高温对黏土砖砌体抗压强度影响研究进展

郑文忠，黄文宣，王 英，焦贞贞

(结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090)

火灾是高频灾种[1-3]，建筑火灾是最常见的火灾，2014—2016年中国共发生火灾104.5万起，火灾直接财产损失120亿元[4-6].砌体主要是由块材和砌筑浆体砌筑而成的受力构件.块材主要有黏土砖、石材、混凝土砌块等.砌筑浆体主要为砂浆，也有用土坯做块材用泥巴做砌筑浆体的情况.

用混凝土砌块和砂浆砌筑而成砌体的耐高温性能可借鉴混凝土结构高温性能研究的成果进行考察.用土坯和泥巴砌筑而成的砌体目前已很少应用，不做讨论.本文在阅读相关文献的基础上，着力对砖砌体的抗火性能研究进展进行论述，包括黏土砖高温下和高温后的力学性能、砂浆高温后的力学性能和砖砌体高温后的力学性能.基于相关试验结果，建立了高温下和高温后黏土砖抗压强度折减系数计算公式、水泥砂浆高温后的抗压强度折减系数计算公式以及高温后水泥砂浆和混合砂浆砖砌体抗压强度折减系数计算公式.对用具有良好耐高温性能的碱矿渣胶凝材料做砌块和砌筑浆体的新型砌体的应用前景进行了展望.

1 材料的高温力学性能

1.1 黏土砖高温力学性能

1.1.1 资料收集

文献[7]对普通黏土实心砖和KP1型黏土空心砖进行了高温下抗压强度试验，实心砖和空心砖常温下抗压强度分别为37.9和38.3 MPa，升温速度为6～8 ℃/min，恒温40 min后进行高温下抗压试验，结果如表1所示.

表1 文献[7]高温下黏土砖抗压强度试验数据

分析力学性能变化的微观原因.500 ℃时，高岭石变成了煅烧高岭石，孔洞增加，降低了抗压强度.800 ℃时微结构几乎没有变化，但在此温度下孔结构和玻璃体微结构更易破碎，导致强度大幅下降[11-13].

文献[8]采用的试件尺寸为112.5 mm×112.5 mm×75 mm，常温强度为5 MPa.以2 ℃/min的速度加热到目标温度恒温1 h后，进行了高温下试验，发现历经温度在800 ℃时，抗压强度是常温强度的71%.试验结果如表2所示.

表2 文献[8]高温下黏土砖抗压强度试验数据

文献[9]进行了黏土砖的高温后抗压强度试验，常温强度为19.17 MPa.为了模拟实际火灾情况，升温时间和恒温时间都尽可能短，并在空气中自然冷却，300和600 ℃后黏土砖的残余强度分别为常温的80%和60%左右.试验结果如表3所示.

表3 文献[9]高温后黏土砖抗压强度试验数据

文献[10]对强度等级为MU20的黏土砖进行高温后力学性能研究，试验只选用了800 ℃以上的3个温度，在空气中冷却后进行抗压强度试验.结果表明，875 ℃时抗压强度只下降5%，898 ℃时下降16%.试验数据如表4所示.

表4 文献[10]高温后黏土砖抗压强度试验数据

1.1.2 黏土砖高温力学性能计算

20 ℃≤T≤1 000 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃.

(1)

图1 高温下黏土砖抗压强度折减系数与T的下包曲线

20 ℃≤T≤600 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃.

(2)

图2 高温后黏土砖抗压强度折减系数与T的下包曲线

在CECS252—2009《火灾后建筑结构鉴定标准》[14]中给出了高温后黏土砖抗压强度折减系数.根据式(2)计算的高温后黏土砖抗压强度折减系数与文献[14]给出的折减系数如表5所示.文献[14]认为黏土砖高温后抗压强度在经历温度不高于700 ℃时不降低.式(2)计算结果表明，黏土砖抗压强度在100 ℃高温后就下降，600 ℃高温后的抗压强度折减系数为0.562.

