建筑材料的高温性能课件

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1、1,第二部分 建筑火灾被动防护,建筑材料的高温性能 建筑构件的耐火试验 建筑物的耐火等级 钢结构耐火设计 防火分区与防烟分区 安全疏散 总平面防火设计 室内装修防火设计,2,建筑结构与建筑的关系,凡是建筑物，无论宿舍、办公楼或厂房、体育馆，都是由屋盖、楼板、墙、柱、基础等结构构件所组成。这些构件在房屋中互相支承、互相扶持，直接或间接地、单独或协同地承受各种荷载作用，构成了一个结构整体建筑结构。 建筑结构与建筑有密切的关系，建筑结构是房屋的骨架，是建筑物赖以存在的物质基础，它的质量好坏，对于建筑物的坚固和寿命具有决定性作用，对于生产和使用影响很大。,3,建筑物是由各种建筑材料建造起来的。 根据使

2、用功能，建筑材料主要分为： 结构材料（如混凝土、钢材、黏土砖等）的作用是组成结构构件并承受各种荷载，维持建筑物的框架结构不变； 装修材料（各种饰面材料、木材及各种塑料物、聚合物等）的作用是美化室内环境，给人们创造一种美好的工作生活环境。 此外，建筑材料还包括多种功能不同的材料，如保温材料、隔热材料及防水材料等。这些建筑材料在高温下的性能直接关系到建筑物火灾危险性的大小以及发生火灾后火势蔓延扩大的速度。,建筑材料与防火的关系,4,第六章 建筑材料的高温性能,6.1 概述 6.2 钢材的高温性能 6.3 混凝土的高温性能 6.4 其它材料的高温性能 6.5 建筑材料燃烧性能分级及试验方法,5,6.

3、1 概述,建筑材料高温下的性能包括以下五个方面：,燃烧性能:包括着火性、火焰传播性、燃烧速度和发热量等 力学性能:材料在高温作用下，力学性能（尤其是强度性能）随温度的变化关系。 发烟性能 毒性性能 隔热性能:在隔绝火灾高温热量方面，材料的导热系数和热容量是两个最为重要的影响因素。,6,6.2 钢材的高温性能,钢材的冶炼和分类 常用建筑钢材 钢材的高温性能,建筑用钢材可分为钢结构用钢材（各种型材、钢板）和钢筋混凝土结构用钢筋两类。它是在严格的技术控制下生产的材料，具有强度大、塑性和韧性好、品质均匀、可焊可铆、制成的钢结构重量轻等优点。但就防火而言，钢材虽然属于不燃性材料，耐火性能却很差。,7,钢

4、结构建筑与火灾的问题,钢结构的建筑抗震性能非常好，但最怕的就是火灾。9.11的大楼之所以会倒，就因为它是钢结构为主的建筑。原因在于钢材的耐热性虽然很好，但并不能耐高温。随着温度的升高，钢材的强度会逐渐降低。在火灾的作用下，钢结构构件温度达到350、500、600时，强度分别下降1/3、1/2、2/3。而温度达到500时钢结构构件就会发生软化可能导致瞬时崩溃倒塌。没有防火保护涂层的钢柱、钢梁、钢屋架等钢结构构件的耐火极限仅为0.25-0.5小时即15-30分钟，也就是说在火灾作用下，15分钟后钢结构就随时有可能失去承载力而发生倒塌。所以钢结构的建筑一定要有防火措施。 常用的钢结构防火措施多为在裸

5、露的钢构件表面喷涂防火涂料。钢结构设计要求的耐火等级，一级：柱3.0小时；梁2.0小时；楼板1.5小时。,8,钢材的冶炼,钢的主要成分是铁和碳，它的含碳量在2%以下。钢的冶炼主要是将熔融的生铁进行高温氧化，使碳的含量降低到预定范围，杂质含量降低到允许范围之内。 钢的冶炼方法主要有空气转炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和平炉炼钢法。冶炼过程中，铁被氧化成氧化铁，影响钢材质量，必须进行脱氧。 根据脱氧程度的不同钢可分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（完全脱氧）和半镇静钢（脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间）。,9,钢的分类,碳素钢：以铁、碳为主体，含碳量小于2%。含碳量小于0.25%的为低碳钢；介于0.25%0

