一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法与流程

该发明属于材料安全性能领域，具体涉及一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法。

背景技术：

随着城市人口居住的密集化和高层建筑的迅速发展，虽然预防火灾发生和消防的手段越来越先进，但火灾仍时有发生。一旦建筑物发生火灾，建筑材料性能严重恶化，建筑结构整体安全性迅速下降，甚至倒塌，造成巨大的生命财产损失。

水泥基材料作为最广泛的建筑材料，在火灾中直接与热源接触，经过高温作用，水泥基材料发生不同程度的变形破坏。因此研究高温作用后水泥基材料的变形破坏规律对于提高建筑抗火性能具有重要意义。国内外学者对高温作用后水泥基材料的破坏性能进行了深入研究，但大多研究高温后建筑材料的静态、动态强度和弹性模量等力学性能，并未给出高温后建筑材料变形破坏的前兆信息。另外，大多研究者以混凝土为研究对象，并未考虑水泥砂浆在火灾中最先受到高温作用的影响。因此，研究高温后水泥砂浆材料局部应变场演化规律，找到表征该材料变形破坏的前兆指标，可为预测高温后建筑材料失效提供重要的借鉴意义。

数字散斑相关方法(digitalspecklecorrelationmethod，简称dscm)是一种以数码相机或ccd摄像机等工具作为数字化图像采集设备，并利用数字图像处理分析技术，计算追踪不同阶段中数字化散斑图像几何点的坐标变换，从而实现位移量测以及变形分析的一种量测方法。其原理是通过匹配物体表面不同状态下的数字化散斑图像上的几何点，跟踪点的运动获得物体表面变形信息。目前，并没有将dscm用于预测火灾后建筑材料变形破坏的研究。

技术实现要素：

针对高温后建筑材料的变形破坏的研究不足，本发明提出了一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法，该方法利用数字散斑测试系统监测高温后建筑材料的变形破坏，提供破坏前的前兆信息。该方法建立了一个材料变形破坏的前兆指标，即侧面横向应变云图应变标准差，通过高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线和试件整体应力-应变曲线的关系，提出了一种预测高温后建筑材料变形破坏的方法。

本发明的一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法，包括以下步骤：

步骤1，制备测试试件

(1)按照国家标准要求制备水泥砂浆试件；

(2)将制备的水泥砂浆试件，放入标准养护箱中养护，得到养护后的水泥砂浆试件，进行高温实验；

步骤2，高温实验

将养护后的水泥砂浆试件放入箱式电阻炉中，以升温速率为4～6℃/min，加热至800℃～1000℃，达到预设温度后保温3～4h，取出水泥砂浆试件自然冷却至常温，得到高温后的水泥砂浆试件；

步骤3，高温后建筑材料变形破坏测试

(1)在高温后的水泥砂浆试件一侧预制无序分布的散斑点；

(2)对高温后的水泥砂浆试件进行准静态单轴压缩试验，控制位移加载方式，得到试验数据，经过数据处理得到试件整体应力-应变曲线，从试件整体应力-应变曲线分析得到峰值应力σc；

同时，利用dscm测试数据分析系统处理，得到试件加载过程中的侧面横向应变云图；

(3)对水泥砂浆试件散斑点侧面横向应变场进行统计分析，通过计算侧面横向应变云图应变标准差，建立表征侧面横向应变场应变离散程度的统计指标；

根据每一时刻的应变场内所有特征点应变值的平均数和对应的侧面横向应变云图应变标准差，得到高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线；

所述的侧面横向应变云图应变标准差的计算方法为：

式中，vx表示某一时刻侧面横向应变场所有应变值的标准差；

xi为每个特征点的应变值；

ex为某一时刻应变场内所有特征点应变值的平均数；

n为特征点总数目；

(4)分析高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线的斜率，得到侧面横向应变场vx变化曲线的转折点，通过侧面横向应变场vx变化曲线的转折点与试件整体应力-应变曲线中峰值应力的关系，为现场中高温作用后建筑材料的变形破坏提供依据。

