重組竹材三面和四面受火炭化性能試驗(yàn)

崔兆彥,徐 明,陳忠范,惠勃濤

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院,南京 210096； 2.混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(東南大學(xué)),南京 210096)

竹木結(jié)構(gòu)因施工簡(jiǎn)便、節(jié)能環(huán)保、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越多的關(guān)注和發(fā)展.中國(guó)竹林資源豐富而木材相對(duì)匱乏，大力發(fā)展建筑竹材產(chǎn)業(yè)意義重大[1].重組竹作為一種竹纖維束膠結(jié)復(fù)合材料，材質(zhì)均勻且力學(xué)性能穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展制作工藝趨于成熟，在建材領(lǐng)域替代木材具有廣闊的應(yīng)用空間[2].2009年，張齊生院士團(tuán)隊(duì)在南京林業(yè)大學(xué)建造了首幢兩層重組竹民宅安居示范工程[3]，進(jìn)一步推動(dòng)了重組竹在現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用.

但重組竹與木材相似的可燃性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題始終制約現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)大規(guī)模推廣應(yīng)用.以重組竹為建筑材料的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)為近年來(lái)新興結(jié)構(gòu)體系，研究焦點(diǎn)主要集中于基本的力學(xué)特性[4-6]及螺栓節(jié)點(diǎn)承載力方面[7]，對(duì)于抗火研究相對(duì)匱乏.

目前，已有一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)木材及膠合竹的炭化性能進(jìn)行了研究，部分研究成果收錄于各國(guó)規(guī)范，如Eurocode 5[8]，CSA-O86-09[9]，NDS-1997[10]，Australian standard 1720.4[11]等.在結(jié)構(gòu)工程中火災(zāi)作用關(guān)鍵控制因素為炭化速度[12].目前，國(guó)內(nèi)外常用的炭化速度測(cè)量方法主要有3種：1)基于ISO 834或者ASTM E 119溫度曲線傳統(tǒng)的火災(zāi)試驗(yàn)爐測(cè)量方法[13];2)一種采用恒定熱通量測(cè)試的小型縮尺試驗(yàn)[14]，如錐形量熱儀等;3)以整個(gè)房屋為對(duì)象的足尺火災(zāi)試驗(yàn)方法[15].White等[16]通過(guò)ASTM E 119小型水平爐試驗(yàn)測(cè)試了5種木材的炭化速度，建立了炭化速度和含水率、密度、炭化因子的計(jì)算方法；Njankouo等[17]基于ISO 834曲線測(cè)試了20種熱帶硬木(密度為421～1 018 kg/m3)在單面受火條件下的炭化規(guī)律，得出炭化深度與時(shí)間呈線性相關(guān)，且木材的密度對(duì)炭化速度影響顯著的結(jié)論；許清風(fēng)等[18]采用錐形熱量?jī)x的方法測(cè)試了多種木材及工程竹材的炭化速度，并與標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)爐試驗(yàn)作對(duì)比，建立了兩者轉(zhuǎn)化相關(guān)關(guān)系；肖巖等[19]對(duì)一足尺輕型膠合竹框架房屋進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)研究了房屋整體結(jié)構(gòu)火災(zāi)表現(xiàn)及構(gòu)件災(zāi)后損傷情況，并采用FDS進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果與火災(zāi)試驗(yàn)吻合良好，此外，還開(kāi)展了膠合竹墻體抗火性能及單面炭化性能研究，為現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

竹材與木材的化學(xué)組分相似，可以參照木材炭化性能的研究方法對(duì)重組竹材進(jìn)行研究.在真實(shí)火災(zāi)作用下，除樓板為單面受火外，梁、柱構(gòu)件基本處于三面或四面受火狀態(tài).因此，本文以重組竹材為研究對(duì)象，采用ISO 834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)方法開(kāi)展三面及四面受火炭化性能試驗(yàn)研究，分析截面尺寸、受火時(shí)間以及不同受火面對(duì)炭化深度和炭化速度的影響規(guī)律，為合理進(jìn)行現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料、設(shè)備

本研究涉及重組竹主要由4～5年生毛竹及膠黏劑加工制作而成，重組竹中膠黏劑體積比約為10%.其中，膠黏劑為一種工業(yè)用水溶性浸漬酚醛樹(shù)脂(PF16L510，北京太爾化工有限公司)，其固體含量為46%～49%，pH為10.5～11.5，其玻璃化溫度約為150 ℃.按照《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[20]測(cè)試，重組竹含水率平均值為8%，氣干密度平均值為1 050 kg/m3.重組竹順紋抗壓強(qiáng)度為66.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為110.6 MPa.

