防火涂料對鋼材高溫力學(xué)性能的影響研究

防火涂料對鋼材高溫力學(xué)性能的影響研究

摘　要：用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機對鋼材進行恒溫加載拉伸試驗，獲得噴涂防火涂料前后鋼材在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和條件屈服強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)。通過比較裸鋼與噴涂防火涂料的鋼材在高溫條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、條件屈服強度與彈性模量的變化規(guī)律，分析防火涂料對鋼材高溫力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明，對于未噴涂防火涂料的鋼材來說，隨著溫度的升高，彈性區(qū)域變得越來越小，升高同一應(yīng)力增量所產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸變大，條件屈服強度和彈性模量逐漸降低。對于噴涂防火涂料后的鋼材來說，隨著溫度的不斷升高，涂料層的防火隔熱性能特征越加明顯，在鋼材的加熱區(qū)域，表層有許多鼓泡，防火涂料均勻膨脹，而且鋼材表層還有一層密實的碳化層。正是由于防火涂料的防火隔熱作用，相對裸鋼來說，隨著溫度升高，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線彈性區(qū)變大，對于同一應(yīng)力增量的應(yīng)變變化小，鋼材的條件屈服強度、彈性模量隨著溫度的升高緩慢降低，使得鋼材在高溫條件下具有很穩(wěn)定的力學(xué)性能。為鋼材的使用及防火保護提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞　鋼材；恒溫加載；防火涂料；高溫力學(xué)性能

Study of the Effect on the Steel Mechanical Behaviors of Fire-Retardant Coating

Abstract: Using WAW-1000 computer controlled electro-hydraulic servo universal testing machine, the stress-strain curve, offset yield strength, and modulus of elas
……（新文秘網(wǎng)http://jey722.cn省略1167字，正式會員可完整閱讀）……　
dulus of elastic decrease gradually, so the steel treated with fire-retardant coating has a more stable mechanical property. Provide the theoretical reference for the use and fire prevention of steel.

Keywords: steel; loading under constant temperature; fire-retardant coating; mechanical behaviors under high temperature



目　錄

摘要 I
Abstract II
目錄 III

1　緒論 1
1.1　鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和火災(zāi)危險性 1
1.2　鋼結(jié)構(gòu)的防火保護 1
1.3　鋼材在高溫下的力學(xué)性能 2
1.4　本文的研究內(nèi)容 3
2　試驗內(nèi)容 4
2.1　試驗設(shè)備 4
2.2　試驗材料 4
2.2.1　裸鋼 4
2.2.2　噴涂防火涂料的鋼材 5
2.3　試驗方法 6
2.4　試驗過程 6
3　試驗結(jié)果與分析 8
3.1　不同溫度下的試驗現(xiàn)象 8
3.2　應(yīng)力-應(yīng)變曲線 9
3.3　鋼的條件屈服強度 15
3.3.1　裸鋼的條件屈服強度變化 16
3.3.2　噴涂防火涂料的鋼材的條件屈服強度變化 16
3.3.3　防火涂料對條件屈服強度的影響 17
3.4　鋼的彈性模量 18
3.4.1　裸鋼的彈性模量變化 18
3.4.2　噴涂防火涂料的鋼材的彈性模量變化 18
3.4.3　防火涂料對彈性模量的影響 19
4　結(jié)論 20
參考文獻 21
致謝 23

