傳統(tǒng)地仗處理木梁三面受火后力學(xué)性能試驗研究*

許清風(fēng)， 韓重慶， 陳玲珠， 王正昌， 冷予冰

(1 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室， 上海 200032；2 東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司， 南京 210096； 3 無錫龍湖置業(yè)有限公司， 無錫 214135)

0 引言

以木結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)建筑體系是中國悠久歷史文化的重要組成部分，現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑集歷史、藝術(shù)、文化于一體，是中華文明的重要載體。腐朽、蟲蛀、火災(zāi)是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑面臨的主要危害，在木構(gòu)件表面進行傳統(tǒng)地仗處理是我國古代匠人在長期實踐中積累的寶貴經(jīng)驗，包括一麻四灰、一麻五灰、兩麻六灰等[1]，其中柱子、枋、角梁等大木構(gòu)件通常采用一麻五灰做法。一麻五灰工藝，即地仗層中包括一層麻和五層灰，主要有捉縫灰、掃蕩灰、使麻、壓麻灰、中灰、細(xì)灰等工序[2]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對木構(gòu)件的防火性能進行了研究。許清風(fēng)等[3]通過4組15根木梁三面受火后力學(xué)性能的對比試驗研究，指出三面受火后木梁初始剛度明顯降低，剩余承載力顯著降低。許清風(fēng)等[4]進行了石灰膏抹面木梁受火后受力性能試驗研究，研究結(jié)果表明，石灰膏抹面能顯著延緩三面受火木梁內(nèi)部溫度的升高效率，有效減少三面受火木梁初始炭化時間，顯著降低炭化速度。張晉等[5]進行了4組12根木梁四面受火試驗，結(jié)果表明，木梁的平均水平炭化速度為0.83mm/min，平均豎向炭化速度為0.85mm/min，受火木梁在受彎試驗過程中跨中應(yīng)變基本符合平截面假定，極限承載力、極限位移、剛度、彎曲彈性模量均隨受火時間增加而減小。Tsantaridis等[6]研究了恒定熱通量下帶防火石灰膏板保護木材的火災(zāi)性能，提出有石灰膏板保護的木材開始炭化的時間明顯滯后，炭化速度明顯降低，且開始炭化時間隨石灰膏板厚度的增大而增加。Njankouo等[7]進行了20個不同樹種單面受火小試件的炭化速度研究，認(rèn)為炭化深度與受火時間呈線性關(guān)系，木材密度對炭化速度的影響很大，炭化速度隨木材密度增大而減小。

一麻五灰地仗層既可作為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑油漆工藝的基層，又能有效防止木構(gòu)件腐朽和蟲蛀，但地仗層對木構(gòu)件防火能力影響的研究還很少。王正昌等[8]進行了4組10根一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理圓木柱耐火極限的對比試驗研究，結(jié)果表明，采用一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理后圓木柱的耐火極限明顯增大，一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理能有效降低圓木柱內(nèi)部的溫升梯度、延緩圓木柱開始炭化的時間、降低炭化速度。許清風(fēng)等[9]進行了6組18根不同表面處理圓木柱受火后力學(xué)性能的對比試驗研究，結(jié)果表明，傳統(tǒng)地仗處理圓木柱剩余承載力損失程度明顯小于表面無處理試件和表面涂抹防火涂料的試件；受火后圓木柱初始剛度顯著降低，降低幅度隨受火時間增加而增加，有傳統(tǒng)地仗處理試件降低幅度小于表面無處理試件。本文重點研究一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理對木梁三面受火后力學(xué)性能和炭化速度的影響，為我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的防火安全提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試件設(shè)計

本次試驗選用南方松，實測密度為681kg/m3，含水率為18.2%，順紋抗壓強度為31.9MPa，順紋抗拉強度為109.1MPa，抗彎強度為89.2MPa，彈性模量為10 490MPa。

