HJCE
Hans Journal of Civil Engineering
2326-3458
Scientific Research Publishing
10.12677/HJCE.2016.55027
HJCE-18555
HJCE20160500000_42783774.pdf
工程技术
厚型钢结构防火涂层抗压强度的统计特性研究 Statistical Properties of Compressive Strength of Thick Fireproof Coating for Steel Structure
麦吾兰•
阿力木江
1
*
陈
素文
3
1
2
吴
林森
1
2
同济大学土木工程学院，上海；同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海
同济大学土木工程学院，上海
null
* E-mail:
mevlan.alim@qq.com(麦阿)
;
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08
2016
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© Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc.
2014
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
本文针对厚型钢结构防火涂层的抗压强度展开了批量试验研究，分析了厚型防火涂层的受压破坏特征,并通过对所得试验结果的数理统计分析，获得了防火涂层抗压强度、弹性模量和极限应变的统计特性和取值。本文研究有助于进一步认识厚型钢结构防火涂层的力学性能，并为准确评价钢结构的震后抗火性能提供材性分析数据。 In this paper, batch tests have been conducted to obtain compressive strength of fireproof coating. The damage characteristic of the coating is analyzed, and the strength value, modulus of elasticity and ultimate strain under compressive loading are obtained through the statistical analysis. The finding from this paper helps to understand the mechanics properties of cementitious fireproof coating, and provides the coating material property data for the analysis of the residual fire resistance of a steel frame.
抗压强度，厚型钢结构防火涂层，批量试验，统计分析, Basic Mechanical Properties
Thick Fireproof Coatings
Batch Tests
Statistical Analysis
厚型钢结构防火涂层抗压强度的统计特性研究<sup> </sup>
麦吾兰·阿力木江1 ，陈素文1,2 ，吴林森1
1 同济大学土木工程学院，上海
2 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海
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收稿日期：2016年9月1日；录用日期：2016年9月17日；发布日期：2016年9月20日
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摘 要
本文针对厚型钢结构防火涂层的抗压强度展开了批量试验研究，分析了厚型防火涂层的受压破坏特征,并通过对所得试验结果的数理统计分析，获得了防火涂层抗压强度、弹性模量和极限应变的统计特性和取值。本文研究有助于进一步认识厚型钢结构防火涂层的力学性能，并为准确评价钢结构的震后抗火性能提供材性分析数据。
关键词 :抗压强度，厚型钢结构防火涂层，批量试验，统计分析
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1. 引言
地震次生火灾是地震最主要的次生灾害之一，有时比地震直接灾害造成的危害和损失还要大的多 [
1
] - [
4
] 。钢材以其强度高、重量轻、抗震性能佳和可靠性高等众多突出的优点被众多工程师所青睐。但是钢材的耐火性能较差，一般无防火保护的钢结构耐火时间很短，仅为10 min~20 min [
5
] ，当采用适当的防火措施时，可以有效地提高钢结构的耐火极限。厚型防火涂料因其耐火时间长，耐久性好，具有良好的经济性和实用性而被我国大规模使用。但厚型防火涂料与构件的粘结性能较差，在地震、碰撞或恐怖爆炸等灾害中，涂料因受到冲击或碰撞都会遭受不同程度的破损，甚至脱落。
国内外对钢结构厚型防火涂料的研究比较少，同济大学王野华、张志凌、董兆海和赵升等 [
6
] - [
9
] 对钢结构防火涂料的材性做出了初步试验研究；金楚 [
10
] 对不同养护条件下的厚型涂料的基本力学性能进行了初步研究。王卫永、李国强和李大华等 [
11
] 使用层间应力理论对拉伸和弯曲作用下防火涂料和钢板件之间的层间正应力进行了分析；江黎明和廖志娟等 [
12
] [
13
] 引入CZM模型分析了涂层界面与涂层内部的应力分布及裂缝发展模式。Braxtan和Pessiki [
14
] 对钢板件在受拉屈曲时，板件上喷涂型防火涂层的粘结性能进行了研究。
已有的试验及理论分析所用到的防火涂层力学性能参数未考虑到涂料力学性能的变异性。而根据本课题组的前期研究 [
