冷成型鋼復合墻體非承重耐火試驗研究

唐黎，趙慶陽

（1中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 404100；2中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

冷成型鋼復合墻體具有施工便捷、綠色環(huán)保等特點[1]。目前，國內(nèi)普遍將該類墻體作為非承重隔墻使用，2018年10月正式實施的我國建筑工業(yè)行業(yè)標準 《輕鋼龍骨式復合墻體》JG/T544-2018將該類墻體的功能擴展至各類建筑用承重及非承重構(gòu)件。近年來，針對冷成型鋼復合墻體的抗火性能，英國曼徹斯特大學王永昌教授團隊、中國礦業(yè)大學葉繼紅教授團隊以及澳大利亞昆士蘭科技大學Mahendran教授團隊開展了較為系統(tǒng)的試驗與理論研究工作[2-8]。但針對采用C140龍骨縮尺模型方面的抗火試驗研究仍有欠缺。鑒于此，本文設計完成2片C140型冷成型鋼復合墻體試件，選用ISO834[9]標準升溫曲線進行抗火試驗，考察覆面板材類型對冷成型鋼復合墻體耐火性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試件設計

試驗設計2片1200mmx1200mm（寬x高）C型冷成型鋼復合墻體試件。試件模型如圖1所示。其中，冷成型鋼龍骨骨架由3根600mm間距的C140（140x50x13x1.2mm）立柱與頂、底U141（141mmx50mmx1.2mm）龍骨導軌通過4819型盤頭自攻自鉆螺釘連接組成，骨架兩側(cè)各覆兩層建筑板材，其中，試件S1為同側(cè)雙層防火石膏板，試件S2則采用內(nèi)層為玻特板，外層為石膏板的同側(cè)雙層墻板構(gòu)造。采用4845型沉頭自攻自鉆螺釘將墻板以300mm間距與龍骨骨架連接，試件空腔填充150mm厚60kg/m3巖棉保溫層。此外沿墻體試件中間高度處共布設21處K型熱電偶，用以監(jiān)測試件沿橫截面的溫度分布情況，如圖1b)所示。

圖1 試驗試件設計與測點布置

1.2 試驗設備及制度

試驗設備采用中國礦業(yè)大學大型垂直抗火試驗系統(tǒng)（圖2），其中，試驗爐以液化氣作為燃料，由兩片半爐構(gòu)成，爐體內(nèi)部尺寸為3000mmx3000mmx3000mm（長x寬x高），利用其中半片火爐進行非承重墻體耐火試驗。此外，試驗爐配備2處高溫攝像機，可實時監(jiān)測墻體受火側(cè)狀態(tài)。

圖2 大型垂直試驗爐抗火試驗系統(tǒng)

采用ISO834標準升溫曲線[9]進行冷成型鋼非承重復合墻體抗火試驗。試驗過程中，試驗火爐按照設定升溫曲線實時調(diào)整火力大小，采用安捷倫34980A實時采集被測試件的溫度分布情況，并根據(jù)我國 《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》GB/T 9978-2008，以隔熱性及完整性作為非承重試件耐火極限的判定準則。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象描述

各試件受火2～5min時，試件背火面開始間歇性冒出水蒸氣和少量白色煙霧，其中，水蒸汽是由試件墻板脫水產(chǎn)生，煙霧由石膏板紙面燃燒產(chǎn)生。試驗過程中燃料燃燒產(chǎn)生的水蒸氣則通過試驗爐排煙系統(tǒng)排出室外。試件S1發(fā)生背火面單點溫升超過初始溫度180℃的隔熱性破壞；試件S2在試驗時間內(nèi)未喪失隔熱性；兩試件均未發(fā)生完整性破壞。此外，試件S1和S2受火側(cè)均發(fā)生不同程度的板材脫落，中間龍骨均發(fā)生畸變屈曲變形。兩試件詳細現(xiàn)象描述如下：

（1） 試件S1

試件受火10min時，通過爐內(nèi)高溫攝像機觀察到受火側(cè)B1層石膏板出現(xiàn)開裂，受火70min時B1層石膏板脫落；受火100min時B2層石膏板脫落，見圖3a）；受火137min時，移動式測溫裝置測得試件B4層石膏板背火面在沿龍骨方向靠近頂部1/4處溫度為185.2℃，達到背火側(cè)單點溫升超過180℃的隔熱性破壞準則（初始溫度3.8℃+180℃），試件喪失隔熱性。試驗在受火185min時停止，此時試件背火面平均溫度為156℃。試驗爐停火后5～10min內(nèi)，試件背火面B4層石膏板紙面仍在持續(xù)變黑，這是由于受火側(cè)墻板脫落致使爐內(nèi)殘余熱量可快速傳遞到背火面板材，使背火面溫度在短時間內(nèi)仍可持續(xù)升高。試驗爐完全冷卻后，觀察到試件背火面B4層石膏板裂縫稍有增大，見圖3b），該現(xiàn)象由墻板冷卻收縮導致。

試驗結(jié)束后觀察發(fā)現(xiàn)：試件受火面B1、B2層石膏板已全部脫落，巖棉填充層厚度減小，顏色變?yōu)樯詈稚?，手指輕碾即變?yōu)榉勰?；拆除巖棉填充層發(fā)現(xiàn)B3層石膏板受熱面的紙面消失，空腔處有裂縫；龍骨立柱基層表面氧化呈黑色，龍骨中部高度處發(fā)生明顯畸變屈曲，冷、熱翼緣及腹板均存在明顯局部變形，圖3c）。

