棉花秸稈草磚墻體耐火性的試驗研究

付彬彬，馮 勇，晉 強，史陽光

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052)

新疆是我國主要的產(chǎn)棉大?。?］。但是大量的棉花秸稈在秋季棉花采摘完成以后，作為廢棄物被焚燒或掩埋，使棉花秸稈可再利用價值沒有得到充分發(fā)揮，且焚燒產(chǎn)生的濃煙污染環(huán)境［2－3］。若將棉稈經(jīng)過加工制作成草磚作為填充墻的材料便能達到“變廢為寶”的目的［4－5］。由于棉花秸稈墻體具有較好的保溫性能，這對于廣大農(nóng)牧民節(jié)約冬季采暖燃煤和家庭開支，減少固體廢棄物CO2和SO2等有害氣體排放量，具有較好的研究意義和社會應用推廣價值。但棉花秸稈本身作為燃燒材料，把棉秸稈草磚作為墻體的填充材料，其耐火性受到人們的廣泛質疑。棉稈草磚墻體的耐火性到底如何呢?這是一個值得深入研究的問題。

在我國大部分學者都致力于將棉花秸稈粉碎，然后加化學粘結劑進行處理，把加壓成型的纖維砌塊作為研究對象，且主要研究其物理力學或環(huán)保保溫等性能［6－8］，對其耐火性研究較少。到2011年，王禮，史毅等按照我國建筑構件耐火試驗方法對3000 mm(寬)×3000 mm(高)×400 mm(厚)(360 mm稻草草磚雙面加10 mm草泥找平，掛鋼絲網(wǎng)片之后雙面加10 mm混合砂漿找平)的草磚墻做耐火性試驗，研究表明墻體可以耐火3 h［9］。在國外，2001年丹麥以抹灰面的草磚墻作為耐火試驗對象，研究表明經(jīng)過30 min的燃燒過程，向火面溫度達到1000℃時，背火面的溫度才升高了1℃ 。2006年美國以高為3 657.6 mm，寬為4 267.2 mm，厚度為508 mm(其中雙面有25.4 mm的抹灰層)的草磚墻為研究對象，試驗表明其耐火極限超過1 h［11］。這些試驗表明構造合理的草磚墻滿足耐火性的要求。由于國內(nèi)外研究的墻體草磚大都是用稻草，麥秸稈壓制成型的，且墻體的厚度較厚。本實驗以棉花秸稈壓制成型的草磚做成的非承重墻做為研究對象，并使墻體厚度減少到250 mm。

1 試驗材料

1.1 試驗構件的制作背景

現(xiàn)今大部分非承重墻體的填充材料一般都采用空心砌塊或陶粒砌塊，墻體的厚度為250 mm，但采用秸稈草磚制作的墻體厚度一般較大，主要是考慮墻體的承載能力和保溫性能，然而如此一來墻體便會占有很大的空間，尤其是對于房屋的隔墻而言，墻體厚度越大，房間的使用面積就越小。研究表明秸稈草磚墻體的保溫性能和承載能力與草磚的密度密切相關［12］。且試驗結果說明要使棉稈草磚滿足承載力要求，其平均密度應＞90 kg/m 。所以本實驗的研究思路是在滿足墻體承載能力的前提下盡可能減少墻體的厚度。然后選取非承重墻體的一部分進行耐火試驗。

1.2 試驗條件

1.2.1 基本信息

(1)草磚機:由旭田環(huán)保公司生產(chǎn)，最大壓力為50 t。

(2)試驗用的草磚尺寸為200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(寬)，密度為134.375 kg/m3。

1.2.2 構件的制作

(1)稱取質量為2.15 kg的棉花秸稈，利用草磚機壓制成尺寸為200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(寬)的棉稈草磚。

(2)選取三塊草磚利用鋼絲將其固定住，再在兩側掛鋼絲網(wǎng)片并用U型鐵絲將其固定在草磚上。

(3)墻體兩側和頂部分別抹25 mm厚的水泥砂漿。最后制成的試驗構件的尺寸為250 mm(厚)×450 mm(寬)×625 mm(高)。墻體構件的制作過程如圖1(a)、圖1(b)。

圖1 草磚的制作過程圖

2 試驗設備和方法

試驗設備采用蘇州鐵塔噴燈有限公司生產(chǎn)的QD25—1烤漆汽油噴燈，試驗時將噴燈火焰對準墻體的中心位置并進行明火加熱，火焰溫度大于1 000℃。溫度測量儀器采用香港泰克曼公司生產(chǎn)的Infrared Thermometer TM550紅外線溫度測量儀，儀器的量程為－50℃到500℃。試驗步驟如下:

(1)由于墻體是對稱結構任選一面作為墻體的受火面，另一面便作為背火面，試驗前先在背火面選擇溫度監(jiān)控點(如圖2所示)。

(2)利用紅外線溫度儀測量墻體背火面各溫測點的溫度值并將其作為試驗構件試驗前各點的初始溫度。

圖2 構件背火面溫度控點的布置圖

(3)用汽油噴燈對準墻體受火面的中心位置進行明火加熱，在實驗過程中保證試驗墻體的受火面暴露在汽油的外火焰里，且火焰溫度保持在最高水平。

(4)明火加熱每隔10 min用紅外線溫度測量儀量測各個監(jiān)控點的溫度并觀測每一點的升溫情況。若溫測點的溫度變化值突然增大時，測量時間間隔可以適當縮小。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

