防灾减灾工程学第8章-建筑材料的高温性能课件.ppt

1、16037-05a 主编第8章建筑材料的高温性能一般而言，建筑材料的高温性能主要包括以下六个方面：(1)燃烧性能。(2)高温下的物理力学性能。(3)导热性能。(4)隔热性能。(5)发烟性能。(6)毒性性能。(1)燃烧性能。燃烧性能是指材料和(或)制品遇火燃烧时所发生的一切物理和(或)化学变化，也就是对火反应特性。材料的对火反应特性反映了火灾初始阶段(即火势轰燃前的阶段)的情况，包括材料的可燃性，即非燃性、难燃性、易燃性等；火焰传播性；燃烧速度；发热量；燃烧方式等。(2)高温下的物理力学性能。是指在火灾高温下或是高温后，材料的力学性能(强度、弹性模量等)随着温度的升高而变化的规律。当到达一定温度

2、时，结构会发生破坏，也就是说丧失了承载力，构件失稳或爆裂穿孔等。因此，建筑材料尤其是结构材料在火灾高温下保持良好的力学性能有利于建筑物的防火和灭火。(3)导热性能。导热性能好的非燃烧材料，往往耐火防火性能较差，这取决于材料的导热系数和热容量。(4)隔热性能。在隔热方面，材料的热导率和比热容是两个最为重要的影响因素。另外，同一类材料由于具有不同的变形特征而对隔热性能产生不同的影响。(5)发烟性能。材料燃烧时会产生大量的烟，这里所称的烟是指“材料发生燃烧或热分解时所释放出散播于空气中的固态、液态微料及气体”，是火灾燃烧过程中一项重要的产物。一方面它会使人窒息丧生，另一方面因为烟会产生视线遮蔽及刺激

3、效应，在火灾发生时，弥漫的烟雾可能会使人员无法正确找到逃生途径，并激发心理恐慌，影响消防员救助和聚集热量。(6)毒性性能。在烟气生成的同时，材料燃烧或热解中还会产生一定的毒性气体，如果这些有毒物质随烟气扩散，将会产生更加严重的危害。据统计，建筑火灾中人员死亡80为烟气中毒而死，因此不可忽视材料的潜在毒性的研究。第8章建筑材料的高温性能8.1建筑材料的燃烧性能及其测定方法8.2混凝土的高温性能8.3钢筋的高温性能8.4其他常用建筑材料的高温性能8.1建筑材料的燃烧性能及其测定方法8.1.1建筑材料非燃性试验方法8.1.2建筑材料难燃性试验方法8.1.3建筑材料易燃性试验方法8.1建筑材料的燃烧性

4、能及其测定方法表8-1燃烧性能级别、名称和检验方法8.1.1建筑材料非燃性试验方法1.试验设备2.试样3.试验程序4.试验结果计算5.判定条件1.试验设备图8-1建筑材料非燃性试验炉1提手2插入装置3表面热电偶4通风罩5耐火管6氧化镁粉7导管8电热带9进气孔10矿棉材料11空气稳流器12气流罩13下盖板14壁板15上盖板16矿棉材料17炉内热电偶18吊篮19中心热电偶2.试样该项试验要求的试样数量为5个，尺寸为：直径(452)mm，高(502)mm。3.试验程序试样经称重和确定尺寸后，放入吊篮内，并迅速置于温度稳定在(7505)C的电加热试验炉中，持续加热30min。4.试验结果计算(1)炉内

5、平均温升。该值为5次试验的炉内最高温度与炉内终平衡温度之差的平均值。(2)试样表面平均温升。为5次试验的试样表面最高温度与试样表面终平衡温度之差的平均值。(3)试样中心平均温升。为5次试验的试样中心最高温度与试样中心终平衡温度之差的平均值。(4)试件平均持续燃烧时间，以5次试验的平均值计算。(5)试件平均失重率，以5次试验的平均值计算。5.判定条件(1)炉内平均温升不超过50C。(2)试样表面平均温升不超过50C。(3)试样中心平均温升不超过50C。(4)试样平均持续燃烧时间不超过20s。(5)试样平均失重率不超过50。8.1.2建筑材料难燃性试验方法1.试验装置2.试样3.试验程序4.试件燃

