不同構(gòu)造下輕質(zhì)底層抹灰石膏耐火性能試驗(yàn)研究

姜民，陳勇敢，蔣首超

（1.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)住宅具有工業(yè)化生產(chǎn)程度高、抗震性能優(yōu)越、建筑能耗低、環(huán)境污染少、建筑垃圾可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，是建筑業(yè)發(fā)展的一大熱點(diǎn)和趨勢(shì)。然而，由于鋼材自身耐火性能較差的特點(diǎn)，往往需要在鋼構(gòu)件表面噴涂防火涂料，而防火涂料表面較為粗糙，整體建筑不夠美觀，與鋼結(jié)構(gòu)基材粘結(jié)強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)空鼓、開裂等質(zhì)量問題，達(dá)不到住宅建筑的使用要求，急需一種質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅適用性強(qiáng)的防火保護(hù)做法。

輕質(zhì)底層抹灰石膏由半水石膏、輕集料及外加劑等復(fù)合而成[1]，其質(zhì)量可靠、來(lái)源廣泛、利廢環(huán)保、施工方便，且具有良好的裝飾裝修功能，是建筑工程中廣泛使用的建筑材料[2-3]。輕質(zhì)底層抹灰石膏作為A1 級(jí)不燃材料，導(dǎo)熱系數(shù)低，與鋼基層粘結(jié)性能良好[4]，同時(shí)具有良好的防火功能。為了克服現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)防火涂料與鋼結(jié)構(gòu)基材粘結(jié)強(qiáng)度低、容易出現(xiàn)空鼓、開裂等缺陷，探索采用不同構(gòu)造輕質(zhì)底層抹灰石膏鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)做法。開展不同構(gòu)造下輕質(zhì)底層抹灰石膏高溫下的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和鋼管混凝土束構(gòu)件的耐火性能試驗(yàn)研究，為理論計(jì)算鋼管混凝土束構(gòu)件防火保護(hù)層厚度提供參考。

1 石膏防火原理

輕質(zhì)底層抹灰石膏是以半水石膏（CaSO4·1/2H2O）作為主要膠凝材料，在施工過程中，輕質(zhì)底層抹灰石膏與水反應(yīng)生成二水石膏（CaSO4·2H2O）。

輕質(zhì)底層抹灰石膏遇火時(shí)，隨著溫度升高，石膏中的游離水先蒸發(fā)，接著二水石膏中的結(jié)晶水開始脫去，在107～170 ℃狀態(tài)變成半水石膏[5]，繼續(xù)加熱到170～300 ℃時(shí)，再次脫水依次變成Ⅲ型和Ⅱ型CaSO4，輕質(zhì)底層抹灰石膏施工水化形成的二水石膏含量一般在60%～85%[6]，二水石膏中含有2 個(gè)分子的結(jié)晶水，由于水的比熱容較大，逐漸失去2 個(gè)結(jié)晶水的過程中會(huì)吸收大量的熱量[7-8]，會(huì)在100 ℃左右形成較長(zhǎng)的升溫平臺(tái)段，大大延緩被保護(hù)結(jié)構(gòu)的升溫，受火過程中整體性良好，不產(chǎn)生有害氣體。

2 耐火性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用嘉興來(lái)寶得新材料科技有限公司生產(chǎn)的輕質(zhì)底層抹灰石膏，主要成分為半水石膏、玻化微珠和外加劑等，主要性能指標(biāo)見表1，其中石膏質(zhì)量占比不小于60%，符合GB/T 28627—2012《抹灰石膏》和GB 18528—2008《室內(nèi)裝修材料、內(nèi)墻涂料中有害物質(zhì)限量》的要求。玻璃纖維采用直徑10～15 μm，長(zhǎng)度6 mm 規(guī)格。鋼絲網(wǎng)采用直徑1.2 mm，網(wǎng)孔尺寸30 mm×30 mm 規(guī)格。

表1 輕質(zhì)底層抹灰石膏的主要性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)試件

試件編號(hào)規(guī)則如下：shb——輕質(zhì)底層抹灰石膏+玻璃纖維；shg——輕質(zhì)底層抹灰石膏+掛網(wǎng)；shgb——輕質(zhì)底層抹灰石膏+掛網(wǎng)+玻璃纖維。玻璃纖維使用時(shí)摻入石膏中，攪拌均勻。被保護(hù)構(gòu)件有鋼板和鋼管混凝土束2 種試件，試件規(guī)格見表2、表3。

