消防射水对炽热黏土砖抗压性能影响的试验研究

邱景通，周 昕

(天津滨海新区消防支队，天津 300457)

消防射水对炽热黏土砖抗压性能影响的试验研究

邱景通，周 昕

(天津滨海新区消防支队，天津 300457)

简要介绍我国以实心黏土砖墙为主要承重体系的建筑使用现状。针对其在火灾中失去承载能力而倒塌的情况，对黏土砖试样在高温条件下模拟消防射水试验，分析高温和消防射水对黏土砖抗压性能的影响因素，得出黏土砖在不同试验条件下抗压性能的变化规律，为我国黏土砖建筑结构在高温、消防射水条件下抗压性能的研究提供一些基础性的数据支持。

黏土砖；消防射水；破碎率；抗压性能

0 引言

目前我国农村房屋及乡镇企业厂房等采用的几乎都是砖混结构建筑体系，半数以上该类建筑为20世纪80～90年代建造，使用期限较长，砖混结构作为承重体系其强度已发生了变化，一旦发生火灾，黏土砖在高温下的力学性能会发生巨大变化，直至酥软解体而丧失承载力，灭火用消防射水也会加速建筑物在短时间内倒塌。理论上,用水泥砌筑的普通黏土砖实心墙，属于不燃烧体，耐火极限为2～3 h。实践证明，在火灾情况下，砖混结构的楼宇会发生复杂的变化，黏土砖的吸水率为23%～25%，被水浸渍后，其自重迅速增大(上海建筑科研所的试验表明，黏土砖在前5 min的吸水量相当于其在48 h内吸水量的80%[1])，而普通实心黏土砖的耐火性能很低，在火灾的高温状态下遇冷水会迅速开裂，酥软解体，逐渐丧失承载能力，并伴随着砖表面出现剥裂现象，反复若干次后，黏土砖解体，完全丧失承载能力。在火场上，砖混结构建筑在连续大量消防射水的条件下会加大结构本身的荷载，时断时续的喷水也将加速砖体的破坏[2]。

早在20世纪50年代，国内有关砖混结构墙体材料(黏土砖)在高温下失去承载能力的问题就已开始研究，近年来有关这方面研究的文献较多，但基本上局限于黏土砖的定性分析，有关实心黏土砖应力-变形的关系、温度-变形的关系以及材料热物理参数的取值等的研究还很不系统，特别是对于黏土砖在高温下模拟消防射水的试验研究更少，无法为砖混结构建筑在火灾下承重体系的变化研究提供足够的基础性数据。

1 试验过程

实心黏土砖分青砖和红砖两种，本文涉及的红砖是一种长期被大量生产和广泛使用的建筑材料，目前广泛应用于农村房屋及乡镇企业厂房等建设中。实心黏土砖的主要成分都是具有很高晶格能的高熔点或高分解温度的单质或化合物。这些单质或化合物在黏土砖生产或服役过程中能形成稳定的具有优良性能的矿物，其中氧化物主要包含Al2O3、BeO、Cr2O3、MgO、CaO、SiO2等，这些氧化物在地壳中分布较多而且较易提取与利用。另外，一些碳化物、氮化物、硅化物和硼化物，也可作为耐火材料的主要成分[3]。国外近几年主要是针对新型墙体材料，节能新技术、新产品及相关配套产品，节能屋面系统的保温、隔热技术与材料，干混砂浆(保温砂浆)等进行研究，对于黏土砖的试验研究非常少[4-5]。

本文主要针对砖混结构建筑物，尤其是以实心黏土砖墙为主要承重体系的建筑物，在火灾中失去承载能力而倒塌的现状，对黏土砖试样在高温条件下模拟消防射水试验，分析高温和消防射水对黏土砖抗压性能的影响因素。

从民用单元式住宅建筑工地上取得实心黏土砖试样(该建筑系砖混结构承重体系)，经切割机加工后制备成规格为110 mm×110 mm×50 mm，标重为1 kg的标准试样。结合箱式电阻炉、万能试验机，对不同温度、不同恒温时间、不同消防射水量作用下的黏土砖试样进行抗压试验，分析试验所得数据和碎片的质量，从而得出黏土砖在不同试验条件下抗压性能的变化规律。

1.1 试验仪器

万能试验机，主要参数见表1；箱式电阻炉，主要参数见表2，附带夹取黏土砖的铁钳1把；BX3200H型电子天平，测量精度0.01 g；烧杯，容积200 mL；塑料喷壶，容积500 mL；电动齿轮切割机1台。

