建筑钢材的耐火性

一、建筑钢材的耐火性

建筑钢材是建筑材料的三大主要材料之一。可分为钢结构用钢材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。但就防火而言，钢材虽然属于不燃性材料，耐火性能却很差，耐火极限只有0．15h。

建筑钢材遇火后，力学性能的变化体现为：

1．强度的降低

在建筑结构中广泛使用的普通低碳钢在高温下的性能如图6－8所示。抗拉强度在250～300℃时达到的最大值（由于蓝脆现象引起）；温度超过350℃，强度开始大幅度下降，在500℃时约为常温时的1／2，600℃时约为常温时的1／3。屈服点在500℃时约为常温的1／2。由此可见，钢材在高温下强度降低很快。此外，钢材的应力—应变曲线形状随温度升高发生很大变化，如图6－9，温度升高，屈服平台降低，且原来呈现的锯齿形状逐渐消失。当温度超过400℃后，低碳钢特有的屈服点消失。

图6－8　普通低碳钢高温力学性能

普通低合金钢是在普通碳素钢中加入一定量的合金元素冶炼成的。这种钢材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。

图6－9　普通低碳钢高温下应力－应变曲线

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，其内部晶格构架发生畸变，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，在相同的温度下，冷加工钢筋强度降低值比未加工钢筋大很多。当温度达到300℃时，冷加工钢筋强度约为常温时的1／3；400℃时强度急剧下降，约为常温时的1／2；500℃左右时，其屈服强度接近甚至小于未冷加工钢筋的相应温度下的强度。

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℃以内时，强度不降低；温度达350℃时，强度降低约为常温时的1／2；400℃时强度约为常温时的1／3；500℃时强度不足常温时的1／5。

预应力混凝土构件，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，因此耐火性能远低于非预应力混凝土构件。

2．变形的加大

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℃，对于合金钢为400～450℃，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屈服强度时，蠕变会明显增大。

普通低碳钢弹性模量、伸长率、截面收缩率随温度的变化情况如图6－9所示，可见高温下钢材塑性增大，易于产生变形。

钢材在高温下强度降低很快，塑性增大，加之其热导率大［普通建筑钢的热导率高达67．63W／（m·K）］，是造成钢结构在火灾条件下极易在短时间内破坏的主要原因。试验研究和大量火灾实例表明，一般建筑钢材的临界温度为540℃左右。而对于建筑物的火灾，火场温度在800～1000℃。因此处于火灾高温下的裸露钢结构往往在10～15min，自身温度就会上升到钢的极限温度540℃以上，致使强度和载荷能力急剧下降，在纵向压力和横向拉力作用下，钢结构发生扭曲变形，导致建筑物的整体坍塌毁坏。而且变形后的钢结构是无法修复的。

为了提高钢结构的耐火性能，通常可采用防火隔热材料（如钢丝网抹灰、浇注混凝土、砌砖块、泡沫混凝土块）包覆、喷涂钢结构防火涂料等方法。