15
] [
16
] ，防火涂料的力学性能，包括强度和模量，具有较大的离散性，而力学性能变异性对涂层破损有较大的影响。本文通过批量试验得到足够的试验数据，并进一步进行数据统计分析得出防火涂料力学性能的统计数据，完善对厚涂型钢结构防火涂料的材料力学性能的认识。
2. 试验方案设计
2.1. 试验所用设备和涂料
试验采用易川防火涂料有限公司生产的涂料(YC-1型)。涂料的主要成分有蛭石、珍珠岩、高岭土、轻钙、云母、水泥以及添加剂。该材料无毒不燃，不含有石棉成分，具有重量轻、干燥快、耐潮湿、耐冻融、耐腐蚀性、耐酸性、隔热性和抗老化等优良的理化性能。根据使用说明书进行涂料施工，试件先在养护室(温度为15˚~18˚，湿度为90%)养护28天，之后放在自然条件(温度10˚~20˚，湿度40%~80%)养护一周，如图1所示。
加载采用同济大学土木学院的电子万能试验机，型号规格：CMT4204 20KN，试验力误差：示值的±0.5%以内。
图1. 养护中的试验试块
2.2. 实验实施
进行了56个边长为70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的防火涂层的抗压强度试验，分别编号为C01-C56 (Compression)。采用非金属压缩模式，试件上下表面涂凡士林，以0.5 mm/min的速度均匀加载至试块破坏。
抗压强度计算公式如式1：
(1)
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其中：
—抗压强度(MPa)；
—抗压极限荷载(N)；
—受压面积(mm2 )。
3. 试验现象
典型的涂层单轴受压应力–应变曲线如图2所示(以试件C15受压过程为代表)，其中应变采用的是试验加载的位移与试件高度的比值。
由图2可见，在OA段和AB段，试件应力随应变的增长近似直线；过B点后呈现非线性状态，达到峰值C时，涂层上下段有横向裂缝出现。在CD段，试件表面出现斜向裂缝，如图3所示。达到D点时，裂缝逐步贯通，涂料表面局部开始脱落，如图4所示。在DE段，试件内部已经不再是单轴受力状态，而是承受正应力和剪应力的综合作用，随着荷载的增大，斜裂缝逐渐形成破坏带，残余应力缓慢下降。其余55个试块的破坏模式相同，受压应力–应变曲线也类似。
4. 试验结果统计分析
采用K-S检验方法对弹性模量、抗压强度以及极限应变的分布进行检验，在显著水平为α = 0.05时，均符合正态分布，其统计结果如表1所示。其中，弹性模量取值为弹性阶段应力比为0.4和0.8之间直线段的斜率。极限应变是试件应力应变曲线中最大应力对应的应变。
1) 涂层抗压强度
涂层抗压强度均值为 = 1.24 MPa，标准差 = 0.17 MPa。因此，涂层抗压强度的概率密度函数为式2：
(2)
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图2. C15应力–应变曲线
图3. 试块斜向裂缝
图4. 贯通的斜裂缝
Table 1
System resulting data of standard experimen
参数
均值
标准差
标准值
变异系数VC
fc (MPa)
1.24
0.17
0.96
0.14
Ec (MPa)
61.16
22.29
24.49
0.36
Ɛc
0.058
0.018
0.028
0.31
表1. 标准试验系统结果数据
由于涂层抗压强度试验结果服从正态分布模型，具有95%保证率的抗压强度正态分布模型为式3：
(3)
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其中均值方差，方差，变异系数由表1均为已知，由式3可求出相应的涂层抗压强度标准值，列入表1。
2) 涂层抗压弹性模量取值
涂层抗压弹性模量均值为 = 61.16 MPa，标准差 = 22.29 MPa。因此，涂层抗压弹性模量的其概率密度函数为式4：
(4)
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由于涂层抗压弹性模量试验结果服从正态分布模型，具有95%保证率的抗压弹性模量正态分布模型为式5：
(5)
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其中均值方差，方差，变异系数由表1均为已知，由式5可求出相应的涂层抗压弹性模量标准值，列入表1。
3) 涂层抗压极限应变取值
涂层抗压极限应变均值为 = 0.058，标准差 = 0.018。因此，涂层抗压极限应变的其概率密度函数为式6：
(6)
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由于涂层抗压极限应变试验结果服从正态分布模型，具有95%保证率的抗压极限应变正态分布模型为式7：
(7)
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其中均值方差，方差，变异系数由表1均为已知，由式7可求出相应的涂层抗压极限应变标准值，列入表1。
5. 结语
本文针对厚型钢结构防火涂层的抗压性能，通过批量试验得到足够的试验数据，并进行数据统计分析，获得了防火涂层抗压强度、弹性模量和极限应变的统计特性和指标取值，进一步完善对厚涂型钢结构防火涂层的材料力学性能的认识。
文章引用
麦吾兰•阿力木江,陈素文,吴林森. 厚型钢结构防火涂层抗压强度的统计特性研究Statistical Properties of Compressive Strength of Thick Fireproof Coating for Steel Structure[J]. 土木工程, 2016, 05(05): 201-206. http://dx.doi.org/10.12677/HJCE.2016.55027
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