所述的步骤1(1)中，所述的国家标准要求为gb/jgj55-2011《普通混凝土配合比设计规程》。

所述的步骤1(2)中，所述的养护按照gb/t50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法进行，养护时间为28天以上。

所述的步骤3(1)中，预制的无序分布的散斑点以背景色为白色，识别色为黑色。

所述的步骤3(1)中，所述的高温后的水泥砂浆试件一侧选取标准为相对平整的观测面。

所述的步骤3(2)中，所述的准静态单轴压缩试验采用液压伺服岩石压力试验机进行。

所述的步骤3(2)中，所述的dscm测试数据分析系统由数字散斑观测系统和dscm系统软件两部分组成，其中，数字散斑观测系统为硬件系统，包括光源、ccd摄像机，a/d转化器和数据处理器，光源设置在水泥砂浆试件预制散斑点一侧的前方，ccd摄像机通过a/d转化器同数据处理器相连，dscm系统软件为软件系统；

ccd摄像机对水泥砂浆试件预制散斑点一侧进行拍照摄影，设定图像采集速率为15～20帧/s，ccd摄像机采集散斑点在准静态单轴压缩试验中的变形图像，变形图像传输到a/d转换器进行转换后，存储到数据处理器，通过dscm系统软件对拍摄的散斑点进行处理，得到试件加载过程中的侧面横向应变云图。

所述的步骤3(3)中，采用网格特征点法对侧面应变场云图均匀划分网格，每个网格交点为一个应变特征点，统计每个特征点的应变值，建立侧面横向应变场应变离散程度的统计指标vx。

所述的步骤3(4)中，所述的侧面横向应变场vx变化曲线的转折点，具体为当曲线的斜率由平稳波动变为急剧增长时，则高温作用后的水泥砂浆试件进入危险期，当斜率开始变为负数，则高温作用后建筑材料发生变形破坏，进入危险期的vx为侧面横向应变场vx变化曲线的转折点。

本发明的一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法，其优点是：

1.本发明采用的设备为数字散斑观测系统，具有非接触、全场观测、可移动、光测条件相对简单的优点；

2.散斑制作相对简单，既可在材料表面制作人工散斑，又可对具有天然散斑材料直接观测；

3.通过计算机数据处理可方便得到应变云图演化过程；

4.在高温后建筑材料即将发生破坏时，建立的应变场离散程度的统计指标出现急剧增大的现象，表明试件即将发生破坏，可为高温作用后水泥基材料变形破坏的预测提供参考；

5.该方法可通过进一步改进，使其设备小型化、精细化，在工程变形监测、地震预测等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的水泥砂浆侧面应变场观测实验系统图；

图2为高温后水泥砂浆试件破坏时的侧面横向应变云图；

图3为高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线与试件整体应力-应变曲线对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例中，箱式电阻炉选用型号为sx2-s-8-10的箱式电阻炉；

以下实施例中，液压伺服岩石压力试验机选用yaw-2000型液压伺服岩石压力试验机；

实施例1

一种预测火灾后建筑材料变形破坏的方法，包括以下步骤：

步骤1，制备测试试件

(1)按照国家标准要求gb/jgj55-2011《普通混凝土配合比设计规程》制备水泥砂浆试件；具体为选取水泥：砂：水的质量配合比为1：2：0.3。首先按照水泥砂浆的配合比将水泥和砂放入搅拌机中搅拌1min，再加入水搅拌3min至混合均匀，得到水泥砂浆，测定水泥砂浆的坍落度为(23-28mm)。将搅拌均匀的水泥砂浆注入70.1mm×70.1mm×70.1mm模具中捣密实成型，上表面抹平，将水泥砂浆试件放在干燥处。

(2)待水泥砂浆试件静置24h后脱模，用保鲜膜包裹，避免试件表面水分蒸发过快导致水泥水化反应不均匀，参考gb/t50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法将水泥砂浆试件在标准养护箱中进行养护28天，得到养护后的水泥砂浆试件，进行高温实验；

