏土磚砌體構件剩余強度的下降程度,是小于其組成材料黏土磚和砂漿;通過和參考資料的對比,發現砌體構件受熱的最高溫度和最高溫度持續時間都是影響剩余強度的重要因素,但是受熱的最高溫度對構件的抗壓強度劣化起到決定性的作用。

Cülfik等[21]分別研究了受火最高溫度(Tmax)、最高溫度持續時間(tmax)和升溫速率(vT)三個參數對砂漿剩余強度的影響。如圖8所示,圓形數據點曲線的參數為基礎,分別改變增大tmax或減小vT兩個參數,得到三角形和方形數據點曲線。對比后可以發現,更大的tmax或更小的vT都減小了砂漿試件的剩余抗壓強度;另外得到了和多數資料一致結論,Tmax對強度劣化的影響最大,tmax次之,vT的影響較小。

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

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

Karahan[22]對砂漿高溫后剩余強度與冷卻方式的關系進行了試驗研究,發現同升溫速率一樣,不同的降溫速率(通過鼓風控制)對砂漿試件的剩余承載力影響不大,但噴水冷卻會造成砂漿強度的明顯下降,如圖9所示。

3.2 彈性模量

同抗壓強度相似,高溫(火災)作用會造成砌體結構的彈性模量變化,水分的蒸發、高溫下材料的物理化學反應等都會影響到砌體結構的剛度。

3.2.1高溫下的彈性模量

在目前收集到的文獻數據中[2-3,8,17,23],砌體結構的彈性模量隨著溫度上升一般呈下降趨勢,詳見如圖10所示。在力學上最直觀的體現就是,塊體和砂漿受熱后會產生微小的裂紋,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,且下降趨勢呈線性。但是對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]的數據顯示在200 ℃～750 ℃時,黏土磚的彈性模量出現了上升,之后開始急劇下降;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]認為這應該是由于所使用黏土磚的化學和物理特性不同所造成的,同時黏土磚的燒結溫度也會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]對黏土磚砌體構件、黏土磚和砂漿進行了高溫冷卻后的彈性模量測定,詳見圖11(a),并根據試驗結果歸納了黏土磚砌體構件彈性模量與溫度的經驗公式(3)。從給出的資料可以看出,黏土磚和黏土磚砌體構件的彈性模量隨溫度變化的趨勢基本一致,在溫度低于300℃時,兩者受熱冷卻后的彈模會有一定上升。這一現象在Russo等[24]對古建筑受火后力學性能的研究中也有所體現。但多數國內外文獻[5,21,25]顯示了黏土磚砌體構件的彈性模量隨溫度上升而持續下降,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 應力-應變關系

砌體構件在高溫下和高溫冷卻后,雖然抗壓強度、彈性模量等力學參數會有所不同(高溫冷卻后的力學性能會下降得更多[5]),但是均呈脆性破壞。國內外許多學者和機構,都通過研究建立了塊體、砂漿和砌體構件在不同溫度下的本構模型。

3.3.1高溫下的應力-應變關系

現有的研究數據顯示:不論在常溫還是高溫下,黏土磚的應力-應變曲線在上升段(達到峰值應力前)幾乎呈線性發展;下降段時應力則迅速降到0,呈現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關系計算模型,如圖12(a),(b)所示。Nguyen等[6]通過試驗測得的黏土空心磚不同溫度下應力-應變上升段曲線,也符合線性增長的規律,很好地驗證了EN 1996-1-2提出的黏土磚本構模型,如圖12(c)所示。

圖12 高溫下塊體和砂漿受壓應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain relationships of brick and mortar at different temperatures

3.3.2高溫冷卻后的應力-應變關系

Russo等[2]、Sciarretta[27]通過多次試驗,對不同溫度冷卻后的黏土磚砌體構件及組成材料進行了力學研究。試驗數據顯示:①即使加熱溫度只有300 ℃,應力-應力的曲線也發生了一定的變化;②不同溫度的應力-應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別,如圖13所示。當應力下降到峰值應力的一半時,不同溫度冷卻后對應的極限應變差距很大,300 ℃和600 ℃的極限應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件抗壓強度和彈性模量的下降,尤其是在600 ℃時。

Sciarretta[27]又在上述兩人試驗研究的成果上,總結出圖13的本構關系表達式,分為初始彈線性上升段、非彈性上升段和下降段,σ-ε關系見式(4)-式(6)。

圖13 不同溫度冷卻后的應力應變關系曲線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,國內外學者已經對砌體結構的高溫熱工性能(包括比熱、熱傳導率和密度)和高溫力學性能(抗壓強度、彈性模量和應力-應變關系)進行了大量研究,取得了一定成果,但并未形成統一的計算方法,各方試驗結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出很好的規律性,影響其變化的主要因素為100 ℃左右時材料內部水分的蒸發。與之相反,砌體材料的熱傳導率隨溫度變化的關系則沒有一個統一趨勢,所以仍需進行更深入的研究,以確定影響其數值大小的決定因素。

(2) 力學性能方面:總體來說,隨著溫度的上升,砌體結構的力學性能均趨于降低,但不同類型砌體材料的下降過程又各有不同。隨著各種類型多孔磚和新型材料磚體的廣泛應用,目前的研究成果已經無法滿足砌體結構發展的需要,所以本文在此給出砌體的高溫力學性能研究狀態,見表2,為今后的砌體結構高溫力學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性能研究狀態

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

注:“*”表示歐規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度、彈性模量和應力-應變關系等數據