唐黎，趙慶陽(yáng)

（1中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 404100；2中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

冷成型鋼復(fù)合墻體具有施工便捷、綠色環(huán)保等特點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)普遍將該類(lèi)墻體作為非承重隔墻使用，2018年10月正式實(shí)施的我國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《輕鋼龍骨式復(fù)合墻體》JG/T544-2018將該類(lèi)墻體的功能擴(kuò)展至各類(lèi)建筑用承重及非承重構(gòu)件。近年來(lái)，針對(duì)冷成型鋼復(fù)合墻體的抗火性能，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)王永昌教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)葉繼紅教授團(tuán)隊(duì)以及澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)Mahendran教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)與理論研究工作[2-8]。但針對(duì)采用C140龍骨縮尺模型方面的抗火試驗(yàn)研究仍有欠缺。鑒于此，本文設(shè)計(jì)完成2片C140型冷成型鋼復(fù)合墻體試件，選用ISO834[9]標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)進(jìn)行抗火試驗(yàn)，考察覆面板材類(lèi)型對(duì)冷成型鋼復(fù)合墻體耐火性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2片1200mmx1200mm（寬x高）C型冷成型鋼復(fù)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(dǎo)軌通過(guò)4819型盤(pán)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(shè)21處K型熱電偶，用以監(jiān)測(cè)試件沿橫截面的溫度分布情況，如圖1b)所示。

圖1 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)與測(cè)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及制度

試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)大型垂直抗火試驗(yàn)系統(tǒng)（圖2），其中，試驗(yàn)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(zhǎng)x寬x高），利用其中半片火爐進(jìn)行非承重墻體耐火試驗(yàn)。此外，試驗(yàn)爐配備2處高溫?cái)z像機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墻體受火側(cè)狀態(tài)。

圖2 大型垂直試驗(yàn)爐抗火試驗(yàn)系統(tǒng)

采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)[9]進(jìn)行冷成型鋼非承重復(fù)合墻體抗火試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)火爐按照設(shè)定升溫曲線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整火力大小，采用安捷倫34980A實(shí)時(shí)采集被測(cè)試件的溫度分布情況，并根據(jù)我國(guó) 《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)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(zhǔn)則。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

各試件受火2～5min時(shí)，試件背火面開(kāi)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(yàn)過(guò)程中燃料燃燒產(chǎn)生的水蒸氣則通過(guò)試驗(yàn)爐排煙系統(tǒng)排出室外。試件S1發(fā)生背火面單點(diǎn)溫升超過(guò)初始溫度180℃的隔熱性破壞；試件S2在試驗(yàn)時(shí)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(xì)現(xiàn)象描述如下：

（1） 試件S1

試件受火10min時(shí)，通過(guò)爐內(nèi)高溫?cái)z像機(jī)觀察到受火側(cè)B1層石膏板出現(xiàn)開(kāi)裂，受火70min時(shí)B1層石膏板脫落；受火100min時(shí)B2層石膏板脫落，見(jiàn)圖3a）；受火137min時(shí)，移動(dòng)式測(cè)溫裝置測(cè)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(dá)到背火側(cè)單點(diǎn)溫升超過(guò)180℃的隔熱性破壞準(zhǔn)則（初始溫度3.8℃+180℃），試件喪失隔熱性。試驗(yàn)在受火185min時(shí)停止，此時(shí)試件背火面平均溫度為156℃。試驗(yàn)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?fàn)t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(shí)間內(nèi)仍可持續(xù)升高。試驗(yàn)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(jiàn)圖3b），該現(xiàn)象由墻板冷卻收縮導(dǎo)致。

試驗(yàn)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(yàn)現(xiàn)象

（2） 試件S2

試件受火40min時(shí)，通過(guò)爐內(nèi)高溫?cái)z像機(jī)觀察到試件受火面B1層石膏板脫落，見(jiàn)圖3a)，且B2層玻特板已有裂縫，試驗(yàn)在受火185min時(shí)停止。此時(shí)，試件B4層石膏板背火面平均溫度為130.5℃，且無(wú)明顯顏色變化，見(jiàn)圖4a)，尚未喪失隔熱性。

