非承重硫氧鎂復(fù)合墻板耐火性能足尺試驗(yàn)研究

丁道軍 湯 昊 夏 睿 袁沈峰 翁惠廉

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司

1 前言

為了節(jié)能減排，提高施工速度，減少環(huán)境污染，國(guó)家大力推廣裝配式建筑，2018年全國(guó)新開工裝配式建筑面積達(dá)到2.9億平方米。裝配式建筑中的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)非常成熟，影響裝配式建筑居住舒適性和施工速度的主要因素是內(nèi)外墻板，目前墻板開發(fā)百花齊放，新的材料和板型層出不窮，其中硫氧鎂是其中一種綜合性能比較好的一種材料，具有優(yōu)良的隔熱性能和耐火性能。對(duì)于大塊硫氧鎂墻板，為了提高硫氧鎂墻板的承載能力，可采用輕鋼龍骨和硫氧鎂面板及填充料形成復(fù)合墻板，解決了大跨度墻板強(qiáng)度和變形的問題。由于鋼材具有良好的導(dǎo)熱性能且不耐火，很有必要對(duì)硫氧鎂復(fù)合墻板的耐火性能進(jìn)行專門的研究。

2 試件描述

本次試驗(yàn)的試件是專門用于江蘇電網(wǎng)變電站的硫氧鎂復(fù)合墻板，板的規(guī)格為3.0×1.6m，由內(nèi)部的C型鋼作為承力骨架，外面包覆10mm厚硫氧鎂板，中間空隙用發(fā)泡硫氧鎂材料填充。板的構(gòu)造如圖1所示，為了減輕板的自重，還可以用減重快取代部分發(fā)泡硫氧鎂。

圖1 硫氧鎂復(fù)合墻板構(gòu)造圖

3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在上海建筑科學(xué)研究院立式火災(zāi)試驗(yàn)爐上進(jìn)行，按照GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第1 部分：通用要求》[1]和GB/T 9978.8—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第8 部分：非承重垂直分隔構(gòu)件的特殊要求》[2]的要求，將兩塊墻板固定在3.2m×3.2m的框架內(nèi)，墻板之間的空隙以及墻板和邊框之間的縫隙用水泥砂漿封堵抹平，待砂漿初步干燥后，將試驗(yàn)邊框固定在試驗(yàn)爐的受火側(cè)，然后在背火側(cè)的墻板表面設(shè)置熱電偶測(cè)量表面溫度，并在硫氧鎂外板之內(nèi)設(shè)置熱電偶測(cè)量墻板內(nèi)部溫度，熱電偶定位考慮了冷彎C型鋼龍骨的位置；在試驗(yàn)爐內(nèi)通過9個(gè)熱電偶測(cè)量并控制爐內(nèi)溫度。熱電偶的布置如圖2所示，拼裝后的試件如圖3所示。

圖2 背火側(cè)測(cè)溫?zé)犭娕疾贾脠D

圖3 安裝完畢的試驗(yàn)裝置

4 試驗(yàn)過程

試件安裝完成即開始試驗(yàn)，試驗(yàn)爐內(nèi)采用天然氣加熱，按ISO 1394 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線控制溫度，各個(gè)熱電偶的溫度數(shù)據(jù)通過采集儀傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。試驗(yàn)開始15min，用于密閉拼縫的砂漿中的水開始蒸發(fā)形成可見的水汽，試驗(yàn)開始半小時(shí)左右，試驗(yàn)爐附近可以聞到淡淡的酸味，這種氣味一直持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)進(jìn)行到45min前后，墻板表面局部變色，隨著時(shí)間的推移，顏色逐漸加深，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為淺黃黑色。試驗(yàn)過程中關(guān)注爐內(nèi)溫度和墻板的表面溫度，試驗(yàn)開始至2h的時(shí)候，試驗(yàn)板的表面溫度最高為81℃，板的表面除了C型鋼龍骨所在的位置，沒有明顯的溫感；板也沒有明顯的內(nèi)凹時(shí)。加熱至2.5h的時(shí)候，板面開始出現(xiàn)內(nèi)凹變形，至3h的時(shí)候，內(nèi)凹變形達(dá)到最大。整個(gè)試驗(yàn)過程中，沒有火焰從板縫處透出。

加熱至3h?；?，這時(shí)除了表面有一些變色，墻板背火面沒有任何的破壞痕跡。待試驗(yàn)爐冷卻后將試件移開，觀察墻板的受火側(cè)，發(fā)現(xiàn)表層的硫氧鎂面板已經(jīng)嚴(yán)重剝落（圖4），直接受火的C型鋼龍骨表面被燒成了黑色，其中部分為燒黑的發(fā)泡硫氧鎂材料附著在上面。

