消防射水對熾熱黏土磚抗壓性能影響的試驗研究

邱景通，周 昕

(天津濱海新區消防支隊，天津 300457)

消防射水對熾熱黏土磚抗壓性能影響的試驗研究

邱景通，周 昕

(天津濱海新區消防支隊，天津 300457)

簡要介紹我國以實心黏土磚墻為主要承重體系的建筑使用現狀。針對其在火災中失去承載能力而倒塌的情況，對黏土磚試樣在高溫條件下模擬消防射水試驗，分析高溫和消防射水對黏土磚抗壓性能的影響因素，得出黏土磚在不同試驗條件下抗壓性能的變化規律，為我國黏土磚建筑結構在高溫、消防射水條件下抗壓性能的研究提供一些基礎性的數據支持。

黏土磚；消防射水；破碎率；抗壓性能

0 引言

目前我國農村房屋及鄉鎮企業廠房等采用的幾乎都是磚混結構建筑體系，半數以上該類建筑為20世紀80～90年代建造，使用期限較長，磚混結構作為承重體系其強度已發生了變化，一旦發生火災，黏土磚在高溫下的力學性能會發生巨大變化，直至酥軟解體而喪失承載力，滅火用消防射水也會加速建筑物在短時間內倒塌。理論上,用水泥砌筑的普通黏土磚實心墻，屬于不燃燒體，耐火極限為2～3 h。實踐證明，在火災情況下，磚混結構的樓宇會發生復雜的變化，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表明，黏土磚在前5 min的吸水量相當于其在48 h內吸水量的80%[1])，而普通實心黏土磚的耐火性能很低，在火災的高溫狀態下遇冷水會迅速開裂，酥軟解體，逐漸喪失承載能力，并伴隨著磚表面出現剝裂現象，反復若干次后，黏土磚解體，完全喪失承載能力。在火場上，磚混結構建筑在連續大量消防射水的條件下會加大結構本身的荷載，時斷時續的噴水也將加速磚體的破壞[2]。

早在20世紀50年代，國內有關磚混結構墻體材料(黏土磚)在高溫下失去承載能力的問題就已開始研究，近年來有關這方面研究的文獻較多，但基本上局限于黏土磚的定性分析，有關實心黏土磚應力-變形的關系、溫度-變形的關系以及材料熱物理參數的取值等的研究還很不系統，特別是對于黏土磚在高溫下模擬消防射水的試驗研究更少，無法為磚混結構建筑在火災下承重體系的變化研究提供足夠的基礎性數據。

1 試驗過程

實心黏土磚分青磚和紅磚兩種，本文涉及的紅磚是一種長期被大量生產和廣泛使用的建筑材料，目前廣泛應用于農村房屋及鄉鎮企業廠房等建設中。實心黏土磚的主要成分都是具有很高晶格能的高熔點或高分解溫度的單質或化合物。這些單質或化合物在黏土磚生產或服役過程中能形成穩定的具有優良性能的礦物，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]。國外近幾年主要是針對新型墻體材料，節能新技術、新產品及相關配套產品，節能屋面系統的保溫、隔熱技術與材料，干混砂漿(保溫砂漿)等進行研究，對于黏土磚的試驗研究非常少[4-5]。

本文主要針對磚混結構建筑物，尤其是以實心黏土磚墻為主要承重體系的建筑物，在火災中失去承載能力而倒塌的現狀，對黏土磚試樣在高溫條件下模擬消防射水試驗，分析高溫和消防射水對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心黏土磚試樣(該建筑系磚混結構承重體系)，經切割機加工后制備成規格為110 mm×110 mm×50 mm，標重為1 kg的標準試樣。結合箱式電阻爐、萬能試驗機，對不同溫度、不同恒溫時間、不同消防射水量作用下的黏土磚試樣進行抗壓試驗，分析試驗所得數據和碎片的質量，從而得出黏土磚在不同試驗條件下抗壓性能的變化規律。

1.1 試驗儀器

萬能試驗機，主要參數見表1；箱式電阻爐，主要參數見表2，附帶夾取黏土磚的鐵鉗1把；BX3200H型電子天平，測量精度0.01 g；燒杯，容積200 mL；塑料噴壺，容積500 mL；電動齒輪切割機1臺。

表1 微機控制電液伺服萬能試驗機主要參數

表2 箱式電阻爐主要參數

1.2 試驗材料

實心黏土磚試樣：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(該建筑系磚混結構承重體系)，經切割機加工后制備成規格為110 mm×110 mm×50 mm，標重為1 kg的標準試樣。模擬消防射水材料：自來水，成分與消火栓所提供的水質基本一致。

1.3 試驗措施

1.3.1 常溫加壓

取一塊黏土磚試樣(未噴水)稱其質量M0，利用萬能試驗機對其進行常溫20 ℃下的抗壓試驗，不需要外界加熱，加壓結束后收集壓落的碎片，質量為M2，通過計算得出碎片率X和破碎率α。

式中，M0是加熱前黏土磚試樣的質量(g)；M1是加熱后噴水產生的碎片質量(g)；M2是進行壓斷后產生的碎片質量(g)；X1是加熱后噴水產生的碎片率；X2是進行壓斷后產生的碎片率；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3塊黏土磚試樣的恒溫時間依次為：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，射水之后再利用萬能試驗機對上述三組不同條件下的黏土磚試樣依次進行加壓試驗，黏土磚的應力-應變情況可由萬能試驗機的自動感應系統測得，并輸入電腦主機得出試驗所需數據；碎片率、破碎率的計算同式(1)～式(4)。