6、.6%的为中碳钢；大于0.6%的为高碳钢。 合金钢：在普通低碳钢的基础上，加入少量合金元素，如硅、锰、铬、钛、钒等。可以保证钢的良好塑性、韧性，提高钢的强度。低合金钢合金元素总含量小于5%；中合金钢合金元素总含量为510%；高合金钢合金元素大于10%。,10,常用建筑钢材普通碳素钢,分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五种，Q是屈服点的汉语拼音首位字母，数字代表钢材厚度（直径）16mm时的屈服点下限N/mm2。数字较低的钢材，碳含量和强度较低，而塑性、韧性、焊接性较好。 普通碳素钢分为A、B、C、D四个质量，A级最差，D级最好。 普通碳素钢塑性好，适宜于各种加工，并能保证在焊接

7、、超载、冲击、温度应力等不利条件下的安全：力学性能稳定，对轧制、一般加热、剧烈冷却的敏感性较小。但与低合金结构相比，强度较低。普通碳素钢中的Q235（其碳含量为0.12%0.22%）因为其力学及加工等综合方面的性能较好，而且冶炼成本低，所以在建筑工程中得到普遍使用。,11,常用建筑钢材低合金结构钢,是一种含有少量合金元素(硅、锰、铬、钛、钒等元素组成)的合金钢种。低合金结构钢具有较高的强度，良好的塑性和冲击韧性，并具有耐锈蚀，耐低温性能，是一种高效能钢种。较多地用于大型结构和荷载较大的结构。,12,13,14,钢材的高温性能,通常钢材的导热性能随温度升高而递减，常温下导热系数为58W/m.，但

8、当温度达到750 时，其导热系数几乎为零，约为30W/m.钢材的导热系数大是造成钢结构极易破坏的主要原因之一。,导热系数,15,当温度升高时，钢构件要发生膨胀。对截面温度均匀分布的静定结构而言，热膨胀只对变形有影响，不会产生附加内力。但当结构和构件的膨胀受到约束时，就会产生附加内力，在进行结构反应分析时，必须考虑这种影响。 钢的热膨胀系数（特指线膨胀系数）实际随温度的升高会发生变化，但变化幅度不大,热膨胀系数,参考钢结构抗火设计与计算中国建工出版社,16,在高温下钢材强度随温度的升高而降低，降低的幅度因钢材温度的高低和钢材种类而不同。,钢材的强度,（1）普通低碳钢,17,普通碳素钢的高温 力学

9、性质,当钢材温度在250以下时，由于兰脆现象，极限强度比常温时略有提高； 温度超过350，强度开始下降；温度达到500时强度降低约50%，600时降低约70%； 钢材的屈服点随温度升高也逐渐降低，在500时约为常温的50%。 钢材在高温下屈服点降低是决定钢结构和钢筋混凝土结构耐火性能的最重要的因素。（钢屋架）,18,主要包括高碳钢以及用于预应力钢筋混凝土构件中冷加工钢筋及高强度钢筋等。 高强度钢对温度更为敏感。当温度超过175时，强度急剧下降，500时降至常温的30%，当温度达到750时，完全丧失其强度。,（3）普通低合金钢,（2）高强度钢,高温性能与普通碳素钢基本相同，在200-300的温度

10、范围内极限强度增加，当温度超过300后，强度逐渐降低。,所以预应力钢筋混凝土构件耐火性能要低于普通混凝土构件。在高温下，预应力极易损失，其构件难以正常工作。,19,建筑钢材的变形性能,钢材的伸长率和截面收缩率随着温度升高总的趋势是增大的，表明高温下钢材塑性性能增大，易于变形。 钢材在一定温度和应力作用下，随时间的推移，会发生缓慢塑性变形，即蠕变。蠕变在低温下也会发生，但在温度高于一定值时比较明显。对于普通低碳钢这一温度为300350，对于合金钢为400450，温度愈高，蠕变现象愈明显。 蠕变不仅受温度的影响，而且也受应力大小影响，若应力超过了钢材在某一温度下屈服强度时，蠕变会明显增大。,20,

11、6.3 混凝土的高温性能,概述 混凝土的高温力学性能 混凝土的爆裂 混凝土的热学性质,21,定义： 混凝土由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。,重混凝土：表观密度大于2600kg/m3，采用重晶石、铁矿石等作骨料，对射线、射线有较高的屏蔽能力。 普通混凝土：表观密度为19002500kg/m3，采用天然的砂、石子作骨科，在建筑工程中使用最广。 轻混凝土：表观密度为8001900kg/m3，包括轻骨料混凝土、多孔混凝土及无砂大孔混凝土，多用于有保温隔热要求的墙体、屋面等处，标号高的轻骨料混凝土也用于承重结构。,混凝土按密度分类：,22,水泥混凝土