本次共進行了4組12根木梁受火后力學(xué)性能的對比試驗，分為：未受火木梁(受火時間為0min)，受火時間為20，40，60min的木梁。試件表面防火處理分別為：無防火處理和一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理。試件統(tǒng)一編號為SXBYT，其中S表示受火后試件；X表示試件規(guī)格，分100mm×200mm×2 000mm和200mm×400mm×2 000mm兩種；B表示梁構(gòu)件；Y表示試件表面防火處理方法，空缺為無防火處理，II為一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理；T表示受火時間，未受火對比試件該項為0。如試件S100BII20表示采用一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理受火20min后的100mm×200mm×2 000mm木梁試件。試件主要參數(shù)見表1。

試件主要參數(shù) 表1

一麻五灰地仗層包括一層麻、五道灰，厚度約為4mm，五道灰分別由生漆、瓦灰、石膏粉按一定質(zhì)量比混合攪拌后均勻涂抹于木構(gòu)件表面，各道灰的原料配比有一定差異。將麻布用清水浸泡兩三分鐘后平整地鋪在掃蕩灰上方，并用板子軋壓蓬松的麻線，使麻布與掃蕩灰勾合密實。

1.2 試驗過程及測點布置

本次試驗包括受火試驗和受火后靜載試驗兩部分。

受火試驗在上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室防火實驗室垂直試驗爐中進行。木梁試件兩端用防火棉各包裹150mm，中間段受火長度為1 700mm，受火過程中不施加外荷載。升溫曲線采用ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線[10]。

受火后靜載試驗在上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室進行。試驗過程中，在木梁支座和跨中布置位移計以了解加載過程中木梁的整體變形情況；在木梁跨中截面布置應(yīng)變片以了解加載過程中跨中截面的變形情況。應(yīng)變片粘貼之前需先去除木梁表面的炭化層和高溫分解層。位移計和應(yīng)變片布置位置見圖1。

圖1 位移計和應(yīng)變片布置圖

1.3 加載裝置和加載制度

受火后靜載試件采用三分點加載，支座間距為1.8m。荷載由千斤頂施加并通過分配梁傳遞至木梁三分點處，加載裝置見圖2。為消除系統(tǒng)誤差，加載前進行預(yù)加載。正式加載采用連續(xù)均勻加載，數(shù)據(jù)采集采用DH3817動態(tài)測試系統(tǒng)。

圖2 受火后靜載試驗加載裝置

2 試驗現(xiàn)象

2.1 受火試驗現(xiàn)象

受火時間分為20，40，60min，受火時間相同的試件按同一批次放入火災(zāi)爐中進行受火試驗，達(dá)到預(yù)定受火時間后切斷天然氣，開爐并澆水滅火。受火試件的受火面均已炭化，炭化后沿順紋方向及橫紋方向均出現(xiàn)裂縫。一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理試件表面有一層白色覆蓋物，見圖3。

圖3 木梁三面受火后形態(tài)

2.2 受火后靜載試驗現(xiàn)象

(1) S100B組

未受火對比試件S100B0加載過程中跨中撓度明顯增大，加載至70.5kN左右時試件兩端有水漬滲出，水漬主要是滅火過程中未干透的水分；加載至101.2kN時，伴隨較大響聲，試件跨中純彎段下部受拉區(qū)出現(xiàn)一條大裂縫，裂縫向加載點斜向上開展，試件撕裂破壞，試件破壞時初始開裂點位于純彎段，只有彎矩作用，屬于彎曲破壞特征。試件S100B20加載至50.5kN時，開始出現(xiàn)輕微劈裂聲，試件跨中純彎段下部受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)細(xì)小裂縫；加載至74.1kN時，試件跨中突然開裂，裂縫向加載點斜向上開展，試件撕裂破壞，呈彎曲破壞特征。試件S100B40加載至8.0kN時，開始有輕微劈裂聲，試件跨中純彎段下部受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)細(xì)小水平裂縫；加載至38.5kN時，試件跨中突然開裂，裂縫由純彎段下部受拉區(qū)邊緣向加載點斜向上開展，試件撕裂破壞，呈彎曲破壞特征。S100B組試件破壞形態(tài)見圖4。

圖4 S100B組試件破壞形態(tài)