表2 鋼板試件參數(shù)

表3 鋼管混凝土束試件參數(shù)

鋼板試件共6 塊，板件形狀尺寸如圖1 所示，鋼板材質(zhì)為Q345B。

圖1 鋼板試件正視圖

鋼管混凝土束試件1 個(gè)，包括外部保護(hù)層，中部鋼管束以及內(nèi)部混凝土，采用四面受火方式，上下用硅酸鋁棉氈覆蓋，構(gòu)件尺寸如圖2 所示。鋼材材質(zhì)為Q345B，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

圖2 鋼管混凝土束試件

2.3 溫度測(cè)點(diǎn)布置

構(gòu)件溫度測(cè)試采用K 型熱電偶，對(duì)于鋼板試件，在每個(gè)試塊上設(shè)置有2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在鋼板試件上的具體位置如圖3 所示。

圖3 鋼板試件上溫度測(cè)點(diǎn)布置

鋼管混凝土束試件測(cè)點(diǎn)布置斷面如圖4 所示，測(cè)點(diǎn)共分為1、2 兩層，斷面上的測(cè)點(diǎn)如圖5 所示，每個(gè)斷面設(shè)置7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共有14 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 鋼管混凝土束試件測(cè)點(diǎn)分層斷面位置

圖5 鋼管混凝土束試件測(cè)點(diǎn)布置

2.4 加載方案

2.4.1 加載布置

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室進(jìn)行，采用鋼筋吊鉤勾住鋼板試件吊環(huán)，將鋼板試件懸掛在爐蓋頂部，鋼板試件完全暴露在試驗(yàn)爐內(nèi)的高溫?zé)煔庵?，承受模擬火災(zāi)的作用，如圖6、圖7 所示。

圖6 鋼板試件現(xiàn)場(chǎng)布置

圖7 鋼板試件布置示意

鋼管混凝土束試件被放置在試驗(yàn)爐中，試件底部墊硅酸鋁棉氈，頂部蓋有硅酸鋁棉氈，模擬試件兩端為絕熱邊界條件，試驗(yàn)時(shí)試件四面承受模擬火災(zāi)的作用。

2.4.2 加載制度

本次試驗(yàn)采用GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)辦法》中給出的升溫制度，試驗(yàn)爐內(nèi)的升溫曲線為ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，該制度能使試件受到與一般建筑的纖維類火災(zāi)作用相似，試驗(yàn)爐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化滿足式（1）。

式中：Tg——升溫到t 時(shí)刻的平均爐溫，℃；

T0——爐內(nèi)的初始溫度，℃；

t——試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間，min。

采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO834 曲線，如圖8 所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

2.5 試驗(yàn)分析和等效熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算

2.5.1 鋼板試件現(xiàn)象分析

鋼板試件耐火后的整體現(xiàn)象如圖9 所示，溫度曲線如圖10 所示。

圖10 鋼板試件的升溫曲線

試件shb-1，shb-2 對(duì)比來(lái)看，兩者性能相近，受火140 min 后溫度在550～620 ℃左右，表明在受火過程中試件能保持完整，試驗(yàn)后觀察到發(fā)生保護(hù)層單面脫落現(xiàn)象（圖9），認(rèn)為是降溫收縮的原因，這2 個(gè)試件雖然沒有進(jìn)行掛網(wǎng)，但是存在的纖維同樣使試件整體性較強(qiáng)；對(duì)于試件shg-1、shg-2、shgb-1、shgb-2 試驗(yàn)140 min 后，溫度基本保持在500 ℃以下，試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后試件完整性良好。

圖9 耐火試驗(yàn)后試件整體現(xiàn)象

由圖10 試件升溫曲線可以看出，試件升溫分為3 個(gè)階段：第1 階段0～100 ℃升溫段認(rèn)為是防火保護(hù)層中游離水蒸發(fā)階段；第2 階段為100 ℃左右較長(zhǎng)的平臺(tái)段中保護(hù)層內(nèi)的結(jié)晶水逐步脫掉，水蒸發(fā)吸熱，維持鋼板溫度在100 ℃左右一段時(shí)間，延緩了鋼板的升溫，表明石膏中的結(jié)晶水對(duì)隔熱層的有利影響；第3 階段100 ℃以后升溫段認(rèn)為石膏本身的隔熱效應(yīng)發(fā)揮作用階段。

