非承重硫氧鎂復合墻板耐火性能足尺試驗研究

丁道軍 湯 昊 夏 睿 袁沈峰 翁惠廉

國網江蘇省電力有限公司揚州供電分公司

1 前言

為了節能減排，提高施工速度，減少環境污染，國家大力推廣裝配式建筑，2018年全國新開工裝配式建筑面積達到2.9億平方米。裝配式建筑中的主體結構設計方法已經非常成熟，影響裝配式建筑居住舒適性和施工速度的主要因素是內外墻板，目前墻板開發百花齊放，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，具有優良的隔熱性能和耐火性能。對于大塊硫氧鎂墻板，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合墻板，解決了大跨度墻板強度和變形的問題。由于鋼材具有良好的導熱性能且不耐火，很有必要對硫氧鎂復合墻板的耐火性能進行專門的研究。

2 試件描述

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

圖1 硫氧鎂復合墻板構造圖

3 試驗裝置

試驗在上海建筑科學研究院立式火災試驗爐上進行，按照GB/T 9978.1—2008《建筑構件耐火試驗方法第1 部分：通用要求》[1]和GB/T 9978.8—2008《建筑構件耐火試驗方法第8 部分：非承重垂直分隔構件的特殊要求》[2]的要求，將兩塊墻板固定在3.2m×3.2m的框架內，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，將試驗邊框固定在試驗爐的受火側，然后在背火側的墻板表面設置熱電偶測量表面溫度，并在硫氧鎂外板之內設置熱電偶測量墻板內部溫度，熱電偶定位考慮了冷彎C型鋼龍骨的位置；在試驗爐內通過9個熱電偶測量并控制爐內溫度。熱電偶的布置如圖2所示，拼裝后的試件如圖3所示。

圖2 背火側測溫熱電偶布置圖

圖3 安裝完畢的試驗裝置

4 試驗過程

試件安裝完成即開始試驗，試驗爐內采用天然氣加熱，按ISO 1394 標準升溫曲線控制溫度，各個熱電偶的溫度數據通過采集儀傳送到計算機存儲。試驗開始15min，用于密閉拼縫的砂漿中的水開始蒸發形成可見的水汽，試驗開始半小時左右，試驗爐附近可以聞到淡淡的酸味，這種氣味一直持續到試驗結束。試驗進行到45min前后，墻板表面局部變色，隨著時間的推移，顏色逐漸加深，至試驗結束時為淺黃黑色。試驗過程中關注爐內溫度和墻板的表面溫度，試驗開始至2h的時候，試驗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；板也沒有明顯的內凹時。加熱至2.5h的時候，板面開始出現內凹變形，至3h的時候，內凹變形達到最大。整個試驗過程中，沒有火焰從板縫處透出。

加熱至3h停火，這時除了表面有一些變色，墻板背火面沒有任何的破壞痕跡。待試驗爐冷卻后將試件移開，觀察墻板的受火側，發現表層的硫氧鎂面板已經嚴重剝落（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泡硫氧鎂材料附著在上面。

圖4 試驗結束后墻板受火面

將板拆解后，發現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 試驗后的C型鋼龍骨

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

圖6 試驗后板沿厚度性狀

5 試驗結果分析

5.1 爐內升溫曲線

爐內溫度由9個熱電偶測得，根據不同時刻的爐溫平均值可得爐內升溫曲線如圖7所示，圖中還給出了ISO 1394標準升溫曲線。由圖可見，試驗爐的升溫曲線與標準升溫曲線吻合得非常好。

圖7 試驗爐內升溫曲線

5.2 背火側板面溫度

根據背火側墻板表面熱電偶記錄的不同時刻的墻面溫度繪制溫度隨時間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 背火側墻板表面升溫曲線

由圖可以看出，在2h 的時候，除了6、7 號測點，墻板的表面的溫度均未超過60℃，用手觸摸沒有很強的溫感；6、7 號測點的溫度分別達到了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，可見用來測試的硫氧鎂板材具有很好的隔熱性能。試驗進行到3h 的時候，6、7 號測點的溫度分別達到了100℃和95℃，依然低于規范的要求，說明硫氧鎂復合墻板具有非常優秀的耐火性能；其他各點的溫度都有不同程度的提高，且溫度趨于一致，說明此時受火側的硫氧鎂板材已經被燒壞剝落。

由背火面溫度的發展和分布可以看出，硫氧鎂復合墻板具有很好的抗火性能，在長時間受火的情況下，背火側溫度低于規范的限值。

5.3 背火側板內溫度

埋入板材20mm深的熱電偶測得的溫度曲線如圖9所示。

圖9 背火側板內升溫曲線

由圖可以看出，板內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號測點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。試驗進行到2h的時候，板內的最高溫度為72℃，3h的時候最高為94℃，均低于規范限值。

5.4 C型鋼龍骨性能分析

通過前面的描述可見整個試驗過程中，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，說明在整個火災試驗過程中，C 型鋼龍骨得到了很好的保護，從而能夠提供足夠的強度和剛度。

6 結論

在上海建筑科學研究院對硫氧鎂復合墻板進行了長達3h的耐火試驗，試驗過程中墻板表現出色。關于墻板的耐火性能可得到如下結論：

（1）硫氧鎂復合墻板具有優秀的耐火性能，在受火過程中墻板沒有明顯的破壞和變形，也沒有出現燒穿的現象，墻板背溫側的表面溫度遠低于規范限值，復合墻板的耐火極限超過了相關規范的規定，達到了3h以上。

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