表1 微机控制电液伺服万能试验机主要参数

表2 箱式电阻炉主要参数

1.2 试验材料

实心黏土砖试样：共需19块试样，均从一幢六层民用单元式住宅建筑工地上取得(该建筑系砖混结构承重体系)，经切割机加工后制备成规格为110 mm×110 mm×50 mm，标重为1 kg的标准试样。模拟消防射水材料：自来水，成分与消火栓所提供的水质基本一致。

1.3 试验措施

1.3.1 常温加压

取一块黏土砖试样(未喷水)称其质量M0，利用万能试验机对其进行常温20 ℃下的抗压试验，不需要外界加热，加压结束后收集压落的碎片，质量为M2，通过计算得出碎片率X和破碎率α。

式中，M0是加热前黏土砖试样的质量(g)；M1是加热后喷水产生的碎片质量(g)；M2是进行压断后产生的碎片质量(g)；X1是加热后喷水产生的碎片率；X2是进行压断后产生的碎片率；X是试样总的碎片率；α是试样压断后的破碎率。

1.3.2 高温加压

共需9块试样，分成3组(每组各3块)，每组内3块黏土砖试样的恒温时间依次为：30min、45min、60min，第一组试样恒温1 000 ℃，不模拟消防射水直接加压；第二组和第三组试样恒温1 000 ℃后模拟消防射水，射水量分别为：100mL、200mL，射水之后再利用万能试验机对上述三组不同条件下的黏土砖试样依次进行加压试验，黏土砖的应力-应变情况可由万能试验机的自动感应系统测得，并输入电脑主机得出试验所需数据；碎片率、破碎率的计算同式(1)～式(4)。

2 试验结果及分析

2.1 常温下黏土砖试样的受压试验数据分析

在常温(20 ℃)条件下，直接把试样放在万能试验机的托盘上进行抗压试验，在施加压力较小的阶段没有观察到外形的变化，随着外力的不断增大，受压试样开始变形并伴有“咔咔”的声响，持续一段时间后其承载力达到了峰值，表面发生严重变形直至酥软解体，同时产生了少量碎片。常温下的数据统计见表3。常温条件下试样内部晶格没有发生太大的变化，图1给出了本文关于常温下黏土砖试样的压力-变形曲线。从图1可以看出，常温下试样的变形随着压力的增大而增加，当压力值达到653.5kN时，所能承受的压力急剧减小，砖体本身已接近解体，此时黏土砖本身就已经失去了抵抗外部荷载的能力。

图1 常温下试样的应力-应变曲线

2.2 恒温下黏土砖抗压试验数据分析

试样在恒定温度1 000 ℃，不喷水、不同喷水量的条件下在每个恒定时间内(30min、45min、60min)分别进行试验，数据统计如表4。

2.2.1 温度、喷水量恒定不同恒温时间条件下试验数据的比对分析

1 000 ℃不喷水条件下试验现象分析：恒温加热炉温度升高到1 000 ℃后，3块试样依次恒温30min、45min、60min，到达规定时间后将试样放在试验机托盘上，试样表面呈鲜红色；在加压过程中，试样外表面开始变形并不时发出“咔咔”的声响；当压力升高到一定值后，试样四周开始酥软解体而失去承载力，产生较多的碎片，图2～图4给出了本文关于不同试验条件下试样的压力-变形曲线。

从图2～图4可以看出，随着施加压力的增大黏土砖试样的变形随之增大，当所施加的压力增大到一定程度时，黏土砖失去抵抗能力而酥软解体；试样的屈服强度随恒温时间的增加而减小；在图3中恒温45min的试样在低于300kN时比恒温30min试样的变形大，但在压力高于300kN后其变形却小于恒温30min的试样，恒温45min的试样的屈服强度也是大于恒温30min试样的。考虑到黏土砖本身的组成成分大体相同，在烧制过程中砖窑中的温度场不尽相同，导致上述两块试样出现了“黑心”现象，这种砖内核呈黑色，表面依然呈红色，内部强度比红心砖要大很多，在恒温时间较长的情况下“黑心”砖能够抵抗的压力就会高于恒温时间短的试样。所以黏土砖在高温条件下屈服强度反而会增大，也是符合实际生产工艺的，若改进烧制工艺使得温度场一致那么砖混结构建筑抵抗火烧的能力将会大大提高。

