典型建筑材料的高温耐火性能

典型建筑材料的高温耐火性能

1.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。但就消防安装和消防工程的经验而言，钢材虽然属于不燃性材料，耐火性能却很差。

(1)强度

钢材在200℃时，力学性质(强度、弹性模量、线胀系数、蠕变性质)基本不变;400℃时，可与混凝土共同抵抗外力;540爹时，强度下

降50写。温度再继续上升，结构很快软化，失去承载能力，不可避免地发生扭曲倒塌。一般火场上，当大火延续5-7min后，可使温度升至500---600℃以上，这样高的温度均超过钢梁、钢柱的临界温度，建

筑物的钢结构便会因强度缺失、扭曲而塌毁。试验证明，常用钢结构件的耐火极限很低，在600℃左右时，只有15-30min要提高钢结构的

耐火能力，只有对其采取有效的防火保护，这是钢结构建筑唯一的有效措施。

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

性能的最重要因素。如有一钢构件，在常温下受荷载作用时截面应力值是屈服点的一半。若该构件在火灾条件下受到加热作用，则随着钢材温度的升高，屈服强度降低，当属服强度下降到常温的一半时构件就发生塑性变形而破坏。即由于钢材在火灾高温作用下屈服强度降低，

当实际应力值达到降低了的屈服强度，就表现出屈服现象而破坏。

钢材高温下的强度变化因钢材种类不同而异。

普通低合金钢在高温下的强度变化与普通碳素钢基本相同，在200-300℃的温度范围内极限强度增加，当温度超过300℃后，强度逐渐降低。

冷加工钢筋是普通钢筋经过冷拉、冷拔、冷轧等加工强化过程得到的钢材，其内部晶格架构发生畸变，强度增加而塑性降低。这种钢材在高温下，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，在相同温度下，冷加工钢材弧度降低值比未加工钢筋大很多。当温度达到300 'C时，冷加工钢筋强度降低约30%; 500℃时强度急剧下降，降低约50% ;500℃左右时，

其屈服强度接近甚至小于未冷加工钢筋在相应温度时的强度。

高强钢丝用于预应力钢筋混凝土结构。它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。当温度在150度以内时，强度不降低;温度达到350℃以上，强度降低约50%;400℃时强度下降约60%; 500℃时强度下降80%以上。

预应力钢筋混凝土构件由于所用的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，因此耐火性能低于非预应力钢筋棍凝土构件。

(2)弹性模量

普通低碳钢弹性模量随温度的变化情况如图2-1所示。上图可见，

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。高温下弹性模量的降低与钢材种类和强度级别没有多大关系。

(3)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。

另外，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。蠕变在较低温度时就会产生，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300-350度.，对于合金钢为400--450度，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属服强度时，蠕变会明显增大。

(4)导热系数

钢材在常温下的导热系数为58W/（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，当温度达到75℃时，导热系数几.乎变成了常数，约为30W(m·℃)。钢材导热系数大是造成钢结构在火灾条件下极易破坏的主要原因之一。

2.混凝土的高温性能

混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合，拌制成拌和物，经过一定时间硬化而成的人造石材。

(l)强度

①抗压强度图2-2表示了混凝土的抗压强度随温度升高而变化的情况。

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。

影响混凝土抗压强度的因素如下。

a.加热温度。混凝土所受加热温度越高，抗压强度下降幅度越大。

b.混凝土的组成材料口骨料在混凝土组成中占绝大部分。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。此外，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。

C。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。在火灾高温作用下，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，因而构件表而出现很多由外向内的裂缝。当混凝土温度超过500 'C以后，;从中游离的Ca0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。

射水冷却后混凝土剩余抗压强度的相对值见表2-3.

混凝上在火灾条件下温度不超过500℃时，火灾后在空气中冷却一个

月时抗压强度降至最低，此后随着时间的增长，强度逐渐回升，一年时的强度可恢复到加.热前的90%。混凝土温度超过500℃后，强度则不能恢复。

②抗拉强度在火灾高温条件下，混凝土的抗拉强度随温度上升明显下降，下降幅度比抗压强度大1o%- 15%当温度超过600℃以后，混凝土抗拉强度则基本丧失。混凝土抗拉强度发生下降的原因是在高温下混凝土中的水泥石产生微裂缝造成的。

③黏结强度对于钢筋混凝土结构而言，在火灾高温作用下钢筋和混凝土之间的黏结强度变化对其承载力影响很大.钢筋混凝土结构受热时，其中的钢筋发生膨胀，虽然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，但由于水泥石中产生的微裂缝和钢筋的轴向错动，仍将导致钢筋与混凝土之间的黏结强度下降。螺纹钢筋表面凹凸不平，与混凝土间机械咬合力较大，因此在升温过程中黏结强度下降较少。

高温下混凝土与钢筋之间黏结强度相对值如表2-4所列。

(2)弹性模量

混凝土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。主要原因是:水泥石与骨料在高温时产生差异，两者之间出现裂缝，组织松弛以及混凝土发生脱水现象，内部孔隙率增加。