2 試驗結果及分析

2.1 常溫下黏土磚試樣的受壓試驗數據分析

在常溫(20 ℃)條件下，直接把試樣放在萬能試驗機的托盤上進行抗壓試驗，在施加壓力較小的階段沒有觀察到外形的變化，隨著外力的不斷增大，受壓試樣開始變形并伴有“咔咔”的聲響，持續一段時間后其承載力達到了峰值，表面發生嚴重變形直至酥軟解體，同時產生了少量碎片。常溫下的數據統計見表3。常溫條件下試樣內部晶格沒有發生太大的變化，圖1給出了本文關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，當壓力值達到653.5kN時，所能承受的壓力急劇減小，磚體本身已接近解體，此時黏土磚本身就已經失去了抵抗外部荷載的能力。

圖1 常溫下試樣的應力-應變曲線

2.2 恒溫下黏土磚抗壓試驗數據分析

試樣在恒定溫度1 000 ℃，不噴水、不同噴水量的條件下在每個恒定時間內(30min、45min、60min)分別進行試驗，數據統計如表4。

2.2.1 溫度、噴水量恒定不同恒溫時間條件下試驗數據的比對分析

1 000 ℃不噴水條件下試驗現象分析：恒溫加熱爐溫度升高到1 000 ℃后，3塊試樣依次恒溫30min、45min、60min，到達規定時間后將試樣放在試驗機托盤上，試樣表面呈鮮紅色；在加壓過程中，試樣外表面開始變形并不時發出“咔咔”的聲響；當壓力升高到一定值后，試樣四周開始酥軟解體而失去承載力，產生較多的碎片，圖2～圖4給出了本文關于不同試驗條件下試樣的壓力-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，當所施加的壓力增大到一定程度時，黏土磚失去抵抗能力而酥軟解體；試樣的屈服強度隨恒溫時間的增加而減??；在圖3中恒溫45min的試樣在低于300kN時比恒溫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的試樣的屈服強度也是大于恒溫30min試樣的?？紤]到黏土磚本身的組成成分大體相同，在燒制過程中磚窯中的溫度場不盡相同，導致上述兩塊試樣出現了“黑心”現象，這種磚內核呈黑色，表面依然呈紅色，內部強度比紅心磚要大很多，在恒溫時間較長的情況下“黑心”磚能夠抵抗的壓力就會高于恒溫時間短的試樣。所以黏土磚在高溫條件下屈服強度反而會增大，也是符合實際生產工藝的，若改進燒制工藝使得溫度場一致那么磚混結構建筑抵抗火燒的能力將會大大提高。

圖2 1 000 ℃不噴水情況下的應力-應變曲線

圖3 1 000 ℃噴水100 mL情況下的應力-應變曲線

圖4 1 000 ℃噴水200 mL情況下的應力-應變曲線

2.2.2 溫度、加熱時間恒定噴水量不同條件下試驗數據的比對分析

用燒杯分別量取100mL、200mL水加入噴壺中，恒溫60min時間結束取出試樣后，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；在噴水過程中水有部分滲透到黏土磚試樣中形成水漬，其余的都氣化了，碎片數量較前兩塊試樣多。圖5給出了不同條件下的應力-應變曲線。

圖5 1 000℃恒溫60 min情況下的應力-應變曲線

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

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生結構破壞或破損，分裂成多個更小顆粒。顆粒破碎會引起磚體內部固有結構的改變，從而影響其物理力學性質。從力學角度來說，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，摩擦和滑移是其強度理論的基礎。但實際上黏土磚在受到高于自身強度的應力作用下會發生部分或整體破碎。圖6給出了黏土磚試樣在不同條件下的破碎率-恒溫時間曲線。

圖6 恒溫1 000 ℃不同噴水情況下的破碎率-恒溫時間曲線

從圖6可看，在試驗條件下，試樣的破碎率是隨著恒溫時間的增加而增大的，在相同恒溫時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)，這說明恒溫時間越長可能產生更多的裂隙與缺陷，這是造成該類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間和噴水量的增大而增加。

3 結論

實心黏土磚在高溫環境下內部結構發生突變，其所能承受的壓力隨著溫度、恒溫時間的增加而減??；不同的燒制工藝和燒制溫度生產的黏土磚強度不盡相同，“黑心”磚強度最大，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性質就越差，產生碎片時表明黏土磚本身已經失去了最佳的力學性能。黏土磚在高溫條件下進行快速冷卻抗壓性能的顯著變化，給火災條件下進行消防射水提出新的課題。為了完善實心黏土磚在高溫環境下的各種數據資源，還需要進一步的研究和探討關于黏土磚以及黏土磚建筑在特定條件下的諸多變化規律。

[1] 何水清.空心磚的某些物理性能與墻的功能研究[J].四川建材,2005,(4):11-14.

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

[3] 黃質宏,朱立軍,廖義玲,等.不同應力路徑下紅粘土的力學性能[J].巖石力學與工程學報,2004,23(15):2599-2603.

[4] 楊守生.消防工程專業實驗[M].2003.

[5] 張亞林.磚混危樓綜合檢測與加固處理[J].施工技術,2006,35(S1):173-174.

(責任編輯 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