消防工程学第6章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,1,第6章 建筑材料的高温性能,6.1 概述,补充：几个概念和影响钢材性能的因素,6.2 钢材的高温性能,6.3 混凝土的高温性能,6.4 其他建筑材料的高温性能,6.5 建筑材料的燃烧性能分级及试验方法,重点内容：钢材、混凝土的高温性能以及建筑材料燃烧性能分级及试验方法,2,6.1 概述,建筑材料,作用：,结构材料承受各种荷载,；,装修材料美化环境；功能材料满足保温、隔热、防水要求,建筑材料高温性能：,燃烧性能,力学性能,发烟性能,毒性性能,隔热性能,3,几个概念,1、,兰脆现象,：是指温度在250左右的区间内，钢材的强度有所回升，同时塑性有所降低，有转脆的倾向。,2,、,徐变现象,：指在约,260,320,时应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续形变的现象。,（应力和应变：,在外力作用下，材料不能产生位移，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。）,3,、,弹性模量,：指正应力与弹性正应变（即可恢复应变）的比值。一般采用三轴仪进行三轴重复压缩试验，得到的应力,-,应变曲线上的初始切线模量,Ei,或再加荷模量,Er,作为弹性模量。,4、,表观密度,：是指材料在自然状态下单位体积的质量，按下式计算：,式中,o,表观密度，g/cm,3,或kg/cm,3,；,m,材料的质量，g或kg；,V,o,材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm,3,或m,3,。(干表观密度、视密度),4,屈服强度、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标,5、,比例极限：,OP,段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，,P,点应力 称为比例极限。,6,、,屈服强度：,随着荷载的增加，曲线出现,ES,段，,S,点的应力 称为屈服强度,7、,抗拉强度：,超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的,B,点，这点的应力 称为抗拉强度或极限强度。,8、,伸长率：,断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力,5,影响钢材性能的因素,1、化学成分的影响,钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。,碳素钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁占大于98，碳及杂质元素约占2以下。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。,6,1碳(C),碳是形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。因此不能用含碳量高的钢材，以保持其他的优良性能。按碳的含量区分，小于0.25的为低碳钢，大于0.25而小于0.6的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。,2锰(Mn),锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢的热脆影响。碳素钢中锰是有益的杂质，在低合金钢中它是合金元素。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。,3硅(Si),硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。,7,4钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti),钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,5铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni),铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。,6硫(S),硫是有害元素，属于杂质，能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达8001000,o,C时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。因此，对硫的含量必须严加控制。,8,7磷(P),磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。,8氧(O)、氮(N),氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢,热脆,，其作用比硫剧烈，氮能使钢,冷脆,，与磷相似。故其含量必须严加控制。钢在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。但氮有时却作为合金元素存在于钢之中，桥梁用钢15锰钒氮(15MnVN)就是如此。,9,2、成材过程的影响,1冶炼,钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。,冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。,2浇铸,把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。,钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏折、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。,10,3轧制,钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺憾。,4热处理,热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理：把钢材加热至850900,o,C并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热至650,o,C并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至900,o,C以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。,11,3、影响钢材性能的其他因素,1）冷加工硬化(应变硬化),在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。,用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于这个原因，薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。,此外，还有性质类似的,时效硬化,与应变时效,。时效硬化指钢材仅随时,间的增长而转脆，应变时效指应变硬,化又加时效硬化由于这些是使钢材转,脆的性质，所以有些重要结构要求对,钢材进行人工时效，然后测定其冲击,韧性，以保证结构具有长期的抗脆性,破坏能力。,12,2）温度影响,钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，低温性能更重要。,正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大,。,约在200,o,C以内钢材性能没有很大变化，430540,o,C之间则强度(fy与fu)急剧下降；到600,o,C时强度很低不能承担荷载。此外，250,o,C附近有兰脆现象，约260320,o,C时有徐变现象。,兰脆现象指温度在250,o,C左右的区间内，fu有局部性提高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。,设计时以规定150,o,C为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。,负温范围 fy与fu都增高，但塑性变形能力,减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响,十分突出。,材料由韧性破坏转到脆性破坏,叫该种钢材的转变温度，在结构设计中要,求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度,应大于脆性转变温度。,13,6.2,钢材的高温性能,钢的冶炼与分类,空气转炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和平炉炼钢法,按脱氧分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢,按,成分分：碳素钢和合金钢,常用建筑钢材,普通碳素钢,低合金结构钢,14,6.2.3,建筑钢材的高温性能,强度（普通低碳钢）,高温下钢材强度随温度升高而,降低，降低的幅度因钢材温度的,高低和钢材种类而不同,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,能的最重要因素。,15,钢材高温下的强度变化因钢材种类不同而异,冷加工钢,：其,内部晶格架构发生畸变，强度增加而塑性降低。在高温下，内部晶格的畸变随着温度升高而逐渐恢复正常，冷加工所提高的强度也逐渐减少和消失，塑性得到一定恢复。因此，在相同的温度下，冷加工钢材强度降低值比未加工钢筋大很多。,高强钢：属于硬钢，没有明显的屈服极限。在高温下，高强钢丝的抗拉强度的降低比其他钢筋更,快,。,预应力钢筋混凝土构件采用冷加工钢筋和高强钢丝，在火灾高温下强度下降明显大于普通低碳钢筋和低合金钢筋，故耐火性能,低于,非预应力钢筋混凝土构件。,弹性模量：钢材弹性模量随温度升高而降低，但降低的幅度比强度降低的,小,。,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，易于产生变形。,蠕变：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,蠕变受温度和应力大小的影响,导热系数,导热系数为58,W/(m，,约为混凝土的38倍,随着钢材温度升高，导热系数逐渐减小,16,6.3,混凝土的高温性能,定义：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,分类：,按照气干状态下的表观密度分：重混凝土,、,普通报凝土,、,轻混凝土,按照功能及用途分,:,结构混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土,立方体抗压强度：制作边长为,150mm,的立方体试件，在标准条件（温度为,20,士,3,，相对湿度,90%,以上,),下，养护到,28d,龄期，测得的抗压强度称,混凝土强度等级用,C,和立方体抗压强度标准值（以,MPa,计,),表示，在我国，一般分为十二个等级：,C,7.5,、,C,10,、,C,15,、,C,20,、,C,25,、,C,30,、,C,35,、,C,40,、,C,45,、,C,50,、,C,60,17,高温力学性质,抗压强度,：300,以下，混凝土的抗压强度基本上没有降低，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,影响抗压强度因素：,1、,加热温度,2、混凝土的组成材料,3、消防射水,500是恢复界限,抗拉强度：高温条件下抗拉,强度随温度上升明显下降，,超过600抗拉强度基本丧失,粘结强度：,1、受热时钢筋发生膨胀，混凝土中的水泥石对钢筋有环向挤压、增加两者间摩擦力作用,2、水泥石中产生微裂缝和钢筋的轴向错动，将导致钢筋与混凝土之间的粘结强度下降,3、螺纹钢筋较平滑钢筋粘结强度下降,小,18,弹性模量：,在高温下弹性模量,降低明显,，其呈现明显的,塑性状态,，,形变增加,爆裂：火灾初期混凝土构件受热,表面层,发生的,块状爆炸性脱落,现象,很大程度上决定着钢筋混凝土结构的耐火性能,影响爆裂的因素有混凝土的含水率、密实性、骨料的性质、加热的速度、构件施加预应力的情况以及约束条件,混凝土的热学性质,导热系数：,常温约为,1.63,W/(m,),，,随着温,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%。,比热容,：,在温度