砌塊夾心保溫墻抗火性能試驗研究*

王建軍， 李 磊

(中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

混凝土砌塊夾心保溫墻是集保溫、裝飾、圍護等功能于一體的節(jié)能墻體，由外頁墻、保溫層、內(nèi)頁墻以及拉結(jié)筋構(gòu)成(圖1)。與傳統(tǒng)的內(nèi)保溫、外保溫方式相比，砌塊夾心保溫墻保溫材料受內(nèi)、外頁墻體防護作用，不易脫落，防火性能以及耐久性更好，在嚴寒地區(qū)應用廣泛，大慶、遼寧葫蘆島、哈爾濱等地相繼建設了一批以夾心保溫為主要保溫方式的砌塊建筑。

圖1 砌塊夾心保溫墻構(gòu)造

墻體的抗火性能是建筑防火研究的重要部分。Woltman等[1]研究了混凝土夾心墻的耐火性能，發(fā)現(xiàn)保溫材料的導熱系數(shù)對墻體的耐火性能有較為顯著的影響。Whatham等[2]對預制混凝土夾心保溫墻進行了抗火性能試驗研究，試驗墻體保溫層為厚度100mm的聚苯乙烯板，內(nèi)、外頁墻體使用FRP連接件連接，墻體受火240min后仍保持完整，無裂隙產(chǎn)生，保溫層未發(fā)生燃燒，整體性和隔熱性均滿足規(guī)范BS-EN-1364-1∶1999[3]中的相關要求。朱筱俊等[4]對預制復合保溫墻體進行了單面受火的試驗研究，研究表明一定的軸壓比能減小墻體受火后的面外撓度，高溫后保溫材料XPS以及EPS板呈融化狀態(tài)。

目前，對砌塊夾心保溫墻的研究主要集中在保溫性能及常溫下的力學性能，對其抗火性能的研究甚為不足。因此，本文對砌塊夾心保溫墻抗火性能開展研究，旨在彌補砌塊夾心保溫墻抗火性能研究的不足，為既有建筑的安全評估以及新建建筑的抗火設計提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

砌塊夾心保溫墻抗火性能試驗共設計2個試件記為W1，W2，試件采用雙排孔塊型的普通混凝土小型空心砌塊砌筑[5]。使用的主砌塊規(guī)格為：內(nèi)頁墻390mm×190mm×190mm，外頁墻390mm×90mm×190mm，輔助砌塊190mm× 190mm×190mm。砌塊強度等級為MU10，砂漿強度等級為Mb7.5。試件W1保溫層為巖棉板，試件W2保溫層為苯板(EPS)，保溫材料物理性能見表1。為驗證砌塊夾心保溫墻是否滿足《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[6]規(guī)定的非承重墻耐火極限要求，試件受火時間均為61min。試件內(nèi)、外頁墻及保溫層采用Z形拉結(jié)筋連接，拉結(jié)筋沿豎向梅花形布置[7]。如圖2所示試件W1，W2尺寸一致，墻體試件在實驗室現(xiàn)場砌筑，如圖3，4所示。

保溫材料物理性能 表1

圖2 試件W1，W2幾何尺寸

圖3 試件W1現(xiàn)場砌筑

圖4 試件W2現(xiàn)場砌筑

1.2 試驗裝置

砌塊夾心墻抗火試驗在中國建筑科學研究院國檢中心葛渠防火實驗室進行，試驗儀器采用垂直構(gòu)件耐火試驗爐(圖5)，主要由燃燒爐和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分組成。

圖5 垂直構(gòu)件耐火試驗爐

試驗按照《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》(GB/T 9978.1—2008)[8]進行，試件豎直放置，受火方式為單面受火，夾心墻外頁墻設為迎火面，受火時間為61min，試驗升溫曲線采用國際標準升溫曲線(ISO 834-1[9]曲線)。

1.3 測量內(nèi)容及測點布置

砌塊夾心保溫墻抗火試驗主要量測內(nèi)容包括爐內(nèi)溫度、試件內(nèi)部溫度、試件背火面溫度以及墻體的平面外撓度。

試驗爐爐內(nèi)溫度以及試件溫度通過熱電偶進行測量，熱電偶采用北京某公司生產(chǎn)的鎧裝熱電偶，型號為wrnk-191，量程為0～1 100℃。試驗爐內(nèi)部布置了6個熱電偶用于測量爐內(nèi)溫度。為判別試件的隔熱性能，在試件W1，W2背火面布置了11個熱電偶，其中6個最高溫升測溫熱電偶(T6～T11)、5個平均溫升測溫熱電偶(T1～T5)。同時為了測量試件平面外撓度，在試件背火面中部布置了一個位移計(D)。背火面熱電偶及位移計具體位置如圖6所示。