火災(zāi)試驗(yàn)主要在東南大學(xué)土木學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心的小型多用途耐火試驗(yàn)爐(圖1)中進(jìn)行，爐腔尺寸為1 800 mm×1 200 mm×500 mm，爐內(nèi)兩端分別裝有熱電偶自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程中爐溫變化，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)爐內(nèi)中間外接一個(gè)熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量爐溫，并與水平爐兩側(cè)爐溫作對(duì)比.由于試驗(yàn)爐體積較小，爐內(nèi)天然氣的燃燒過(guò)程更易控制，使得爐內(nèi)溫度與控制溫度更吻合，有利于得到更合理的試驗(yàn)結(jié)果.火災(zāi)爐升溫曲線采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線ISO 834，不同受火時(shí)間下典型爐溫曲線見(jiàn)圖2.

圖2 典型爐溫與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

Fig.2 Typical temperature curves of furnace and standard temperature curve

1.2 構(gòu)件編號(hào)、布置

重組竹材三面及四面受火條件下構(gòu)件尺寸均采用150 mm×150 mm×1 500 mm和150 mm×75 mm×1 500 mm兩種.考慮受火時(shí)間對(duì)炭化速度的影響，分別取10,20,30及40 min.試驗(yàn)分為4組共16個(gè)構(gòu)件，具體重組竹構(gòu)件編號(hào)見(jiàn)表1.

對(duì)于三面受火構(gòu)件，首先沿爐壁四周砌筑耐火磚，砌筑高度為150 mm，砌筑過(guò)程中預(yù)留兩個(gè)孔洞，然后，將重組竹構(gòu)件沿水平爐寬度方向直接放置在孔洞處，四周用巖棉填充密實(shí)以防止煙霧溢出，在構(gòu)件上部鋪設(shè)一層耐火巖棉，最后將爐蓋搭在耐火磚上(圖3).對(duì)于四面受火構(gòu)件，首先在爐底兩側(cè)砌筑高為300 mm耐火磚作為重組竹構(gòu)件的支座，然后將構(gòu)件置入爐中，用于起吊的耐火鋼絲伸出爐外，最后將爐蓋搭在爐壁上(圖4).

表1 火災(zāi)試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

注:構(gòu)件編號(hào)中AB-C中，A表示受火面，其中T表示三面受火，F(xiàn)表示四面受火；B表示構(gòu)件高度，1表示150 mm，2表示75 mm；C表示受火時(shí)間

圖3 試驗(yàn)裝置示意

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

為了研究受火溫度及受火時(shí)間對(duì)重組竹材內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，在構(gòu)件不同位置布置熱電偶，以測(cè)量受火過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)部的溫度變化.其中，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將重組竹構(gòu)件分為3段，從左到右依次為A區(qū)域、C區(qū)域和B區(qū)域，每段為500 mm，每段區(qū)域內(nèi)埋置4個(gè)熱電偶，其中，Ai、Bi和Ci埋置深度分別為h/4，h/2，3h/4，15h/16(i取1，2，3，4).A、B測(cè)點(diǎn)距相鄰一側(cè)受火面為50 mm，C位置處于構(gòu)件中間，距兩側(cè)受火面均為75 mm，見(jiàn)圖5所示.

圖5 熱電偶布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 炭化形態(tài)

當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)時(shí)間后，立即切斷天然氣，然后開(kāi)爐將重組竹構(gòu)件吊出，澆水熄滅.由多面受火后的炭化情況可知，表面沿紋理方向和垂直紋理方向出現(xiàn)很多縱橫裂縫．部分炭化層脫落明顯，角部區(qū)域由于承受雙向熱傳遞而由棱角變?yōu)閳A角形.通過(guò)觀察截面發(fā)現(xiàn)，炭化后分層明顯，炭化層為漆黑色，高溫分解層為深灰色，正常層為重組竹原始顏色，各試驗(yàn)工況下重組竹構(gòu)件炭化形態(tài)見(jiàn)圖6,7.