6、烧剩余长度的判断5.试验结果判定8.1.2建筑材料难燃性试验方法图8-2建筑材料难燃性试验炉1空气进口管2空气稳流器3铁丝网4燃烧器5试件6壁温热电偶7炉壁结构(由内向外，2mm钢板、6mm石棉板、岩棉纤维板、10mm石棉水泥板)8烟道热电偶9测烟管口1.试验装置(1)燃烧竖炉。燃烧竖炉主要由燃烧室、燃烧器、试件支架、空气稳流器及烟道等部分组成，如图8-2所示。(2)控制仪器。燃烧竖炉的控制仪表包括热量计、热电偶、温度记录仪及温度显示仪表等。2.试样每次试验需用4个试件，每个试件均以材料实际使用厚度制作，当材料实际使用厚度超过80mm时，试件制作厚度应取80mm。3.试验程序将4个试件垂直固定

7、在试件支架上，组成垂直方形烟道。4.试件燃烧剩余长度的判断试件燃烧后剩余长度为试件既不在表面燃烧，也不在内部燃烧或碳化部分的长度。5.试验结果判定(1)凡是经过燃烧竖炉试验(难燃性试验)合格，并能通过建筑材料可燃性试验方法(GB86261988)的材料均可定为难燃性建筑材料。(2)按照规定试验程序，符合下列条件可认定为燃烧竖炉试验合格：试件燃烧的剩余长度平均值应大于150mm，其中没有一个试件的燃烧剩余长度为零；没有一组试验的平均烟气温度超过200C。8.1.3建筑材料易燃性试验方法1.试验装置2.试件制备3.试验程序4.材料可燃性的判断1.试验装置(1)燃烧试验箱。(2)燃烧器。(3)试件支

8、架。(1)燃烧试验箱。图8-3燃烧试验箱1箱底2试件夹3前门4箱体5烟排口6箱盖7立柱8侧门9燃烧器10箱底支架(2)燃烧器。由孔径为?0.17mm的喷嘴和调节阀组成，并设有4个?4mm的空气吸入孔。(3)试件支架。由基座、立柱及试件夹组成。2.试件制备每组试验需要5个试件，试件规格为：80mm190mm(采用边缘点火)；90mm230mm(采用表面点火)。3.试验程序将试件装在试件夹上垂直固定于燃烧试验箱中，用燃烧器在试件下边缘(对边缘点火)或试件表面一定处(对表面点火)烧试件。4.材料可燃性的判断(1)对下边缘未加保护的试件，在底边缘点火开始后的20s内，5个试件火焰尖头均未到达刻度线。(

9、2)对下边缘加以保护的试件，除符合上述(1)的规定外，应附加一组表面点火试验，在点火开始后的20s内，5个试件火焰尖头均未到达上刻度线。8.2混凝土的高温性能图8-4高温后混凝土抗压强度与温度的关系8.2混凝土的高温性能8.2.1混凝土的高温后力学性能8.2.2混凝土的热物理性能8.2.1混凝土的高温后力学性能1.抗压强度2.弹性模量3.抗拉强度4.高温破坏的原因分析1.抗压强度1.抗压强度图8-5混凝土试块受压破坏图2.弹性模量2.弹性模量图8-6高温后混凝土弹性模量与温度的关系3.抗拉强度3.抗拉强度图8-7高温后混凝土抗拉强度与温度的关系4.高温破坏的原因分析(1)水化矿物的脱水。(2)