圖3 試件S1觀察試驗現(xiàn)象

（2） 試件S2

試件受火40min時，通過爐內(nèi)高溫攝像機觀察到試件受火面B1層石膏板脫落，見圖3a)，且B2層玻特板已有裂縫，試驗在受火185min時停止。此時，試件B4層石膏板背火面平均溫度為130.5℃，且無明顯顏色變化，見圖4a)，尚未喪失隔熱性。

圖4 試件S2觀察試驗現(xiàn)象

試驗結(jié)束后觀察發(fā)現(xiàn)：試件受火面B1層石膏板已全部脫落，試件B2層玻特板沿中間龍骨長度方向和中間高度方向存在十字形通長裂縫，見圖3a)；巖棉形狀與龍骨屈曲情況，見圖4b)，與試件S1相類似，不再贅述。

2.2 時間-溫度曲線

圖5給出了2片墻體試件在試驗過程中測得的中部高度橫截面時間-溫度曲線。其中FT代表爐內(nèi)溫度；FS代表試件受火側(cè)平均溫度；B1-B2代表受火側(cè)B1、B2層墻板接觸面平均溫度；B2-CI代表B2層墻板與巖棉填充層接觸面平均溫度；CI-B3代表巖棉填充層與B3層墻板接觸面平均溫度；B3-B4代表B3、B4層墻板接觸面平均溫度；Amb代表試件背火側(cè)平均溫度；HF、MF、CF分別代表立柱熱翼緣，腹板中點與冷翼緣平均溫度。

由圖5可見：試件S1和S2在受火169～171min時爐溫曲線有所下降，這是由于更換燃氣導致；除此之外，試驗中兩條升溫曲線與爐溫最大差值僅為20℃，說明了試驗系統(tǒng)的準確性以及試驗結(jié)果的有效性。試驗所用為K型熱電偶，其有效測試溫度為1100℃，爐內(nèi)所用為S型熱電偶，有效測試溫度為1600℃。碳氫火災曲線和自然火災曲線試驗中爐內(nèi)溫度都超過1100℃，此時，K型與S型熱電偶所測溫差為50℃，這可能是測試誤差。此外，試驗過程中，部分K型熱電偶在持續(xù)高溫作用下失效。以試件S1為例，其時間-溫度曲線變化特征如下：

（1）受火側(cè)兩層石膏板接觸面溫度B1-B2在受火6～19min時，溫度保持在100℃左右，升溫曲線存在平臺段，這是由于B1層石膏板受熱脫水及水分蒸發(fā)、移動帶走大量熱量延緩了接觸面升溫；受火15～70min時，B1-B2接觸面呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定升溫，溫度升至900℃左右；試件受火71min時，B1-B2接觸面溫度急劇升高，并隨后接近爐溫，說明此時B1層石膏板發(fā)生脫落，這與爐內(nèi)高溫攝像機拍攝記錄現(xiàn)象相一致；

（2）B2-CI接觸面升溫曲線與B1-B2接觸面升溫曲線類似，其升溫曲線平臺段出現(xiàn)在受火18～23min期間；試件受火102min時，B2-CI接觸面溫度由913℃急劇升至爐溫附近，預示此刻B2層石膏板也發(fā)生了脫落，與爐內(nèi)高溫攝像機拍攝記錄現(xiàn)象相一致。此時，中間龍骨熱翼緣直接受火，因而HF曲線亦表現(xiàn)為溫度迅速升高；

（3）巖棉填充層與B3層板接觸面溫度（CI-B3曲線）始終明顯低于爐內(nèi)溫度，說明巖棉填充層在試驗過程中始終未脫落，與試驗現(xiàn)象相符合。

試件S2的時間-溫度曲線特征與試件S1相類似，需要注意的是，試件S2受火81min時，B2-CI接觸面溫度與爐內(nèi)溫度存在約40℃的穩(wěn)定溫差，說明 B2層玻特板并未發(fā)生脫落，與試驗現(xiàn)象一致。

圖5 試件時間-溫度曲線

3 試驗結(jié)果分析與討論

試件S1與試件S2的差異性在于復合墻體的基層墻板類型，其中，S1基層墻板為石膏板，S2基層墻板為玻特板。圖6選取了試件S1、S2復合墻體的龍骨熱翼緣（HF）溫度和B3-B4接觸面溫度進行比較，可見：

圖6 試件S1、S2時間-溫度曲線對比

（1）受火36～71min時，試件S1和S2均未發(fā)生受火側(cè)墻板脫落；兩龍骨熱翼緣達到相同溫升時，試件S2所需時間略長，說明玻特板可能具有優(yōu)于石膏板的隔熱性能；

（2）受火117min后，試件S2的B3-B4接觸面溫度速率明顯低于試件S1，該現(xiàn)象是因為玻特板在受火過程中不易脫落，由此能夠更好發(fā)揮玻特板以及填充層材料的隔熱性能，從而延長了試件耐火時間。

4 結(jié)論

本文通過冷成型鋼復合墻體的非承重耐火試驗發(fā)現(xiàn)：玻特板具有優(yōu)于防火石膏板的隔熱性能，且受火過程中不易發(fā)生脫落，由此能夠更好發(fā)揮玻特板以及填充層材料的隔熱性能；冷成型鋼非承重復合墻體的龍骨立柱因受火側(cè)墻板脫落而發(fā)生直接受火后，將產(chǎn)生明顯的畸變（屈曲）變形。此外，本文耐火試驗結(jié)果還將為此類墻體的抗火數(shù)值模擬提供試驗數(shù)據(jù)驗證。