1.2 砌筑砂浆高温力学性能

1.2.1 资料收集

文献[15]通过对强度等级为M10和M20的水泥砂浆在不同温度后的抗压强度进行试验研究，得到历经温度对其高温后抗压强度的影响规律.强度等级为M10和M20的水泥砂浆实测常温强度分别为11.91和23.25 MPa，水灰比w/c分别为1.03和0.79，采用的升温速率为10 ℃/min，达到目标温度后，恒温90 min.结果表明，若历经温度不高于300 ℃，高温后抗压强度下降较小；若历经温度超过450 ℃，高温后抗压强度下降明显，结合水的脱出使得砂浆结构疏松.试验结果见表6.

表5 高温后黏土砖抗压强度计算值与规范值对比

表6 文献[15]高温后水泥砂浆抗压强度试验数据

文献[17]研究了强度等级为M30的水泥砂浆高温后抗压强度变化规律.水泥砂浆的实测常温强度为39.0 MPa，水灰比为0.44，采用的升温速率为3～5 ℃/min，达到目标温度后恒温4 h.自然冷却后进行抗压强度试验，结果见表7.

文献[18]研究了高温后水泥砂浆抗压强度的变化规律.水灰比为0.4，砂采用河砂.试验前先将试件放入烘干箱烘干至恒重，再放入高温炉内加热，加热至目标温度后恒温2 h，再自然冷却至室温后进行抗压强度试验.试验结果见表8.

表7 文献[17]高温后水泥砂浆抗压强度试验数据

表8 文献[18]高温后水泥砂浆抗压强度试验数据

文献[19]进行了强度等级为M30的水泥砂浆高温后的力学性能试验，水灰比为0.38.升温速率为2 ℃/min，恒温1 h.自然冷却后进行抗压强度试验，试验结果见表9.

表9 文献[19]高温后水泥砂浆抗压强度试验数据

文献[20]中研究了高温后水泥砂浆抗压强度随温度的变化规律.加热时以20 ℃/min的升温速率升到目标温度恒温2 h，自然冷却至室温后再进行抗压强度试验.研究表明，温度为200 ℃时，抗压强度小幅下降，300 ℃时抗压强度高于常温强度，400 ℃时再次下降.试验数据见表10.

1.2.2 水泥砂浆高温力学性能计算

表10 文献[20]高温后水泥砂浆抗压强度试验数据

T=100 ℃时，

(3)

T=200 ℃时，

(4)

T=300 ℃时，

(5)

T=400 ℃时，

(6)

T=500 ℃时，

(7)

T=600 ℃时，

(8)

T=700 ℃时,

(9)

T=800 ℃时,

(10)

图随w/c的拟合曲线

表11 高温后水泥砂浆抗压强度折减系数计算值与实测值对比

2 砖砌体的高温力学性能

2.1 数据收集

文献[9]对黏土实心砖墙进行高温后抗压试验研究，得到抗压强度随温度的变化规律.墙厚250 mm，墙高和墙宽为510 mm.采用M10水泥砂浆砌筑，黏土砖和水泥砂浆常温强度分别为19.17 MPa和13.0 MPa.升温速率为20 ℃/min，达到目标温度后恒温1 h.结果表明，高温后抗压强度在300 ℃时略有增加，600 ℃时平均下降了13%.试验数据见表12.

表12 文献[9]高温后砖砌体抗压强度试验数据

文献[10]研究高温后砖和砂浆的强度变化，砖的强度等级为MU20，砂浆强度等级为M5和M10，给出高温后强度折减系数，并参考GB50003—2011《砌体结构设计规范》给出砖砌体抗压强度平均值的计算公式，给出了高温后砖砌体抗压强度平均值的计算公式：

fmt=K1(Ct1f1)α(1+0.07Ct2f2)K2.

(11)

式中：fmt为高温后无筋砖砌体的抗压强度平均值；f1为常温下黏土砖的抗压强度平均值；f2为常温砂浆的抗压强度平均值；α为参数，等于0.5；K1为无筋砖砌体受压安全系数，等于0.78；K2为砂浆强度抗压计算系数.当f2<1时，K2=0.6+0.4f2；当f2>1时，K2=1；Ct1为火灾后砖抗压强度折减系数；Ct2为火灾后砂浆抗压强度折减系数.根据式(11)计算的结果见表13所示.