圖4 試件S2觀察試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)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(zhǎng)度方向和中間高度方向存在十字形通長(zhǎng)裂縫，見(jiàn)圖3a)；巖棉形狀與龍骨屈曲情況，見(jiàn)圖4b)，與試件S1相類(lèi)似，不再贅述。

2.2 時(shí)間-溫度曲線(xiàn)

圖5給出了2片墻體試件在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的中部高度橫截面時(shí)間-溫度曲線(xiàn)。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(diǎn)與冷翼緣平均溫度。

由圖5可見(jiàn)：試件S1和S2在受火169～171min時(shí)爐溫曲線(xiàn)有所下降，這是由于更換燃?xì)鈱?dǎo)致；除此之外，試驗(yàn)中兩條升溫曲線(xiàn)與爐溫最大差值僅為20℃，說(shuō)明了試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及試驗(yàn)結(jié)果的有效性。試驗(yàn)所用為K型熱電偶，其有效測(cè)試溫度為1100℃，爐內(nèi)所用為S型熱電偶，有效測(cè)試溫度為1600℃。碳?xì)浠馂?zāi)曲線(xiàn)和自然火災(zāi)曲線(xiàn)試驗(yàn)中爐內(nèi)溫度都超過(guò)1100℃，此時(shí)，K型與S型熱電偶所測(cè)溫差為50℃，這可能是測(cè)試誤差。此外，試驗(yàn)過(guò)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(shí)間-溫度曲線(xiàn)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(shí)，溫度保持在100℃左右，升溫曲線(xiàn)存在平臺(tái)段，這是由于B1層石膏板受熱脫水及水分蒸發(fā)、移動(dòng)帶走大量熱量延緩了接觸面升溫；受火15～70min時(shí)，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(shí)，B1-B2接觸面溫度急劇升高，并隨后接近爐溫，說(shuō)明此時(shí)B1層石膏板發(fā)生脫落，這與爐內(nèi)高溫?cái)z像機(jī)拍攝記錄現(xiàn)象相一致；

（2）B2-CI接觸面升溫曲線(xiàn)與B1-B2接觸面升溫曲線(xiàn)類(lèi)似，其升溫曲線(xiàn)平臺(tái)段出現(xiàn)在受火18～23min期間；試件受火102min時(shí)，B2-CI接觸面溫度由913℃急劇升至爐溫附近，預(yù)示此刻B2層石膏板也發(fā)生了脫落，與爐內(nèi)高溫?cái)z像機(jī)拍攝記錄現(xiàn)象相一致。此時(shí)，中間龍骨熱翼緣直接受火，因而HF曲線(xiàn)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(xiàn)）始終明顯低于爐內(nèi)溫度，說(shuō)明巖棉填充層在試驗(yàn)過(guò)程中始終未脫落，與試驗(yàn)現(xiàn)象相符合。

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

圖5 試件時(shí)間-溫度曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

試件S1與試件S2的差異性在于復(fù)合墻體的基層墻板類(lèi)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(fù)合墻體的龍骨熱翼緣（HF）溫度和B3-B4接觸面溫度進(jìn)行比較，可見(jiàn)：

圖6 試件S1、S2時(shí)間-溫度曲線(xiàn)對(duì)比

（1）受火36～71min時(shí)，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(dá)到相同溫升時(shí)，試件S2所需時(shí)間略長(zhǎng)，說(shuō)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?yàn)椴Ｌ匕逶谑芑疬^(guò)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(zhǎng)了試件耐火時(shí)間。

4 結(jié)論

本文通過(guò)冷成型鋼復(fù)合墻體的非承重耐火試驗(yàn)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(guò)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(fù)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(yàn)結(jié)果還將為此類(lèi)墻體的抗火數(shù)值模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。