高溫對黏土磚砌體抗壓強度影響研究進展

鄭文忠，黃文宣，王 英，焦貞貞

(結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090)

火災是高頻災種[1-3]，建筑火災是最常見的火災，2014—2016年中國共發生火災104.5萬起，火災直接財產損失120億元[4-6].砌體主要是由塊材和砌筑漿體砌筑而成的受力構件.塊材主要有黏土磚、石材、混凝土砌塊等.砌筑漿體主要為砂漿，也有用土坯做塊材用泥巴做砌筑漿體的情況.

用混凝土砌塊和砂漿砌筑而成砌體的耐高溫性能可借鑒混凝土結構高溫性能研究的成果進行考察.用土坯和泥巴砌筑而成的砌體目前已很少應用，不做討論.本文在閱讀相關文獻的基礎上，著力對磚砌體的抗火性能研究進展進行論述，包括黏土磚高溫下和高溫后的力學性能、砂漿高溫后的力學性能和磚砌體高溫后的力學性能.基于相關試驗結果，建立了高溫下和高溫后黏土磚抗壓強度折減系數計算公式、水泥砂漿高溫后的抗壓強度折減系數計算公式以及高溫后水泥砂漿和混合砂漿磚砌體抗壓強度折減系數計算公式.對用具有良好耐高溫性能的堿礦渣膠凝材料做砌塊和砌筑漿體的新型砌體的應用前景進行了展望.

1 材料的高溫力學性能

1.1 黏土磚高溫力學性能

1.1.1 資料收集

文獻[7]對普通黏土實心磚和KP1型黏土空心磚進行了高溫下抗壓強度試驗，實心磚和空心磚常溫下抗壓強度分別為37.9和38.3 MPa，升溫速度為6～8 ℃/min，恒溫40 min后進行高溫下抗壓試驗，結果如表1所示.

表1 文獻[7]高溫下黏土磚抗壓強度試驗數據

分析力學性能變化的微觀原因.500 ℃時，高嶺石變成了煅燒高嶺石，孔洞增加，降低了抗壓強度.800 ℃時微結構幾乎沒有變化，但在此溫度下孔結構和玻璃體微結構更易破碎，導致強度大幅下降[11-13].

文獻[8]采用的試件尺寸為112.5 mm×112.5 mm×75 mm，常溫強度為5 MPa.以2 ℃/min的速度加熱到目標溫度恒溫1 h后，進行了高溫下試驗，發現歷經溫度在800 ℃時，抗壓強度是常溫強度的71%.試驗結果如表2所示.

表2 文獻[8]高溫下黏土磚抗壓強度試驗數據

文獻[9]進行了黏土磚的高溫后抗壓強度試驗，常溫強度為19.17 MPa.為了模擬實際火災情況，升溫時間和恒溫時間都盡可能短，并在空氣中自然冷卻，300和600 ℃后黏土磚的殘余強度分別為常溫的80%和60%左右.試驗結果如表3所示.

表3 文獻[9]高溫后黏土磚抗壓強度試驗數據

文獻[10]對強度等級為MU20的黏土磚進行高溫后力學性能研究，試驗只選用了800 ℃以上的3個溫度，在空氣中冷卻后進行抗壓強度試驗.結果表明，875 ℃時抗壓強度只下降5%，898 ℃時下降16%.試驗數據如表4所示.

表4 文獻[10]高溫后黏土磚抗壓強度試驗數據

1.1.2 黏土磚高溫力學性能計算

20 ℃≤T≤1 000 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃.

(1)

圖1 高溫下黏土磚抗壓強度折減系數與T的下包曲線

20 ℃≤T≤600 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃.

(2)

圖2 高溫后黏土磚抗壓強度折減系數與T的下包曲線

在CECS252—2009《火災后建筑結構鑒定標準》[14]中給出了高溫后黏土磚抗壓強度折減系數.根據式(2)計算的高溫后黏土磚抗壓強度折減系數與文獻[14]給出的折減系數如表5所示.文獻[14]認為黏土磚高溫后抗壓強度在經歷溫度不高于700 ℃時不降低.式(2)計算結果表明，黏土磚抗壓強度在100 ℃高溫后就下降，600 ℃高溫后的抗壓強度折減系數為0.562.