(2) S100BII組

試件S100BII20加載至75.0kN時，開始出現(xiàn)輕微劈裂聲，試件跨中純彎段下部受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)細(xì)小裂縫；加載至87.0kN時，試件跨中突然開裂，裂縫由下部受拉區(qū)邊緣向加載點斜向上開展，試件撕裂破壞，呈彎曲破壞特征。試件S100BII40加載至20.5kN時，開始出現(xiàn)輕微劈裂聲，試件跨中純彎段下部受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)細(xì)小裂縫；加載至49.0kN時，試件跨中突然開裂，裂縫由下部受拉區(qū)邊緣向加載點斜向上開展，試件撕裂破壞，呈彎曲破壞特征。S100BII組試件破壞形態(tài)見圖5。

圖5 S100BII組試件破壞形態(tài)

(3) S200B組

未受火對比試件S200B0加載至130.0kN時，試件兩端有水漬滲出；加載至210.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)，跨中純彎段下部出現(xiàn)細(xì)微水平向裂縫；隨著荷載增加，裂縫不斷向加載點斜向上發(fā)展，同時向一側(cè)支座位置延伸開展；加載至486.6kN時，伴隨著較大聲響，試件中部出現(xiàn)兩條主要裂縫，一條為試件中部偏下位置的水平裂縫，一條為由加載點下方受拉區(qū)向另一加載點延伸的斜裂縫，試件撕裂破壞，破壞時初始開裂點位于純彎段，呈彎曲破壞特征。試件S200B20加載至180.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)；加載至270.0kN時，試件一側(cè)加載點下方靠近受拉區(qū)邊緣位置出現(xiàn)細(xì)微水平裂縫；隨著荷載增加，裂縫不斷向另一側(cè)加載點及受拉區(qū)邊緣開展；加載至482.8kN時試件下部拉斷破壞，呈彎曲破壞特征。試件S200B40加載至120.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)，試件一側(cè)支座位置出現(xiàn)細(xì)微斜裂縫；加載至362.4kN時，裂縫發(fā)展至跨中，試件撕裂破壞，試件初始開裂點位于加載點與支座位置之間，同時受彎矩和剪力作用，呈彎剪破壞特征。試件S200B60加載至190.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)，試件一側(cè)支座位置出現(xiàn)細(xì)微斜裂縫；加載至350.3kN時，裂縫發(fā)展至跨中，試件撕裂破壞，呈彎剪破壞特征。S200B組試件破壞形態(tài)見圖6。

圖6 S200B組試件破壞形態(tài)

(4) S200BII組

試件S200BII20加載至290.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)，試件一側(cè)支座位置出現(xiàn)細(xì)微斜裂縫；加載至462.3kN時，裂縫發(fā)展至另一側(cè)支座位置附近，試件撕裂破壞，呈彎剪破壞特征。試件S200BII40加載過程中由于在純彎區(qū)受拉邊緣有明顯的木節(jié)，導(dǎo)致其提前發(fā)生破壞。試件S200BII60加載至280.5kN時，開始有輕微劈裂聲出現(xiàn)，試件一側(cè)支座位置出現(xiàn)細(xì)微斜裂縫；加載至373.5kN時裂縫發(fā)展至跨中，試件撕裂破壞，呈彎剪破壞特征。S200BII組試件破壞形態(tài)見圖7。

圖7 S200BII組試件破壞形態(tài)

綜上，未受火對比試件S100B0和S200B0加載過程中兩端有水漬滲出，破壞前跨中下?lián)厦黠@；各受火試件加載過程中未有明顯滲水現(xiàn)象，破壞前跨中撓度明顯小于未受火對比試件。所有試件破壞前均沒有明顯裂縫開展過程，試件撕裂破壞均較為突然、預(yù)兆很少。小尺寸試件S100B組和S100BII組初始開裂點均位于純彎段下部受拉區(qū)，裂縫向加載點斜向上開展，呈彎曲破壞特征；大尺寸試件S200B組和S200BII組中，試件S200B0和S200B20呈彎曲破壞特征，其余試件初始開裂點位于加載點和支座位置之間的剪彎段，裂縫向跨中發(fā)展，呈彎剪破壞特征。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 主要試驗結(jié)果