總體來(lái)說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)升溫荷載下本次試驗(yàn)的鋼板試件在受火過程中能保持完整性，升溫緩慢，試驗(yàn)140 min 后，溫度基本保持在500 ℃左右，隔熱效果良好，試件保護(hù)層防火性能優(yōu)良。

2.5.2 鋼管混凝土束試件現(xiàn)象分析

本次試驗(yàn)鋼管混凝土束試件中共有14 個(gè)測(cè)點(diǎn)，上下2 層測(cè)點(diǎn)溫度趨勢(shì)一致，此處僅列出上層測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的升溫曲線如圖11 所示。

由圖11 可以看出，受火過程中鋼管混凝土試件能夠保持完整性。開爐后現(xiàn)象觀察，在試驗(yàn)完畢退火后，鋼管混凝土束試件部分位置表面保護(hù)層與鋼管混凝土束試件之間形成空腔脫開，分析認(rèn)為是降溫收縮或保護(hù)層中未施加掛網(wǎng)的原因。每一層的測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5，即最外層的測(cè)點(diǎn)，溫度要明顯高于內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明鋼管束內(nèi)部的混凝土本身也具有較強(qiáng)的防火吸熱作用。同時(shí)，外部測(cè)點(diǎn)在140 min 后溫度仍然基本保持在200 ℃以下，耐火性能十分優(yōu)異。

圖11 鋼管混凝土束試件上層測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)7 的升溫曲線

總體看來(lái)，鋼管混凝土束試件整體的升溫速率相較于鋼板試件更加緩慢，認(rèn)為有鋼管束內(nèi)混凝土吸收熱量因素的影響，尤其是內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度較低，相對(duì)于鋼板試件，采用該種防火保護(hù)的鋼管混凝土束試件具有很好的耐火性能。

2.5.3 等效熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算

計(jì)算等效熱傳導(dǎo)系數(shù)，需要采用描述鋼構(gòu)件升溫過程中時(shí)間與溫度關(guān)系的公式，由于本次試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的鋼構(gòu)件有輕質(zhì)保護(hù)層，一般在工程應(yīng)用中通過曲線擬合，采用GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中公式，如式（2）所示。

式中：

Ts——鋼構(gòu)件溫度，℃；

λeq——防火保護(hù)材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·℃）；

d——保護(hù)層的厚度，m；

t——時(shí)間，s；

Tg（0）——火災(zāi)初始時(shí)刻的空氣溫度，℃。

通過式（2），結(jié)合本次試驗(yàn)鋼構(gòu)件的截面參數(shù)，鋼板試件涂層厚度為35 mm，并選取升溫段進(jìn)行計(jì)算得本次試驗(yàn)試件采用的保護(hù)層等效熱傳導(dǎo)系數(shù)平均值λeq=0.11 W/（m·℃）。

3 結(jié)論

（1）采用輕質(zhì)底層抹灰石膏加掛網(wǎng)的防火保護(hù)構(gòu)造能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)要求。在輕質(zhì)底層抹灰石膏增加掛網(wǎng)或摻入一定量的玻璃纖維可以進(jìn)一步提高防火保護(hù)層在火災(zāi)中的性能。

（2）通過等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)：采用輕質(zhì)底層抹灰石膏+掛網(wǎng)或輕質(zhì)底層抹灰石膏+掛網(wǎng)+玻璃纖維進(jìn)行防火保護(hù)，防火保護(hù)層的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.11 W/（m·℃）。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)升溫荷載下，鋼板試件在受火過程中能保持完整性，升溫緩慢，試驗(yàn)140 min 后，溫度基本保持在500 ℃左右，隔熱效果良好，試件保護(hù)層防火性能優(yōu)良。

（4）采用輕質(zhì)底層抹灰石膏+玻璃纖維（1.5%）保護(hù)的鋼管混凝土束構(gòu)件在受火140 min 后，截面所有測(cè)點(diǎn)的溫度均不超過200 ℃，相對(duì)于鋼板試件，鋼管混凝土束構(gòu)件具備較好的耐火性能。