圖6 試件W1，W2背火面熱電偶及位移計布置

為了獲得試件內(nèi)部溫度變化規(guī)律，砌筑試件時提前在內(nèi)、外頁墻砌塊中部從下往上布置了一系列熱電偶，豎向間距800mm、水平間距1 200mm，此外還在試件W2保溫材料內(nèi)側(cè)放置了相應的熱電偶，以便獲得苯板表面溫度。試件W1，W2內(nèi)部熱電偶布置如圖7，8所示，其中WT，MT，NT分別表示外頁墻、保溫層、內(nèi)頁墻處熱電偶。

圖7 試件W1內(nèi)部熱電偶布置

圖8 試件W2內(nèi)部熱電偶布置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

由于試驗條件限制，試驗過程中只能觀察背火面的相關現(xiàn)象，試件W1，W2均在開始點火30min后開始有明顯內(nèi)凹變形，試件W2上部略有煙氣溢出，可推測此時保溫層的苯板開始熔化；受火40min后試件W1，W2上部逐漸有水分析出(圖9)，試件W2煙氣量增大；受火60min后試件W1外觀無明顯變化，試件W2溢出大量煙氣，且有明顯異味。

圖9 墻體上部析出水分

受火面以及保溫材料的受火變化情況無法在試驗中觀察，試驗結(jié)束后觀察試件的情況如下：

試件W1，W2受火面部分砌塊呈現(xiàn)暗紅色，未見有明顯開裂，部分砂漿呈現(xiàn)灰白色，質(zhì)地疏松，但沒有剝落現(xiàn)象(圖10)；拆除部分外頁墻砌塊后，可見試件W1保溫層比較完整，巖棉板僅部分表面有灼黑跡象(圖11)，試件W2保溫層苯板已經(jīng)部分融化(圖12)。

圖10 受火面試驗現(xiàn)象

圖11 試件W1巖棉受火后表面有灼黑

圖12 試件W2苯板受火后部分融化

2.2 溫度場分析

2.2.1 爐內(nèi)升溫曲線

試件W1，W2先后分兩次進行試驗，爐內(nèi)升溫自點火開始持續(xù)了61min，兩次試驗測得的爐內(nèi)升溫曲線與ISO 834-1標準升溫曲線對比見圖13，可見爐內(nèi)升溫與ISO 834-1標準曲線基本一致。

圖13 爐內(nèi)升溫曲線

2.2.2 截面溫度場

試件W1距離受火面45mm處溫度選取標號為WT1～WT6的熱電偶溫度平均值，距離受火面285mm處溫度選取標號為NT1～NT6的熱電偶溫度平均值，距離受火面380mm處(即背火面)溫度選取標號為T1～T5的熱電偶溫度平均值，各處熱電偶測量溫度隨時間變化曲線如圖14所示，其中d表示距離受火面的距離。試件W2熱電偶選取與W1類似，增加了距離受火面190mm處的熱電偶溫度，其溫度隨時間變化曲線如圖15所示。

由圖14，15可以看出，兩試件溫度變化趨勢基本一致：點火后，受火面一側(cè)砌塊截面溫度迅速升高。而背火面砌塊截面溫度變化緩慢，基本保持常溫，受火30min左右溫度開始有明顯升高。當溫度升高到100℃左右時，升溫曲線出現(xiàn)了明顯的“臺階”，這種現(xiàn)象是墻體內(nèi)部水分蒸發(fā)以及水蒸氣在內(nèi)部遷移導致的[10]。試件W1，W2背火面溫度有著顯著的差異，在d=285mm處，試件W2溫度在100℃以上，而試件W1則明顯低于100℃，原因在于兩者保溫材料不同，試件W1保溫材料為巖棉，而試件W2保溫材料為苯板，巖棉的保溫隔熱性能明顯優(yōu)于苯板；且受火35min左右，兩試件在d=285mm處升溫曲線出現(xiàn)明顯差異，試件W1溫度曲線變化平緩，試件W2溫度曲線出現(xiàn)一個極速上升的坡段，根據(jù)試件W2在d=190mm處(保溫層處)升溫曲線可以判斷，此時苯板已經(jīng)開始融化，這也與試件在此時出現(xiàn)煙氣的現(xiàn)象相互印證，表明熱電偶所測溫度變化趨勢是正確的。