10、水化水泥内部各组分的热变形性能。(3)骨料的受热破坏。(4)水泥石与骨料间联系的破坏。(1)水化矿物的脱水。混凝土受高温作用后水分要逐渐脱去。这些水分大体可分为两类：一类是游离水，另一类是水化矿物中的化合水或结晶水。混凝土中的水分在火灾高温作用下大量逸出，导致内部结构性质发生变化，以致破坏。(2)水化水泥内部各组分的热变形性能。水化水泥是由多相化学组分组成的，这些化学组分在高温下表现出的变形性能有很大差别。这些差别很大的不协调的变形会使混凝土内部产生内应力，当应力达到一定程度时，可能会导致混凝土破坏。(3)骨料的受热破坏。混凝土在受高温时会发生晶体转化或分解，此时伴随着巨大的膨胀，一些骨料内部

11、开始形成裂缝，并随着温度的升高而逐渐发展，导致混凝土强度降低。(4)水泥石与骨料间联系的破坏。在组成良好的混凝土中，大部分空间均为骨料所占据，水泥浆则充满粗细骨料间余下的空间，并把它们胶结起来。这样差不多所有骨料颗粒均为水泥石层所包裹。但是水泥石在加热过程中产生较大的收缩，而被水泥石包裹的骨料却在加热过程中随温度的升高而膨胀。8.2.2混凝土的热物理性能1.导热系数(c)2.热扩散率()3.比热容(cc)4.质量密度(c)5.热膨胀系数c1.导热系数(c)导热系数定义为单位时间(h)内、在单位温度梯度(Km)情况下，通过材料单位等温面积(m2)的热量(J)，单位为W/(mK)或W/(mC)。1

12、.导热系数(c)表8-2混凝土导热系数典型值2.热扩散率()热扩散率表示混凝土发生温度变化的速率。3.比热容(cc)其定义为单位质量(kg)的材料，当温度升高1K(或所需吸入的热量(J)，单位为J(kgK)或J(kgC)。4.质量密度(c)质量密度定义为材料单位体积的质量，单位为kgm3，也称体积质量。5.热膨胀系数c在常温下混凝土的热膨胀系数由水泥浆和骨料的热膨胀系数所决定。8.3钢筋的高温性能8.3.1钢筋的高温后力学性能8.3.2钢(筋)的热物理性能8.3.3钢筋和混凝土的粘结强度8.3.1钢筋的高温后力学性能1.屈服强度2.极限强度3.弹性模量4.钢筋应力-应变关系5.破坏原因分析1.

13、屈服强度(1)对光圆钢筋的试验结果表明，500C以前，屈服强度比常温有不同程度的提高，500C以后，自然冷却和炉内冷却屈服强度持续下降，而喷水冷却屈服强度反而增大。(2)对螺纹钢筋的试验结果表明，500C以前，钢筋的屈服强度较之常温变化不大，500C以后，屈服强度持续下降，700C以后，自然冷却时屈服强度增大，在900C时，喷水冷却和炉内冷却后钢筋发生脆断。(3)对于高强碳素钢丝，在200C以内，屈服强度变化很小，200C以后，屈服强度迅速持续下降，到达900C时，炉内冷却后下降了71%，其余两种冷却方式下下降了55%。1.屈服强度图8-8光圆钢筋屈服强度折减系数与温度的关系(1)对光圆钢筋的

14、试验(1)对光圆钢筋的试验图8-9螺纹钢筋屈服强度折减系数与温度的关系(2)对螺纹钢筋的试验(3)对于高强碳素钢丝(3)对于高强碳素钢丝图8-10高强碳素钢丝屈服强度折减系数与温度的关系2.极限强度(1)试验表明，500C以前光圆钢筋的极限强度比常温有所提高，500C以后开始下降，只是在900C时自然冷却略有上升，而喷水冷却急剧上升。(2)对螺纹钢筋的试验表明，500C以前螺纹钢筋的极限强度比常温有不同程度的提高，500C以后强度下降很快，达到700C以后，有所增大，也就是说螺纹钢筋的极限强度在700C时达到最小。(3)受火温度对于钢丝的极限强度有较大的影响。2.极限强度图8-11光圆钢筋极限