主要試驗結(jié)果見表2。

主要試驗結(jié)果 表2

3.2 木梁受火后承載力

不同受火時間木梁極限承載力Pu和極限承載力下降幅度α見表2和圖8。由表2和圖8可知：1)試件極限承載力均隨受火時間增大而減??；2)相同受火時間下，試件極限承載力下降幅度隨著截面尺寸增加而減小；3)表面采用一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理后，試件極限承載力下降幅度小于表面未處理試件。

圖8 不同受火時間木梁極限承載力Pu和極限承載力下降幅度α

3.3 荷載-位移曲線

各組試件的荷載-位移曲線見圖9。

圖9 試件荷載-位移曲線

參考規(guī)范ISO 21581-2010[11]，按式(1)計算試件的初始剛度Ke：

(1)

式中：Fmax為荷載-位移曲線的最大荷載；Δ40%Fmax和Δ10%Fmax分別為荷載為0.4Fmax和0.1Fmax時對應(yīng)的位移，如圖10所示。

圖10 初始剛度計算模型

初始剛度的計算結(jié)果見表3。由圖9，10和表3可知：1)各試件的荷載-位移曲線趨勢相同，位移隨荷載增大而增大；2)受火后木梁含水率有所降低，其達(dá)到極限承載力時的破壞位移有所降低；3)隨著受火時間增加，各組試件的初始剛度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；4)隨著截面尺寸增加，相同受火時間后試件的初始剛度明顯增加；5)表面經(jīng)一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理后，受火后木梁的初始剛度較表面未處理試件有所增加。

初始剛度計算結(jié)果 表3

3.4 應(yīng)變變化

典型試件沿截面高度應(yīng)變分布見圖11。由圖11知：1)經(jīng)一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理和表面無處理木梁試件受火后剩余截面仍基本符合平截面假定；2)加載初期中性軸在截面1/2高度附近，隨著荷載增大中性軸有下移的趨勢。

圖11 典型試件沿截面高度應(yīng)變分布

3.5 炭化速度

以S100B組和S100BII組為例，在靜載后試件沿跨度方向三分點處截取厚度約50mm的試樣，測量試樣剩余的截面尺寸，并對比受火前截面尺寸得到試件的炭化深度，從而計算水平方向和豎直方向的炭化速度。炭化速度計算結(jié)果見表4。

炭化速度計算結(jié)果 表4

由表4知：1)未做表面處理S100B組試件的水平方向和豎直方向的平均炭化速度分別為0.72mm/min和0.84mm/min，表面采用一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理S100BII組試件的水平方向和豎直方向的平均炭化速度分別為0.46mm/min和0.64mm/min；2)一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理能顯著延緩木構(gòu)件開始炭化的時間，降低其內(nèi)部溫度場的升溫速度，降低炭化速度；3)各試件豎直方向的炭化速度略大于水平方向的炭化速度。

4 結(jié)論

(1) 三面受火木梁的受火面炭化后沿順紋方向及橫紋方向均出現(xiàn)裂縫，一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理試件表面有一層白色覆蓋物。

(2) 三面受火木梁極限承載力均隨受火時間增大而減??；相同受火時間下，試件極限承載力下降幅度隨著截面尺寸增加而減小；表面采用一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理后，試件極限承載力下降幅度小于表面未處理試件。

(3) 隨著受火時間增加，各組試件的初始剛度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨著截面尺寸增加，相同受火時間后試件的初始剛度明顯增加；表面經(jīng)一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理后，受火后試件初始剛度較表面未處理試件有所增加。

(4) 經(jīng)一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理和表面無處理木梁試件受火后剩余截面仍基本符合平截面假定。

(5) 一麻五灰傳統(tǒng)地仗處理能顯著延緩木梁試件開始炭化的時間，降低其內(nèi)部溫度場的升溫速度，降低其炭化速度。