圖4 試驗(yàn)結(jié)束后墻板受火面

將板拆解后，發(fā)現(xiàn)C 型鋼龍骨沒有明顯的整體彎曲變形和局部變形，龍骨表面靠近火源一側(cè)有明顯的氧化的痕跡。將C型鋼鋸開并觀察其切面，沒有明顯的金相變化，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)后的C型鋼龍骨

沿著板的厚度方向，有部分發(fā)泡硫氧鎂材料顏色變黑，顏色發(fā)黑的厚度約為80mm，其中完全變成黑色的約為15mm，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)后板沿厚度性狀

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 爐內(nèi)升溫曲線

爐內(nèi)溫度由9個(gè)熱電偶測(cè)得，根據(jù)不同時(shí)刻的爐溫平均值可得爐內(nèi)升溫曲線如圖7所示，圖中還給出了ISO 1394標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。由圖可見，試驗(yàn)爐的升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合得非常好。

圖7 試驗(yàn)爐內(nèi)升溫曲線

5.2 背火側(cè)板面溫度

根據(jù)背火側(cè)墻板表面熱電偶記錄的不同時(shí)刻的墻面溫度繪制溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 背火側(cè)墻板表面升溫曲線

由圖可以看出，在2h 的時(shí)候，除了6、7 號(hào)測(cè)點(diǎn)，墻板的表面的溫度均未超過60℃，用手觸摸沒有很強(qiáng)的溫感；6、7 號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度分別達(dá)到了81℃和79℃，這是由于6、7所在的位置為C型鋼龍骨的位置，背火面和受火面之間的傳熱路徑為兩層10mm厚的硫氧鎂面板和C 型鋼，可見用來測(cè)試的硫氧鎂板材具有很好的隔熱性能。試驗(yàn)進(jìn)行到3h 的時(shí)候，6、7 號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度分別達(dá)到了100℃和95℃，依然低于規(guī)范的要求，說明硫氧鎂復(fù)合墻板具有非常優(yōu)秀的耐火性能；其他各點(diǎn)的溫度都有不同程度的提高，且溫度趨于一致，說明此時(shí)受火側(cè)的硫氧鎂板材已經(jīng)被燒壞剝落。

由背火面溫度的發(fā)展和分布可以看出，硫氧鎂復(fù)合墻板具有很好的抗火性能，在長(zhǎng)時(shí)間受火的情況下，背火側(cè)溫度低于規(guī)范的限值。

5.3 背火側(cè)板內(nèi)溫度

埋入板材20mm深的熱電偶測(cè)得的溫度曲線如圖9所示。

圖9 背火側(cè)板內(nèi)升溫曲線

由圖可以看出，板內(nèi)的溫度總體來說比板面高10℃左右，置于C型鋼龍骨附近的b、f號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度稍高于其他地方的溫度，但高出的幅度不大，原因可能是后埋的熱電偶沒有能夠跟C 型鋼龍骨的表面緊貼在一起。試驗(yàn)進(jìn)行到2h的時(shí)候，板內(nèi)的最高溫度為72℃，3h的時(shí)候最高為94℃，均低于規(guī)范限值。

5.4 C型鋼龍骨性能分析

通過前面的描述可見整個(gè)試驗(yàn)過程中，C型鋼龍骨既沒有明顯的整體變形，也沒有明顯的局部變形，只有局部暴露在火焰處的C 型鋼表面有氧化的痕跡，說明在整個(gè)火災(zāi)試驗(yàn)過程中，C 型鋼龍骨得到了很好的保護(hù)，從而能夠提供足夠的強(qiáng)度和剛度。

6 結(jié)論

在上海建筑科學(xué)研究院對(duì)硫氧鎂復(fù)合墻板進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3h的耐火試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中墻板表現(xiàn)出色。關(guān)于墻板的耐火性能可得到如下結(jié)論：

（1）硫氧鎂復(fù)合墻板具有優(yōu)秀的耐火性能，在受火過程中墻板沒有明顯的破壞和變形，也沒有出現(xiàn)燒穿的現(xiàn)象，墻板背溫側(cè)的表面溫度遠(yuǎn)低于規(guī)范限值，復(fù)合墻板的耐火極限超過了相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，達(dá)到了3h以上。

（2）復(fù)合墻板的C 型鋼龍骨在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生整體和局部變形，說明試驗(yàn)用的硫氧鎂板具有很好耐火性能和隔熱性能。同時(shí)也表明硫氧鎂復(fù)合墻板可以充分發(fā)揮龍骨的承載作用和硫氧鎂材料的耐火隔熱功能，是一種很有優(yōu)勢(shì)的墻板構(gòu)成方法。