1.2 砌筑砂漿高溫力學性能

1.2.1 資料收集

文獻[15]通過對強度等級為M10和M20的水泥砂漿在不同溫度后的抗壓強度進行試驗研究，得到歷經溫度對其高溫后抗壓強度的影響規律.強度等級為M10和M20的水泥砂漿實測常溫強度分別為11.91和23.25 MPa，水灰比w/c分別為1.03和0.79，采用的升溫速率為10 ℃/min，達到目標溫度后，恒溫90 min.結果表明，若歷經溫度不高于300 ℃，高溫后抗壓強度下降較小；若歷經溫度超過450 ℃，高溫后抗壓強度下降明顯，結合水的脫出使得砂漿結構疏松.試驗結果見表6.

表5 高溫后黏土磚抗壓強度計算值與規范值對比

表6 文獻[15]高溫后水泥砂漿抗壓強度試驗數據

文獻[17]研究了強度等級為M30的水泥砂漿高溫后抗壓強度變化規律.水泥砂漿的實測常溫強度為39.0 MPa，水灰比為0.44，采用的升溫速率為3～5 ℃/min，達到目標溫度后恒溫4 h.自然冷卻后進行抗壓強度試驗，結果見表7.

文獻[18]研究了高溫后水泥砂漿抗壓強度的變化規律.水灰比為0.4，砂采用河砂.試驗前先將試件放入烘干箱烘干至恒重，再放入高溫爐內加熱，加熱至目標溫度后恒溫2 h，再自然冷卻至室溫后進行抗壓強度試驗.試驗結果見表8.

表7 文獻[17]高溫后水泥砂漿抗壓強度試驗數據

表8 文獻[18]高溫后水泥砂漿抗壓強度試驗數據

文獻[19]進行了強度等級為M30的水泥砂漿高溫后的力學性能試驗，水灰比為0.38.升溫速率為2 ℃/min，恒溫1 h.自然冷卻后進行抗壓強度試驗，試驗結果見表9.

表9 文獻[19]高溫后水泥砂漿抗壓強度試驗數據

文獻[20]中研究了高溫后水泥砂漿抗壓強度隨溫度的變化規律.加熱時以20 ℃/min的升溫速率升到目標溫度恒溫2 h，自然冷卻至室溫后再進行抗壓強度試驗.研究表明，溫度為200 ℃時，抗壓強度小幅下降，300 ℃時抗壓強度高于常溫強度，400 ℃時再次下降.試驗數據見表10.

1.2.2 水泥砂漿高溫力學性能計算

表10 文獻[20]高溫后水泥砂漿抗壓強度試驗數據

T=100 ℃時，

(3)

T=200 ℃時，

(4)

T=300 ℃時，

(5)

T=400 ℃時，

(6)

T=500 ℃時，

(7)

T=600 ℃時，

(8)

T=700 ℃時,

(9)

T=800 ℃時,

(10)

圖隨w/c的擬合曲線

表11 高溫后水泥砂漿抗壓強度折減系數計算值與實測值對比

2 磚砌體的高溫力學性能

2.1 數據收集

文獻[9]對黏土實心磚墻進行高溫后抗壓試驗研究，得到抗壓強度隨溫度的變化規律.墻厚250 mm，墻高和墻寬為510 mm.采用M10水泥砂漿砌筑，黏土磚和水泥砂漿常溫強度分別為19.17 MPa和13.0 MPa.升溫速率為20 ℃/min，達到目標溫度后恒溫1 h.結果表明，高溫后抗壓強度在300 ℃時略有增加，600 ℃時平均下降了13%.試驗數據見表12.

表12 文獻[9]高溫后磚砌體抗壓強度試驗數據

文獻[10]研究高溫后磚和砂漿的強度變化，磚的強度等級為MU20，砂漿強度等級為M5和M10，給出高溫后強度折減系數，并參考GB50003—2011《砌體結構設計規范》給出磚砌體抗壓強度平均值的計算公式，給出了高溫后磚砌體抗壓強度平均值的計算公式：

fmt=K1(Ct1f1)α(1+0.07Ct2f2)K2.

(11)

式中：fmt為高溫后無筋磚砌體的抗壓強度平均值；f1為常溫下黏土磚的抗壓強度平均值；f2為常溫砂漿的抗壓強度平均值；α為參數，等于0.5；K1為無筋磚砌體受壓安全系數，等于0.78；K2為砂漿強度抗壓計算系數.當f2<1時，K2=0.6+0.4f2；當f2>1時，K2=1；Ct1為火災后磚抗壓強度折減系數；Ct2為火災后砂漿抗壓強度折減系數.根據式(11)計算的結果見表13所示.