步骤2，高温实验

将养护后的水泥砂浆试件放入箱式电阻炉中，以升温速率为4～6℃/min，加热至800℃，每升高100℃，保温20min，达到预设温度后保温4h，取出水泥砂浆试件自然冷却至常温，得到高温后的水泥砂浆试件；

步骤3，高温后建筑材料变形破坏测试

(1)在高温后的水泥砂浆试件选取相对平整的一侧，以背景色为白色，识别色为黑色，预制无序分布的散斑点；

(2)采用液压伺服岩石压力试验机对高温后的水泥砂浆试件进行准静态单轴压缩试验，控制位移加载方式，设置加载速率为0.005mm/s，得到试验数据，经过数据处理得到试件整体应力-应变曲线，从试件整体应力-应变曲线分析得到峰值应力σc；

同时，利用dscm测试数据分析系统同步进行处理，得到试件加载过程中的侧面横向应变云图；

水泥砂浆侧面应变场观测实验系统图见图1，图中水泥砂浆试件是由液压伺服岩石压力实验机进行准静态单轴压缩试验，通过连接该实验的数字处理器对压缩试验的数据进行处理，得到试件整体应力-应变曲线；同时，通过数字散斑系统同步观测水泥砂浆试件侧面横向应变场变化情况。

所述的dscm测试数据分析系统由数字散斑观测系统和dscm系统软件两部分组成，其中，数字散斑观测系统为硬件系统，包括光源、ccd摄像机，a/d转化器和数据处理器，光源设置在水泥砂浆试件预制散斑点一侧的前方，ccd摄像机通过a/d转化器同数据处理器相连，dscm系统软件为软件系统；

ccd摄像机对水泥砂浆试件预制散斑点一侧进行拍照摄影，采用的ccd摄像机分辨率为1630pixel×1224pixel，设定图像采集速率为15帧/s，在图像上选择视场70mm×70mm，标定得到系统物面分辨率为0.050mm/pixel，ccd摄像机采集散斑点在准静态单轴压缩试验中的变形图像，变形图像传输到a/d转换器进行转换后，存储到数据处理器，通过dscm系统软件对拍摄的散斑点进行处理，得到试件加载过程中的侧面横向应变云图。其中，高温后水泥砂浆试件破坏时的侧面横向应变云图见图2；图中不同颜色区域代表不同应变大小，可以明显看出四条应变局部化带，通过与实物对比，可以证实裂纹在这四条应变局部化带上出现。

(3)对水泥砂浆试件散斑点侧面横向应变场进行统计分析，采用网格特征点法对侧面应变场云图均匀划分网格，每个网格交点为一个应变特征点，统计每个特征点的应变值，通过计算侧面横向应变云图应变标准差，建立表征侧面横向应变场应变离散程度的统计指标；

根据每一时刻的应变场内所有特征点应变值的平均数和对应的侧面横向应变云图应变标准差，得到高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线；

所述的侧面横向应变云图应变标准差的计算方法为：

式中，vx表示某一时刻侧面横向应变场所有应变值的标准差；

xi为每个特征点的应变值；

ex为某一时刻应变场内所有特征点应变值的平均数；

n为特征点总数目；

(4)分析高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线的斜率，当曲线的斜率由平稳波动变为急剧增长时，则高温作用后的水泥砂浆试件进入危险期，当斜率开始变为负数，则高温作用后建筑材料发生变形破坏，得到侧面横向应变场vx变化曲线的转折点，通过高温作用后水泥砂浆试件侧面应变场vx变化曲线与试件整体应力-应变曲线进行对比(见图3)，图中，侧面横向应变场vx可分为4个转折点，其中a点之前，曲线在一定范围内波动，此范围内应力水平较低，经过b点后侧面横向应变场vx曲线急剧上升，试件进入压缩危险区，此时，试剂即将发生破坏，c点后，上升趋势变小，d点后曲线斜率变负，cd段对应的是试件破坏阶段，b点为转折点，此时，b点对应的应力为峰值应力水平的61.1％，侧面横向应变场vx的转折点相比于峰值应力提前发生波动现象，据此可为试件破坏提供参考，对于高温后建筑材料变形破坏的预测具有重要参考价值。