图2 1 000 ℃不喷水情况下的应力-应变曲线

图3 1 000 ℃喷水100 mL情况下的应力-应变曲线

图4 1 000 ℃喷水200 mL情况下的应力-应变曲线

2.2.2 温度、加热时间恒定喷水量不同条件下试验数据的比对分析

用烧杯分别量取100mL、200mL水加入喷壶中，恒温60min时间结束取出试样后，可以观察到黏土砖试样表面颜色更鲜红，而且在受压面有部分凸出，造成了初期的受压不均；在喷水过程中水有部分渗透到黏土砖试样中形成水渍，其余的都气化了，碎片数量较前两块试样多。图5给出了不同条件下的应力-应变曲线。

图5 1 000℃恒温60 min情况下的应力-应变曲线

从图5可以看出，所有曲线都能说明黏土砖试样的变形随着压力的增大而增大，由于加热时间的不同，不同试样的屈服强度是不相同的，在温度和加热时间相同的条件下屈服强度会随着喷水量的增多而减小；温度为1 000 ℃的试样在压力很小的时候便出现了较大的变形，主要原因是试样在高温状态下受水表面发生了不规则的凸出变形，试验机施加的压力作用在凸出表面使得接触面积变小，相应承受的压强就大。

2.3 恒温条件下黏土砖破碎率分析

黏土砖试样破碎率α是指其在外部荷载作用下产生结构破坏或破损，分裂成多个更小颗粒。颗粒破碎会引起砖体内部固有结构的改变，从而影响其物理力学性质。从力学角度来说，黏土砖试样(土体颗粒)本身是不可压缩和破碎的，其变形是孔隙中气和水的排出和颗粒的重组，摩擦和滑移是其强度理论的基础。但实际上黏土砖在受到高于自身强度的应力作用下会发生部分或整体破碎。图6给出了黏土砖试样在不同条件下的破碎率-恒温时间曲线。

图6 恒温1 000 ℃不同喷水情况下的破碎率-恒温时间曲线

从图6可看，在试验条件下，试样的破碎率是随着恒温时间的增加而增大的，在相同恒温时间下喷水量越大试样的破碎率就越大，不喷水试样在恒温60min条件下的破碎率(α=0.584 49)高于喷水100mL试样在恒温30min条件下的破碎率(α=0.535 68)，这说明恒温时间越长可能产生更多的裂隙与缺陷，这是造成该类试样破碎率较高的主要原因，黏土砖试样的破碎率随恒温时间和喷水量的增大而增加。

3 结论

实心黏土砖在高温环境下内部结构发生突变，其所能承受的压力随着温度、恒温时间的增加而减小；不同的烧制工艺和烧制温度生产的黏土砖强度不尽相同，“黑心”砖强度最大，耐火性能最好。本文在高温条件下模拟消防射水，其抗压性能显著下降，产生了少量碎片和更多的裂隙与缺陷，得出碎片率值越大其自身的物理力学性质就越差，产生碎片时表明黏土砖本身已经失去了最佳的力学性能。黏土砖在高温条件下进行快速冷却抗压性能的显著变化，给火灾条件下进行消防射水提出新的课题。为了完善实心黏土砖在高温环境下的各种数据资源，还需要进一步的研究和探讨关于黏土砖以及黏土砖建筑在特定条件下的诸多变化规律。

[1] 何水清.空心砖的某些物理性能与墙的功能研究[J].四川建材,2005,(4):11-14.

[2] 魏平安.衡州大厦是怎样倒塌的[J].建筑知识,2004,(1):8-10.

[3] 黄质宏,朱立军,廖义玲,等.不同应力路径下红粘土的力学性能[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2599-2603.

[4] 杨守生.消防工程专业实验[M].2003.

[5] 张亚林.砖混危楼综合检测与加固处理[J].施工技术,2006,35(S1):173-174.

(责任编辑 马 龙)

An Experimental Study on the Influence of Water Jetting upon the Load-carrying Ability of Hot Clay Brick

QIU Jingtong, ZHOU Xin

(BinhaiNewAreaMunicipalFireBrigade,Tianjin300457,China)

The paper briefly reviewed the current situation of the buildings which have solid brick walls as the main load-carrying structure in China. The experiment is carried out to study and analyze how the brick construction resists a pressure under a fire-water sprinkling and high temperature. Compared with the different conditions, the experimental test shows that the structure and the resistibility of the clay brick changes dramatically with a constant fire-water sprinkling and increased temperature, which provides some basic data for relative studies.

clay brick; fire-water sprinkling; crushing rate; load-carrying ability

2015-03-11

邱景通(1982— )，男，河北黄骅人，助理工程师； 周昕(1986— ),女，天津武清人。

TU317;D631.6

A

1008-2077(2015)08-0014-05