粘土空心砖和实心砖的高温力学性能对比试验研究

粘土空心砖和实心砖的高温力学性能对比试验研究摘要:本文利用W AW-1000高温微机万能试验机、箱式电阻炉和温控仪对KP1型承重粘土空心砖和普通粘土实心砖在高温下(500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃)进行抗压力学性能试验,得出粘土空心砖和实心砖在各个温度下的抗压强度以及抗压强度折减系数。研究表明:空心砖的抗压强度及高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。空心砖的初裂荷载与极限荷载的比值比较大,表明空心砖在受压时初裂缝出现较晚。粘土空心砖是当前大力发展的一种新型墙体材料,与实心砖相比具有很大的优越性,对比研究这两种建材在高温下的力学性能对于建筑防火安全设计具有重要意义。

关键词:实心砖空心砖高温力学性能强度折减系数

1 绪论

1.1 粘土砖的应用现状和发展趋势

目前,粘土砖作为墙体和屋面的主要建筑材料,大量应用于住宅、中小型单层工业厂房、影剧院等建筑物中,是我国建筑工程中量大面广的最常用的结构形式。粘土砖是用粘土制成一定的形状的坯然后在砖窑中高温烧制出来的,是最传统的建筑材料。按孔洞率分为无孔洞或孔洞率小于15%的实心砖(普通砖),孔洞率等于或大于15%的空心砖。

据不完全统计,目前我国粘土实心砖年产量多达4300多亿块,生产这么多的粘土砖,光烧制过程中消耗的煤量就占到全年煤能源消耗总量的15%左右。随着国家“禁实推新”工作的不断推广深入,承重型粘土空心砖作为一种新型墙体材料在我国得到推广应用。相比实心砖,粘土空心砖具有保温、隔热、抗震性能好、造价低廉、施工方便、快捷等优点,对于保护耕地、节约能源、保护环境等有积极意义,是我国重点推广使用的新型墙体材料之一。

1.2 空心砖力学性能的研究动态

湖南农业大学的梁建国和中元国际工程设计研究院的梁辉等人通过18件P型烧结页岩多孔砖、3件烧结页岩普通砖砌体抗压试验研究,得出了这种多孔砖的受压强度设计取值方法,其力学性能均达到和超过普通粘土砖,是一种性能优越的墙体材料。

研究表明,空心砖砌体在常温下其抗压强度相当或略高于实心砖砌体,一般认为抗压强度较高的原因是块体尺寸的影响。从这点看,用具有隔热、抗震性能好、造价低廉、施工方便、快捷等优点,对于保护耕地、节约能源、保护环境等有积极意义的粘土空心砖替代粘土实心砖是可行的,甚至是必要的。承重型空心砖在高温下力学性能的变化和实心砖是否一致,能否在高温下满足承载要求,保证安全,真正做到替代实心砖,均没有可参考的文献及借鉴的实例,本文就将进行这方面的研究。

2 试验内容和试验结果

2.1 试验样品和试验设备

2.1.1 试验样品。

试验用砖为KP1型承重型粘土空心砖和普通粘土实心砖。两种材料均从市场选购,空心砖尺寸为240mm×115mm×90mm,孔洞率为25%;实心砖尺寸为240mm×115mm×50mm。两种样品砖的外型匀称、密度均匀,经过初步测试,用半砖得到的抗压强度数据和用整砖得到的基本一致,所以用切割机把一块砖在长度方向均分为两块作为此次试验的直接样品。最终得到实心样品砖尺寸为120mm×115mm×50mm,空心样品砖为120mm×115mm×90mm。

2.1.2 试验设备。

由受压面积S=120mm×115mm=138cm2,把各个温度下的极限荷载值代入公式(1)可以分别计算出各个温度下两种砖型的抗压强度,见表3。

从表3中可知,实心砖的抗压强度随着温度的升高整体呈下降趋

势,温度从500℃到700℃时,抗压强度没有太大的变化。当温度升高到800℃时,抗压强度明显降低,为23.5MPa。温度继续升高,抗压强度下降幅度减小,900℃时为22.5MPa,1000℃时为20.6MPa。空心砖的抗压强度随温度升高也呈下降趋势,温度升高到500℃时,抗压强度为36.4MPa,500℃到700℃抗压强度变化不大,当温度达到800℃时,抗压强度为24.3MPa,可以看出有明显的下降,温度继续升高,抗压强度下降幅度减缓,900℃时为22.5Mpa,1000℃时为20.4Mpa。空心砖和实心砖的各温度下的抗压强度的平均比值为 1.01,可见空心砖的抗压强度和实心砖基本一致。

将实心砖和空心砖在用各温度下的抗压强度除以常温下的抗压强度即得到两种砖在各温度下抗压强度的折减系数,见表4。

从表4中可以看出两种材料的高温强度折减系数随着温度的升高均有不同的下降,空心砖和实心砖在各温度下抗压强度折减系数几乎相当,空心砖的抗压强度折减系数600℃、900℃时与实心砖一致,700℃、1000℃时比实心砖稍小,500℃、800℃时比实心砖稍大,说明空心砖在高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。

若把加热时间考虑成火灾发展时间,可以得出加热时间和抗压强度折减系数的关系,见表5。

由此可以看出,从开始到时间为90min时,砖的温度达到700℃左

右,实心砖抗压强度为常温下的85%～94%,几乎不会对砖的承载能力产生大的影响;当时间超过90min后,抗压强度会有比较大的变化,时间超过两个小时后,温度超过800℃,此时抗压强度为常温下的60%左右,对于建筑物的承载已经达到比较危险的程度;加热时间再长一些,温度会升高到1000℃甚至更高,此时抗压强度只有常温下的一半甚至更低,已不适合承载。空心砖的情况基本和实心砖一致,到90min之前,抗压强度为常温下的82%～95%,不会对承载影响太大;当时间超过90min 后,抗压强度也会有一个比较明显的变化,为常温的60%左右;当时间超过两个小时后,温度达到1000℃,此时的抗压强度仅为常温的53%,已远低于适合承载的值。

3 结论和展望

本文通过对粘土实心砖和空心砖在不同高温下的抗压对比试验研究,得到以下几个结论。

(1)粘土空心砖和实心砖在高温下抗压强度和强度折减系数随着温度的升高而降低,空心砖的抗压强度及高温下随温度的升高抗压强度下降强度和实心砖基本一致。(2)实心砖和空心砖受压破坏时,初裂