圖14 試件W1截面溫度變化曲線

圖15 試件W2截面溫度變化曲線

2.3 撓度分析

試驗升溫過程中，由于墻體單面受火，受火面溫度較高，與背火面有著極大溫差，受火面產(chǎn)生較大的膨脹變形，因而墻體整體變形凸向受火面。通過位移計記錄了升溫過程中試件的跨中撓度，如圖16所示。由圖中曲線可以看出，兩試件撓度變化規(guī)律基本一致，可以按照變化速率分為三個階段：1)開始點火至10min左右，撓度迅速增加，此階段墻體受火面升溫較快，而墻體內(nèi)部溫度變化緩慢，背火面基本處于常溫狀態(tài)，產(chǎn)生了極大的溫度梯度，從而使撓度增加較快。2)受火10～40min時，撓度增加速度放緩，此階段墻體內(nèi)部升溫更為均勻，背火面溫度開始顯著上升。3)受火40min至試驗結(jié)束，墻體內(nèi)部及背火面升溫速度加快，墻體撓度增加速度進一步減慢。

圖16 撓度-時間曲線

試驗過程中，試件W1，W2撓度相差不大，初始階段兩者撓度曲線基本重合，但此后試件W2撓度曲線總是位于試件W1下方，表明保溫材料對試件受火后的撓度有著一定的影響，這是由于巖棉的線膨脹系數(shù)比苯板大，在同樣的試驗升溫條件下，熱膨脹變形更大。?；饡r保溫材料為巖棉的試件W1最終撓度為14mm，保溫材料為苯板的試件W2最終撓度為13mm。

2.4 抗火性能分析

根據(jù)文獻[4]的相關規(guī)定，本試驗中的砌塊夾心墻應滿足承載力、完整性以及隔熱性的要求。

(1)承載力

試驗過程中墻體均未出現(xiàn)垮塌，且試件W1，W2的跨中撓度分別為14，13mm，均小于墻體極限彎曲變形L2/400b=59.2mm(其中L為試件的跨度，b為試件厚度)。因此，在受火60min條件下，砌塊夾心保溫墻滿足文獻[4]有關承載力的要求。

(2)完整性

試驗過程中墻體均未出現(xiàn)裂縫，也未見背火面有火苗竄出的現(xiàn)象。因此在受火60min條件下，試件W1，W2墻體均滿足完整性。

(3)隔熱性

試件W1背火面最高溫升為32.3℃、平均溫升為8.8℃，試件W2背火面最高溫升為42.9℃、平均溫升為24.4℃，均滿足文獻[4]中最高溫升不超過180℃、平均溫升不超過140℃的規(guī)定，試件隔熱性良好。

3 結(jié)論

(1)試驗過程中，墻體背火面有少量水分析出，試件W2出現(xiàn)帶異味煙氣；試件未出現(xiàn)裂縫以及爆裂現(xiàn)象，火災后受火面部分砌塊呈現(xiàn)暗紅色。

(2)砌塊夾心保溫墻截面溫度場呈非線性分布，外頁墻作為受火面溫度變化較大，而內(nèi)頁墻與保溫層內(nèi)部溫度變化較小。

(3)試件W1受火過程中撓度-時間曲線平緩穩(wěn)定，最大撓度為14mm，遠小于墻體極限彎曲變形量，表明砌塊夾心保溫墻有良好的整體性。

(4)保溫層為巖棉的試件W1和保溫層為苯板的試件W2在受火60min條件下，均滿足《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》(GB/T 9978.1—2008)關于承載力、完整性以及隔熱性的要求，達到了《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)對非承重外墻耐火極限60min的要求。

(5)選擇巖棉或者苯板做為砌塊夾心墻體保溫材料均能滿足1h耐火極限要求，但試驗后苯板呈融化狀態(tài)，而巖棉僅有部分表面灼黑，考慮到火災后的墻體功能修復，建議在工程中選擇巖棉做為該墻體的保溫材料。