表13 文獻[10]高溫后磚砌體抗壓強度計算值

文獻[21]等對經歷不同溫度后的黏土磚墻試件進行抗壓強度試驗，得到磚墻抗壓強度隨溫度的變化規律.試件尺寸為746 mm×365 mm×115 mm，采用強度等級為M10的混合砂漿.升溫速率為5 ℃/min，達到目標溫度后恒溫1 h.結果表明，磚墻在經歷800 ℃高溫后，強度降低44%.文獻[21]的磚墻高溫后抗壓強度數據見表14.

表14 文獻[21]高溫后磚砌體抗壓強度試驗數據

文獻[22]等研究了磚墻高溫后的抗壓強度變化規律，試件尺寸為189 mm×120 mm×115 mm，采用強度等級為M10的混合砂漿.發現磚墻抗壓強度隨溫度升高不斷下降，在800 ℃高溫后，抗壓強度為常溫的65%左右.試驗數據見表15.

表15 文獻[22]高溫后磚砌體抗壓強度試驗數據

2.2 磚砌體高溫力學性能計算

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃，

(12)

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃.

(13)

圖4 高溫后用水泥砂漿砌筑的磚砌體抗壓強度折減系數與T的下包曲線和擬合曲線

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃，

(14)

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃時取T=20 ℃.

(15)

圖5 高溫后用混合砂漿砌筑的磚砌體抗壓強度折減系數與T的下包曲線和擬合曲線

根據式(12)和(13)計算的高溫后磚砌體抗壓強度折減系數與CECS252—2009《火災后建筑結構鑒定標準》給出的折減系數如表16所示.可以看出，CECS252—2009《火災后建筑結構鑒定標準》中，若歷經溫度不高于100 ℃，高溫后抗壓強度與常溫下相同，而式(12)和(13)中，經歷100 ℃高溫后抗壓強度略低于常溫下抗壓強度；歷經200～700 ℃，基于式(12)所得高溫后水泥砂漿磚砌體抗壓強度折減系數高于CECS252規定，基于式(13)所得的高溫后混合砂漿磚砌體抗壓強度折減系數與CECS252規定相近.擬合所得的高溫后黏土磚抗壓強度折減系數在歷經溫度為500 ℃時為0.637，高溫后水泥砂漿抗壓強度折減系數在歷經溫度為500 ℃時為0.520，而高溫后水泥砂漿磚砌體抗壓強度折減系數在歷經溫度為500 ℃時為0.885，對這一結論的內在原因有待進一步研究.

表16 高溫后磚砌體抗壓強度計算值與規范值對比

3 結論與展望

1)高溫下和高溫后黏土磚抗壓強度均隨溫度的升高而降低，CECS252—2009《火災后建筑結構鑒定標準》認為高溫后黏土磚抗壓強度在歷經溫度700 ℃以前不降低，而收集到的數據表明，歷經溫度300 ℃后的高溫后抗壓強度為常溫下抗壓強度的86.8%～96.2%，600 ℃時其高溫后抗壓強度為常溫下的50.4%～71.8%.給出了高溫后黏土磚抗壓強度隨歷經溫度變化的下包線.

2)高溫后水泥砂漿抗壓強度總體上隨歷經溫度的升高而降低.CECS252—2009《火災后建筑結構鑒定標準》未考慮水灰比對高溫后水泥砂漿抗壓強度的影響.收集到的試驗數據分析結果表明，若歷經溫度介于300～800 ℃，水灰比不大于0.45時，高溫后水泥砂漿抗壓強度隨水灰比增大而增大；若水灰比大于0.45，高溫后水泥砂漿抗壓強度隨水灰比增大而減小.

3)用水泥砂漿或混合砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強度都隨歷經溫度的升高而降低.歷經200～700 ℃，用水泥砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強度折減系數高于CECS252規定，用混合砂漿砌筑的黏土磚砌體高溫后抗壓強度折減系數與CECS252規定相近.

4)黏土磚砌體高溫試驗研究多以塊體和砂漿的強度以及溫度作為參數，但實際上同樣的砂漿強度可能水灰比等參數也不同，高溫試驗研究應細化參數，獲得多參數影響下的強度退化規律.

5)現有研究成果較多涉及黏土磚、砂漿及黏土磚砌體的高溫下和高溫后抗壓強度，對影響結構安全的彈性模量、剛度等因素研究很少，且研究對象只針對新砌體，對既有建筑中舊砌體的抗火性能鮮有涉及.