1　緒論

1.1　鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和火災(zāi)危險性
　　隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑、摩天大樓成為城市現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，其數(shù)量增長迅速，公共娛樂場所、體育館、候機廳、大型工業(yè)廠房的數(shù)量也在高速增長，據(jù)統(tǒng)計，截止到1995年底，世界上最高的100棟建筑（218～413 m）中，鋼結(jié)構(gòu)和鋼-鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)就有63幢，占總數(shù)的三分之二。在這些重要建筑、大跨度建筑和高層建筑中，對大跨度空間結(jié)構(gòu)及超高層鋼結(jié)構(gòu)的需求不斷增加，采用鋼結(jié)構(gòu)是十分理想的，而鋼材是能夠滿足上述結(jié)構(gòu)要求的主要輕質(zhì)高強材料之一[1]。特別是新型建筑，這些建筑中往往按智能型建筑設(shè)計、建造，結(jié)構(gòu)上多采用鋼結(jié)構(gòu)型式，能滿足其內(nèi)部功能復(fù)雜，設(shè)施繁多的特點，為我們提供了大量的標(biāo)志性建筑，帶來了美妙的視覺效果。同傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、受荷載能力強、自重輕、占空間體積小、構(gòu)件制造方便與施工周期短、再生利用率高，節(jié)約鋼筋等許多優(yōu)點，目前，隨著我國建筑造型的多樣化、多功能化趨勢發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)有了更大的發(fā)展空間[2]。
　　但是，由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面寬展、瘦長，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大（約為混凝土的40倍），以及鋼材力學(xué)性能對溫度的敏感性等原因，鋼結(jié)構(gòu)的致命缺點是耐火性能差，火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的威脅遠大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)在未進行防火處理的情況下其本身雖不會起火燃燒，但遇高溫，鋼結(jié)構(gòu)的強度會迅速下降，承載能力降低，變形增大。一般鋼結(jié)構(gòu)溫度達到350 ℃、500 ℃、600 ℃時，強度分別下降1/3、1/2、2/3，一般情況下，使鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為550 ℃左右。而普通火場溫度達800 ℃～1 000 ℃，鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限僅為0.25 h，在較短的時間（10～20 min）內(nèi)就能達到極限狀態(tài)以至發(fā)生破壞。所以一旦遭遇火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)建筑將很快垮塌。
1.2　鋼結(jié)構(gòu)的防火保護
　　從鋼框架建筑結(jié)構(gòu)和大跨度屋頂鋼結(jié)構(gòu)建筑遭受火災(zāi)造成重大損失的教訓(xùn)中，應(yīng)該認(rèn)識到必須對鋼結(jié)構(gòu)采取可靠的防火保護措施，提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的耐火性能。因此，鋼結(jié)構(gòu)的防火是一個不可回避的安全問題。
　　鋼結(jié)構(gòu)的防火保護就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限由0.25 h提高到防火設(shè)計規(guī)范規(guī)定的耐火極限，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫產(chǎn)生變形坍塌，從而為消防滅火和安全疏散贏得時間。目前，世界各國對鋼結(jié)構(gòu)采用多種方法進行保護，這些方法從原理上來說可分為兩類：截流法和疏導(dǎo)法。截流法是截斷或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱量向構(gòu)件傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫度不超過其臨界溫度。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。在防火保護的多種形式和措施中，使用防火涂料是一種比較理想的方法。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料噴涂在鋼構(gòu)件表面，對其進行防火隔熱保護，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫而強度降低，失去支撐能力，導(dǎo)致建筑物垮塌[3]。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火隔熱原理為：涂覆在鋼構(gòu)件上的防火涂料或是本身的導(dǎo)熱系數(shù)低（非膨脹型），或是涂料受火時發(fā)泡形成泡沫層（膨脹型），其泡沫層不僅隔絕了氧氣，而且具有良好的隔熱性，其熱導(dǎo)率很低，延滯了熱量傳向被保護基材的速度。另外涂覆在鋼材上的涂層不燃，對鋼構(gòu)件起屏障和防止熱輻射作用，避免了火焰和高溫直接進攻鋼構(gòu)件。還有涂料中的有些組份遇火相互反應(yīng)而生成不燃氣體的過程是吸熱反應(yīng)，也消耗了大量的熱，有利于降低體系的溫度，故防火效果顯著，對鋼材起到高效的防火隔熱保護[4]。
1.3　鋼材在高溫下的力學(xué)性能
　　隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，鋼被廣泛地應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型材、板材和鋼筋混凝土中，幾乎在所有現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑中都使用。由于其應(yīng)用及其結(jié)構(gòu)形式發(fā)展較快，人們對鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)安全要求越來越高，對火災(zāi)的防范工作日益重視，給鋼結(jié)構(gòu)的防火保護帶來一些新問題。當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時，作為結(jié)構(gòu)材料鋼的力學(xué)性能會隨著溫度的升高而發(fā)生很大的變化，國家檢測中心試驗表明，強度極限和彈性模量隨著溫度的升高而降低。極限強度先隨著溫度的升高而升高，在200 ℃時達到最大值，比常溫下的極限強度提高了22.9%（在300 ℃以下，極限強度較常溫下都有所增加）；在200 ℃以后，極限強度隨著溫度的升高而降低[5]，在600 ……（未完，全文共13782字，當(dāng)前僅顯示3279字，請閱讀下面提示信息。收藏《防火涂料對鋼材高溫力學(xué)性能的影響研究》）