12、又称普通混凝土（简称为混凝土），是由水泥、砂、石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将骨料胶结为一个坚实的整体。 钢筋混凝土，是经由水泥、骨料、加水拌和而成混凝土，在其中加入一些抗拉钢筋，在经过一段时间的养护，达到建筑设计所需的强度。它应该是人类最早开发使用的复合型材料之一。,23,结构混凝土；耐热混凝土； 耐酸混凝土；防水混凝土,混凝土按功能和用途分类：,可根据不同要求配制不同性质的混凝土。 混凝土在凝结前具有良

13、好的塑性，可浇制成各种形状和大小的构件或结构物； 混凝土与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢筋混凝土结构和构件； 混凝土拌合物经硬化后有抗压强度高与耐久性良好的特性； 混凝土组成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则。,混凝土的优点：,24,混凝土的热学性能,主要包括导热系数、热膨胀系数、热容量以及质量密度四个参数。,（1）导热系数,普通混凝土在常温下的导热系数约为1.63W/m，随着其温度升高，导热系数减小，在温度500时为常温的80%，在1000时只有常温的50%。主要受骨料种类、含水量、混凝土配合比等因素的影响。,（2）热膨胀系数,不仅与混凝土本身材料的性能有关，还与构件

14、尺寸、约束条件、含水量等因素有关。,25,（3）比热： 虽然受骨料种类、配合比和水分的影响，但影响都不大。混凝土在温度升高时比热缓慢增大。在火灾高温下混凝土的比热可取常值921J/kg。 （4）密度： 在升温条件下，混凝土由于内部水分的蒸发和发生热膨胀，密度降低。 在实际计算时，把混凝土的质量密度看作常数。,26,混凝土的力学性能,（1）抗压强度,抗压强度为常压下的45%,几乎完全丧失,27,混凝土的抗压强度随温度升高而变化的规律是： 在温度为300以下，混凝土的抗压强度基本上没有降低，甚至还有些增大；当温度超过300以上，随着温度升高，混凝土抗压强度逐渐降低，破坏形态也明显变化。,28,混凝

15、土抗压强度下降的原因,混凝土各组成材料的热膨胀不同。在温度超过300情况下，水泥石脱水收缩，而骨料受热膨胀，由于胀缩的不一致性，使混凝土中产生很大的内应力，不但破坏了水泥石与骨料间的粘结，而且会把包裹在骨料周围的水泥石撑破。 水泥石内部产生一系列物理化学变化。如水泥主要水化产物Ca(OH)2，水化铝酸钙等的结晶水排出，使结构变得疏松。 骨料内部的不均匀膨胀和热分解。如花岗岩和砂岩内石英颗粒膨胀的方向性及晶形转变（在温度达到573、870），石灰岩中CaCO3的热分解(在825)，导致骨料强度的下降。,29,影响混凝土抗压强度的因素,加热温度：混凝土加热温度越高，抗压强度下降越大。 混凝土的组成

16、材料：骨料在混凝土中占绝大部分。骨料的种类不同，性质也不同，直接影响混凝土的高温强度。用膨胀性小、性能较稳定、粒径较小的骨料配制的混凝土在高温下抗压强度保持较好。采用高标号水泥、减少水泥用量、减少含水量也有利于保持混凝土在高温下的强度。,30,影响混凝土抗压强度的因素,消防射水：消防水急骤射到高温的混凝土结构表面时，会使结构产生严重破坏。当混凝土结构表面温度达到300左右时，其内部深层温度依然很低，消防水射到混凝土结构表面急剧冷却会使表面混凝土中产生很大的收缩应力，因而构件表面出现很多由外向内的裂缝。当混凝土温度超过500以后，从中游离的CaO遇到喷射的水流，发生熟化，体积迅速膨胀，造成混凝土强度急剧降低。,31,湖南衡阳11.3特大火灾坍塌事故,32,33,案例：广东珠海前山纺织城火灾,1996年6月16日16时30分许，珠海前山纺织城A幢（6层，高27米，钢混结构，二级耐火等级，建筑面积1.8万余平方米，一层为仓库，其余各层为生产车间），在消防工程施工（安