秸稈復(fù)合墻板耐火性能試驗(yàn)研究

陳繼浩，崔琪，侯國(guó)艷

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

0 前言

利用秸稈良好的保溫性能和零污染的環(huán)境性能，在建筑中大量應(yīng)用，既能夠解決大量生物質(zhì)資源浪費(fèi)和大氣污染問(wèn)題，又能替代部分高耗能建筑材料。秸稈草磚房是一類大量利用農(nóng)業(yè)廢棄秸稈的建筑，在美國(guó)和一些歐洲國(guó)家得到了很好的發(fā)展，我國(guó)也在東北地區(qū)進(jìn)行了秸稈草磚房的推廣應(yīng)用[1-6]，但由于存在層高受限制，秸稈磚或墻體運(yùn)輸限制等問(wèn)題，未得到大量推廣。

秸稈紙面草板由于其工業(yè)化生產(chǎn)、易于加工等特點(diǎn)，曾在我國(guó)建筑領(lǐng)域得到應(yīng)用[7-9]。隨著技術(shù)的發(fā)展，為提高秸稈紙面草板的性能，以秸稈紙面草板作為芯材，表面復(fù)合不同面層形成的墻體結(jié)構(gòu)，開(kāi)始得到研究和應(yīng)用[10]，并將具有更好的發(fā)展前景，特別是與輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合，易于形成裝配式的建筑構(gòu)件，同時(shí)顯著提高節(jié)能性能。由于采用秸稈為原料的原因，其防火性能得到關(guān)注。

對(duì)于秸稈草磚房的耐火性能，美國(guó)和加拿大等地進(jìn)行了研究，如加拿大國(guó)家研究所測(cè)試，抹了灰泥的草磚墻在外側(cè)經(jīng)受2 h的1028℃的高溫后，墻體依然沒(méi)有破裂損傷。美國(guó)按照ASTM E-119《建筑構(gòu)造及材料的耐火性能試驗(yàn)方法》研究表明，18英寸厚的沒(méi)有灰泥面層草磚墻在850℃的高溫下經(jīng)過(guò)34.5 min才被燒穿[11]。中國(guó)建筑科學(xué)院王禮等[12]也對(duì)非承重草磚墻體進(jìn)行了耐火極限試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，用10mm草泥找平，并加10 mm厚混合砂漿抹面，厚度為400 mm的秸稈草磚墻體的耐火極限能達(dá)到3.0 h。緊密壓實(shí)的草磚內(nèi)部沒(méi)有足夠的可助燃的氧，且表層燃燒形成碳化層，阻止了火焰進(jìn)一步向其內(nèi)部蔓延。

秸稈紙面草板為高壓成型，材料的密度為400～450kg/m3，與密度為100～120 kg/m3的秸稈草磚相比，具有更加密實(shí)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于其表面貼覆無(wú)機(jī)面層，更能提高其防火性能。此類復(fù)合墻體的耐火性能未見(jiàn)報(bào)道，為促進(jìn)新型秸稈復(fù)合墻體的應(yīng)用，對(duì)其燃燒性能、耐火極限等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 秸稈復(fù)合板燃燒性能試驗(yàn)

燃燒性能委托國(guó)家建筑材料測(cè)試中心進(jìn)行了測(cè)試。試樣為多層復(fù)合秸稈板，為58 mm厚的壓縮秸稈芯層，兩面貼覆12 mm厚的硅酸鈣板，表面貼覆0.6 mm厚木皮，尺寸為1000 mm×1500 mm，570 mm×1500 mm。試驗(yàn)墻體按照 GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》要求，采用機(jī)械方式（金屬螺栓）固定于試樣架上，背板與試樣間距離為50 mm，受火面為上表面。按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》對(duì)復(fù)合墻體進(jìn)行了測(cè)試，性能要求參照GB 8624—2012中平板狀B1級(jí)難燃材料（制品）的要求。表1為復(fù)合墻板的測(cè)試結(jié)果。

表1 秸稈復(fù)合墻板燃燒性能測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)：（1）該復(fù)合秸稈墻板具有非常好的耐燃燒性能，而且部分項(xiàng)目性能優(yōu)異，如燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)，測(cè)試結(jié)果為6W/s，大大優(yōu)于GB 8624—2012要求的不超過(guò)120 W/s，600 s內(nèi)總熱釋放量只有0.8 MJ，顯著低于GB 8624—2012要求的不超過(guò)7.5 MJ。（2）在煙氣方面，600 s內(nèi)總產(chǎn)煙量只有16 m2，顯著低于GB 8624—2012要求的不超過(guò)50 m2的要求，煙氣生成速率指數(shù)只有1 m2/s2，大大優(yōu)于GB 8624—2012要求的不超過(guò)30m2/s2的要求，具有良好的耐燃燒性能。

2 秸稈復(fù)合板墻體耐火極限性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究秸稈復(fù)合墻板的耐火性能，由合作單位煙臺(tái)金田科技有限公司制作了以多層復(fù)合墻板和輕鋼框架組合的雙層墻體，進(jìn)行了2 h耐火極限試驗(yàn)。試驗(yàn)在國(guó)家建筑材料測(cè)試中心的耐火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試依據(jù)為GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第1部分：通用要求》、GB/T9978.8—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第8部分：非承重垂直分隔構(gòu)件的特殊要求》。