試驗中，用汽油噴燈燃燒大約2 min受火面墻體的水泥砂漿表面就開始發(fā)黑，8 min左右水泥砂漿墻體表面就出現(xiàn)白色區(qū)域，緊接著在白色區(qū)域里出現(xiàn)了許多細小的裂縫。隨著時間的推移，裂縫越來越多并逐漸向四周延伸擴散。在試驗進行到50 min時，試驗構件的頂部由于水泥砂漿硬化收縮產(chǎn)生的微小裂縫里出現(xiàn)少量的水汽。此時便在試驗構件的頂部再選取3個溫度測定點(如圖3)來觀察頂部溫度的變化。試驗進行70 min左右時頂部裂縫的寬度大約1mm左右，但并沒有其他明顯現(xiàn)象。在整個試驗過程中，墻體構件的背火面和試驗前相比沒有出現(xiàn)明顯變化。

圖3 圖構件頂部溫度控點的布置圖

3.2 背火面溫度變化

墻體構件背火面的溫度變化值如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制溫升曲線如圖4所示。溫升值是指各個時刻的溫度值減去初始平均溫度得到的差值。試驗開始前構件的表面溫度為試驗前各測點溫度的平均值35.2℃。

表1 墻體構件背火面各測點溫度變化 單位:℃

圖4 墻體背火面溫升曲線

從墻體背火面各測點溫升曲線中的數(shù)據(jù)可知，在汽油噴燈的燃燒下(火焰溫度大于1 000℃)，30 min后，墻體背火面的平均溫升只有1.45℃。到60 min時也是墻體背火面溫升的最大值只有2.77℃。由溫度變化表1中的數(shù)據(jù)可知，在整個試驗過程中，背火面測點最大的溫度值是39.7℃。根據(jù)規(guī)范［14］若在試驗過程中出現(xiàn)以下情況時試驗構件便達到耐火極限。具體的破壞特征如下:

(1)構件隔熱性被破壞:試件背火面平均溫度溫升超過初始溫度140℃。試件背火面任一點的溫度溫升超過180℃。

(2)構件耐火完整性被破壞:將樣墊貼近構件背火面出現(xiàn)裂縫或竄出火焰等可疑位置，棉墊被點燃。或將直徑為6 mm的探棒穿過裂縫并且可沿著裂縫長度方向移動不小于150 mm。或將直徑為25 mm的探棒可以穿過裂縫。

(3)失去穩(wěn)定性:構件出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

由此可知墻體背火面的溫升情況遠低于耐火極限的判定標準。

3.3 墻體構件頂部的溫度變化

由于在實驗過程中，大概50 min左右，墻體構件的上部裂縫出現(xiàn)了少量水汽，且頂部溫度高于背火面的溫度值。為了準確測定棉稈草磚非承重墻體的耐火極限，特將構件頂部的溫度變化值進行整理如表2。其各測點的溫升曲線如圖5。

表2 墻體構件頂部各測點溫度變化 單位:℃

圖5 墻體頂部溫升曲線

從構件頂部溫度變化表2可知，試驗結束時，構件頂部測點溫度的最高值是68.0℃。雖然較墻體背火面的溫度高一些，但距離耐火極限的判斷標準值還相差較遠。從溫升曲線來看，各測點最大的溫升值是29.76℃，仍然沒有達到耐火極限的臨界值140℃的要求。

試驗構件頂部棉花秸稈草磚并沒有燃著的原因主要是由于試驗構件外側的水泥砂漿表層有效的阻擋了外界火焰初期對墻體的燃燒破壞;鋼筋網(wǎng)片的加入不但能很好的固定棉稈草磚，還能使外層水泥砂漿與棉稈草磚有較好的連接作用，從而減少了內(nèi)部空氣的含量;利用草磚機壓制的棉稈草磚具有良好的密實性，使得內(nèi)部沒有可以助燃的氧氣，且墻體表層暴露在火焰中形成的碳化層有效的阻止了火焰向內(nèi)部蔓延。

3.4 試驗后草磚的情況

試驗結束后，墻體構件的背火面并沒有明顯變化。其受火面的水泥砂漿面層變白并已脫落，表面的裂縫大約有3 mm。構件頂部有微小裂縫的出現(xiàn)。將試驗構件在受火點中心割開，可以清楚的看到棉稈草磚被燒過的碳化層，碳化層的直徑大約是10 cm，并且向火面碳化層并不是沿著著火點均勻向四周擴散，而是呈現(xiàn)偏斜的趨勢，其中最長的碳化層尺寸為20 cm左右(如圖6(a)、圖6(b)所示)。

圖6 試驗后的墻體

4 結論

通過對內(nèi)填棉稈草磚的非承重墻在70 min火焰溫度大于1 000℃的燃燒下，可以得出以下結論:

(1)經(jīng)機械高壓制成的高密度草磚可以作為非承重墻體的填充材料，并且草磚厚度可以縮小到200 mm，如此可以增大住房的使用面積。

(2)試驗墻體構件的耐火極限超過70 min，達到《建筑設計防火規(guī)范》［15］(GB50016－2006)對民用建筑非承重墻體的耐火極限要求;同時可以判定用棉稈草磚做成的非承重墻體的耐火等級為二級。

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