15、强度折减系数与温度的关系(1)光圆钢筋的极限强度(1)光圆钢筋的极限强度图8-12螺纹钢筋极限强度折减系数与温度的关系(2)对螺纹钢筋的试验(2)对螺纹钢筋的试验图8-13高强碳素钢丝极限强度折减系数与温度的关系(3)受火温度对于钢丝的极限强度有较大的影响。3.弹性模量高温冷却后，三种钢筋的弹性模量与常温下的基本相同，故一般可考虑不予折减。4.钢筋应力-应变关系当钢筋温度小于500C时，冷却后其应力-应变关系与常温相同；当温度大于500C时，屈服平台消失。5.破坏原因分析钢在常温下的基本组织是铁素体、渗碳体和珠光体三种。8.3.2钢(筋)的热物理性能1.导热系数s2.比热容cs和质量密度s3.

16、热膨胀系数s加拿大T.T.Lie给出的钢材导热系数表达式为1.导热系数s2.比热容cs和质量密度s3.热膨胀系数s3.热膨胀系数s表8-3钢材和混凝土热工参数值的一般范围8.3.3钢筋和混凝土的粘结强度(1)高温作用时和高温作用后，钢筋和混凝土的粘结强度受到损伤，随着温度的升高，粘结强度呈连续下降趋势。(2)混凝土抗压强度的损伤系数和变形钢筋粘结强度的损伤系数是同一数量级。(3)变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的粘结强度大得多，严重锈蚀的光面钢筋的粘结强度好于新轧光面钢筋的粘结强度。(4)影响粘结强度的因素很多，包括强度、试验程序、钢筋形状和混凝土性能等。(5)高温下的粘结性能比冷却后的粘结性能稍

17、好。8.4其他常用建筑材料的高温性能8.4.1木材8.4.2塑料8.4.3胶合板8.4.4纤维板8.4.5难燃刨花板8.4.6粘土砖8.4.7石材8.4.8砂浆8.4.9石膏8.4.10石棉水泥材料8.4.11玻璃8.4.12岩棉板和矿渣棉板8.4.13玻璃棉板8.4.14硅酸钙板8.4.15膨胀珍珠岩板8.4.1木材(1)加压浸注。这种方法是将木材浸在容器内的阻燃剂溶液中，对容器内加压一段时间，将阻燃剂压入木材细胞中。常用的阻燃剂有磷酸铵、硫酸铵、硼酸铵、氯化铵、硼酸、氯化镁等。(2)常压浸注。这种方法是在常压、室温或加温约95C状态下将木材浸泡在阻燃剂溶液中。(3)表面涂刷。在木材表面涂刷

18、一层具有一定防火作用的防火涂料，造成保护性的阻火膜。8.4.2塑料1.塑料的燃烧过程2.塑料的燃烧特点1.塑料的燃烧过程(1)加热。塑料遇到火灾高温作用时，热塑性塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等)，达到一定温度时便开始软化，进而熔融变成粘稠状物质；热固性塑料(如酚醛树脂等)，在分解点以下温度不熔融，热量被积蓄起来。(2)分解。温度继续升高，塑料便发生分解，生成不燃性气体(如卤化氢、N2、O2、H2O等)、可燃性气体(烃类化合物等)和碳化残渣。(3)着火燃烧。当塑料受热分解产生的可燃性气体与空气混合并达到燃点时，则被引燃而发生燃烧。若无明火，把塑料加热到足够高的温度时，它也会发生燃烧。2.塑