表13 文献[10]高温后砖砌体抗压强度计算值

文献[21]等对经历不同温度后的黏土砖墙试件进行抗压强度试验，得到砖墙抗压强度随温度的变化规律.试件尺寸为746 mm×365 mm×115 mm，采用强度等级为M10的混合砂浆.升温速率为5 ℃/min，达到目标温度后恒温1 h.结果表明，砖墙在经历800 ℃高温后，强度降低44%.文献[21]的砖墙高温后抗压强度数据见表14.

表14 文献[21]高温后砖砌体抗压强度试验数据

文献[22]等研究了砖墙高温后的抗压强度变化规律，试件尺寸为189 mm×120 mm×115 mm，采用强度等级为M10的混合砂浆.发现砖墙抗压强度随温度升高不断下降，在800 ℃高温后，抗压强度为常温的65%左右.试验数据见表15.

表15 文献[22]高温后砖砌体抗压强度试验数据

2.2 砖砌体高温力学性能计算

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃，

(12)

20 ℃≤T≤950 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃.

(13)

图4 高温后用水泥砂浆砌筑的砖砌体抗压强度折减系数与T的下包曲线和拟合曲线

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃，

(14)

20 ℃≤T≤800 ℃，T<20 ℃时取T=20 ℃.

(15)

图5 高温后用混合砂浆砌筑的砖砌体抗压强度折减系数与T的下包曲线和拟合曲线

根据式(12)和(13)计算的高温后砖砌体抗压强度折减系数与CECS252—2009《火灾后建筑结构鉴定标准》给出的折减系数如表16所示.可以看出，CECS252—2009《火灾后建筑结构鉴定标准》中，若历经温度不高于100 ℃，高温后抗压强度与常温下相同，而式(12)和(13)中，经历100 ℃高温后抗压强度略低于常温下抗压强度；历经200～700 ℃，基于式(12)所得高温后水泥砂浆砖砌体抗压强度折减系数高于CECS252规定，基于式(13)所得的高温后混合砂浆砖砌体抗压强度折减系数与CECS252规定相近.拟合所得的高温后黏土砖抗压强度折减系数在历经温度为500 ℃时为0.637，高温后水泥砂浆抗压强度折减系数在历经温度为500 ℃时为0.520，而高温后水泥砂浆砖砌体抗压强度折减系数在历经温度为500 ℃时为0.885，对这一结论的内在原因有待进一步研究.

表16 高温后砖砌体抗压强度计算值与规范值对比

3 结论与展望

1)高温下和高温后黏土砖抗压强度均随温度的升高而降低，CECS252—2009《火灾后建筑结构鉴定标准》认为高温后黏土砖抗压强度在历经温度700 ℃以前不降低，而收集到的数据表明，历经温度300 ℃后的高温后抗压强度为常温下抗压强度的86.8%～96.2%，600 ℃时其高温后抗压强度为常温下的50.4%～71.8%.给出了高温后黏土砖抗压强度随历经温度变化的下包线.

2)高温后水泥砂浆抗压强度总体上随历经温度的升高而降低.CECS252—2009《火灾后建筑结构鉴定标准》未考虑水灰比对高温后水泥砂浆抗压强度的影响.收集到的试验数据分析结果表明，若历经温度介于300～800 ℃，水灰比不大于0.45时，高温后水泥砂浆抗压强度随水灰比增大而增大；若水灰比大于0.45，高温后水泥砂浆抗压强度随水灰比增大而减小.

3)用水泥砂浆或混合砂浆砌筑的黏土砖砌体高温后抗压强度都随历经温度的升高而降低.历经200～700 ℃，用水泥砂浆砌筑的黏土砖砌体高温后抗压强度折减系数高于CECS252规定，用混合砂浆砌筑的黏土砖砌体高温后抗压强度折减系数与CECS252规定相近.

4)黏土砖砌体高温试验研究多以块体和砂浆的强度以及温度作为参数，但实际上同样的砂浆强度可能水灰比等参数也不同，高温试验研究应细化参数，获得多参数影响下的强度退化规律.

5)现有研究成果较多涉及黏土砖、砂浆及黏土砖砌体的高温下和高温后抗压强度，对影响结构安全的弹性模量、刚度等因素研究很少，且研究对象只针对新砌体，对既有建筑中旧砌体的抗火性能鲜有涉及.