2.1 試件及試驗(yàn)條件

試件外形尺寸為3500 mm×3500 mm，總厚度為248 mm，受火尺寸為3000 mm×3000 mm，試件墻體由25 mm碳素復(fù)合板作為面層、中間58 mm的秸稈紙面草板，另一面貼覆3 mm的碳素復(fù)合板形成厚度86 mm的復(fù)合墻板，25 mm厚的碳素復(fù)合板面層朝外，2層墻體中間通過(guò)自攻螺釘與60 mm的輕鋼框架連接，板與板拼縫及板與框架之間縫隙均采用混合砂漿抹縫掛平處理，受火面涂抹1層15 mm厚混合砂漿，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)形成隔墻試件。

墻體設(shè)計(jì)成以輕鋼框架連接的雙層墻體，是考慮這種工廠化生產(chǎn)的墻體與輕鋼龍骨墻體結(jié)合是最常見(jiàn)的方式，也是目前最有發(fā)展前景的裝配式建筑的墻體結(jié)構(gòu)，同時(shí)雙層墻體也提高了墻體的節(jié)能性能，形成自保溫墻體。墻體試樣的示意如圖1所示。試樣的背火面溫度曲線按照非承重垂直分割構(gòu)件的要求，設(shè)置了9支熱電偶，隔熱性測(cè)試的初始溫度為16.7℃。

圖1 耐火試樣墻體的結(jié)構(gòu)示意

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）2 h耐火試驗(yàn)結(jié)束后在秸稈復(fù)合墻體背火面無(wú)明顯變化，墻體在隔熱性、完整性方面未出現(xiàn)破壞，符合GB/T 9978.1—2008規(guī)定的耐火極限要求。

（2）試件的隔熱性能非常突出，120min時(shí)未破壞。背火面平均溫升只有17.5℃，背火面單點(diǎn)最高溫升只有24.4℃，遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T9978.1—2008規(guī)定的背火面平均溫升不大于140℃要求，說(shuō)明墻體的隔熱性能非常好。

試驗(yàn)爐內(nèi)和背火面的溫升曲線如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)墻體的溫升曲線

由圖2可見(jiàn)：爐內(nèi)溫升按照設(shè)定30 min達(dá)到800℃以上時(shí)，背火面的溫升從16.7℃只上升到20℃，溫升只有3.3℃；試驗(yàn)至90 min時(shí)，背火面的溫度只有26℃，平均溫升不超過(guò)9℃；試驗(yàn)至105 min時(shí)，背火面才開(kāi)始略微增加溫度的升高速度；試驗(yàn)至120 min時(shí)，平均溫升不超過(guò)17.5℃，最高點(diǎn)溫升不超過(guò)24.4℃，遠(yuǎn)低于耐火極限標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 9978.1—2008）限定的溫升，根據(jù)背火面溫升曲線的趨勢(shì)，秸稈復(fù)合墻體能達(dá)到更長(zhǎng)的耐火極限時(shí)間，具有良好的防火性能。

（3）在完整性方面，經(jīng)過(guò)2 h高達(dá)1050℃的高溫燃燒，整個(gè)墻體未喪失完整性，未出現(xiàn)裂縫、竄出火焰等問(wèn)題，在墻體拼縫部位略有燒灼痕跡，背火面基本保持原狀。

試驗(yàn)后試樣墻體的情況如圖3所示。

圖3 2 h耐火極限測(cè)試后背火面和受火面情況

由圖3（a）可見(jiàn)，2 h耐火極限測(cè)試后，背火面仍保持良好的完整性，只有縫隙處可能在安裝時(shí)縫隙處理問(wèn)題，略有燒灼痕跡，背火面基本保持不變。

由圖3（b）可見(jiàn)，2 h耐火極限測(cè)試后，在1000℃以上的溫度，墻體的面層雖然碎裂脫落，但壓縮秸稈板芯層燃燒過(guò)后形成碳化層，仍保持完整的墻體形狀，這種狀態(tài)能夠阻止燃燒的蔓延，形成較好的阻燃效果，對(duì)后面的墻體構(gòu)件形成較好的保護(hù)，使高溫盡可能慢地透過(guò)墻體，保護(hù)了背火面的墻體，從而具有較長(zhǎng)的耐火時(shí)間。這種秸稈復(fù)合墻體在建筑構(gòu)造中不僅保溫性能突出，而且具有良好的耐火性能，在燃燒時(shí)壓制密實(shí)的秸稈復(fù)合墻體在火災(zāi)初期燃燒緩慢，傳熱慢，有效保護(hù)逃生。在火災(zāi)后期墻體保持完整性，減少由于倒塌等造成的二次傷害。

3 結(jié)論

（1）燃燒性能試驗(yàn)顯示，秸稈復(fù)合墻板達(dá)到B1級(jí)難燃材料的要求，并且在燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)、600 s內(nèi)總產(chǎn)煙量、煙氣生成速率指數(shù)等指標(biāo)方面，大大優(yōu)于GB 8624—2012要求。

（2）對(duì)結(jié)合輕鋼框架形成的雙層秸稈復(fù)合墻體進(jìn)行的2 h耐火性能試驗(yàn)顯示，背火面平均溫升只有17.5℃，背火面單點(diǎn)最高溫升只有24.4℃，大大優(yōu)于GB/T 9978.1—2008規(guī)定的背火面平均溫升不大于140℃要求。

（3）經(jīng)過(guò)2 h高達(dá)1050℃的高溫燃燒，秸稈復(fù)合墻體背火面基本保持原狀，無(wú)破裂損傷，墻體未喪失完整性。