19、料的燃烧特点(1)火焰温度高。塑料燃烧时放热量大，火焰温度高。许多塑料着火，其温度比木材在类似情况下着火的温度高。(2)燃烧速度。大多数塑料燃烧速度快。不同的塑料，由于比热容、导热系数、燃烧热不同，因而燃烧速度不同，通常燃烧热大、比热容小、导热系数大的塑料其燃烧速度较快。例如聚乙烯的燃烧速度为7.630.5mmmin，聚苯乙烯为12.763.5mmmin。(3)发烟量大。塑料燃烧时产生大量又浓又黑的烟，远远超过木材燃烧的烟，严重妨碍人员疏散和火灾扑救。(4)毒性大。塑料燃烧产物的毒性比木材等传统材料大得多，其放出的有害气体，因塑料种类不同而不同。(4)毒性大。表8-5塑料的燃烧特性(4)毒性大

20、。表8-5塑料的燃烧特性8.4.3胶合板纤维板的燃烧性能取决于胶粘剂。使用无机胶粘剂，得到难燃的纤维板。使用各种树脂作胶粘剂，则随着树脂的不同，得到易燃或难燃的纤维板。8.4.4纤维板纤维板的燃烧性能取决于胶粘剂。使用无机胶粘剂，得到难燃的纤维板。使用各种树脂作胶粘剂，则随着树脂的不同，得到易燃或难燃的纤维板。8.4.5难燃刨花板难燃刨花板是具有一定防火性能的木质刨花人造板材，是以木质刨花或木质纤维(如木片、木屑等)为原料，掺加胶粘剂、阻燃剂、防腐剂和防水剂等组料经压制而成。8.4.6粘土砖粘土砖经过高温煅烧，不含结晶水等水分，即使含极少量石英，对制品性能影响也不大，因而再次受到高温作用时性能

21、保持平稳，耐火性良好。8.4.7石材石材是一种耐火性较好的材料。石材在温度超过500C以后，强度降低较明显，含石英质的石材还发生爆裂。8.4.8砂浆砂浆由胶结材料(水泥、石灰等)、细骨料(砂)和水拌合而成。由水泥、砂、水拌合而成的称为水泥砂浆。由石灰、砂、水拌合而成的称为石灰砂浆。8.4.9石膏1.装饰石膏板这种板材以建筑石膏为主要原料，掺加适量纤维增强材料和外加剂，与水一起搅拌成均匀的料浆，经浇注成型、干燥而成为不带护面纸的装修板材。2.纸面石膏板纸面石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺加纤维和外加剂构成芯材，并与护面纸牢固地结合在一起的建筑板材，属于难燃板材。8.4.10石棉水泥材料石棉水泥材

22、料根据用途可分为屋面材料(小块石棉瓦、大块波形石棉瓦)、墙壁材料(加压平板、大型波板)、管材(压力管、外压力管和通风管)、电气绝缘板等四种。8.4.11玻璃1.普通平板玻璃这种玻璃大量用于建筑的门窗，其虽属于不燃材料，但耐火性能很差，在火灾高温作用下由于表面的温差会很快破碎。2.夹丝玻璃夹丝玻璃是在玻璃成型过程中，将经过预热处理的金属丝网加入已软化的玻璃中，经压延辊压制成。3.复合防火玻璃复合防火玻璃又称为防火夹层玻璃，它是将两片或两片以上的普通平板玻璃用透明防火胶粘剂胶结而成的。8.4.12岩棉板和矿渣棉板这两种板是新型的轻质绝热防火板材，广泛用于建筑物的屋面、墙体和防火门上。8.4.13玻璃棉板玻璃棉板是以玻璃棉无机纤维为基材，掺加适量胶粘剂和附加剂，经成型烘干而成的一种新型轻质不燃板材，可长期在300400C的温度环境中使用，在建筑中常用作围护结构的保温、隔热、吸声材料。8.4.14硅酸钙板硅酸钙板是将二氧化硅粉状材料、石灰、纤维增强材料和大量的水经搅拌、凝胶化、成型、蒸压、养护、干燥等工序制作而成的一种轻质不燃板材，可长期在650C的条件下使用。8.4.15膨胀珍珠岩板这是以膨胀珍珠岩为主要骨料，掺加不同种类的胶粘剂，经搅拌、成型、干燥、焙烧或养护而成的一种不燃板材，可长期在900C的条件下使用。