2.2 炭化深度

圖6 三面受火后炭化形態(tài)

Fig.6 Charring patterns of specimens after exposure to three-side fire

圖7 四面受火后炭化形態(tài)

Fig.7 Charring patterns of specimens after exposure to four-side fire

圖8 炭化深度測(cè)量

表2 三面受火各種工況下炭化深度

表3 四面受火各種工況下炭化深度

Tab.3 Charring depth of bamboo scrimber exposed to four-side fire

mm

通過(guò)表2可以看出，對(duì)于三面受火構(gòu)件，隨著受火時(shí)間增加，水平和豎直方向的炭化深度均呈非線性增加，同等條件下圓角區(qū)炭化深度約為非圓角區(qū)炭化深度的2倍，不同截面尺寸對(duì)炭化深度影響并不顯著.

通過(guò)表3可以看出，對(duì)于四面受火構(gòu)件，炭化深度與受火時(shí)間的相關(guān)性與三面受火相似，但水平和豎直方向炭化深度差別不大，整體而言，四面受火構(gòu)件炭化深度略大于三面受火構(gòu)件.

2.3 測(cè)點(diǎn)溫度

如前文所述，不同受火時(shí)間下典型爐溫曲線見(jiàn)圖2，溫度曲線表明在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)爐溫與標(biāo)準(zhǔn)ISO 834升溫曲線符合良好.

圖9,10分別給出了三面和四面受火條件下受火時(shí)間為40 min時(shí)T1和F1組典型的溫度-時(shí)間曲線.

通過(guò)圖9(a)～(c)可以看出，除4#熱電偶外，其余曲線溫度隨時(shí)間均緩慢增加且不超過(guò)150 ℃，變化范圍不大.如圖9(d)所示，位于同一深度的A4、B4以及C4 3個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，A4和B4具有相同的變化趨勢(shì)，且受火構(gòu)件在12～15 min時(shí)，溫度發(fā)生突變，表明此時(shí)構(gòu)件部分炭化層脫落，由于距兩側(cè)受火面較遠(yuǎn)、熱量傳遞較慢導(dǎo)致C4構(gòu)件突變點(diǎn)較為滯后，但三者最終趨于一致.

圖9 三面受火重組竹構(gòu)件不同測(cè)點(diǎn)溫度曲線

圖10 四面受火重組竹構(gòu)件不同測(cè)點(diǎn)溫度曲線

由前文可知，重組竹四面受火構(gòu)件沿爐體長(zhǎng)度方向放入爐內(nèi)，測(cè)量爐溫的熱電偶有3個(gè)，爐體兩側(cè)自帶的熱電偶和爐內(nèi)中間位置外接的熱電偶.A、B、C 3個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)爐內(nèi)左側(cè)、爐內(nèi)右側(cè)及中間位置，通過(guò)圖10(d)可以看出，爐內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，保證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性.此外，四面炭化溫度-時(shí)間曲線與三面炭化規(guī)律相似.1#、2#、3#熱電偶處均未發(fā)生炭化，且由于重組竹熱傳導(dǎo)系數(shù)較低(橫紋方向常溫下為0.29 W/(m·K))[21]，構(gòu)件內(nèi)部溫度變化不大，均未超過(guò)150 ℃，這與實(shí)際炭化深度測(cè)量結(jié)果相符.與圖9三面炭化相同，4#熱電偶曲線在300 ℃左右出現(xiàn)緩慢平臺(tái)段，此時(shí)4#熱電偶處重組竹材達(dá)到炭化溫度，由于外部炭化層保護(hù)作用，溫度增加緩慢，隨著爐溫繼續(xù)升高，部分炭化層脫落導(dǎo)致隨后測(cè)點(diǎn)溫度快速增加.

3 炭化模型

3.1 炭化深度計(jì)算

基于前期單面受火試驗(yàn)[21]，建立了炭化深度同受火時(shí)間、含水率以及紋理方向相關(guān)的非線性計(jì)算公式，即

xc=b(-2.87ω+1.22)t0.81.

(1)

式中:xc為炭化深度，mm；b為紋理系數(shù)，橫紋方向取1，順紋方向取1.23；ω為含水率，100%；t為受火時(shí)間，min.

如前文所述，本試驗(yàn)重組竹構(gòu)件含水率為8%，構(gòu)件均為橫紋方向受火.通過(guò)重組竹單面受火試驗(yàn)[21]可知，單面受火構(gòu)件在相應(yīng)條件下10,20,30以及40 min時(shí)實(shí)際炭化深度分別為6.5,11.3,15.2,19.3 mm.不同受火面下炭化深度對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于受火面熱量傳遞疊加，三面和四面受火構(gòu)件非圓角區(qū)炭化深度明顯大于單面受火構(gòu)件，需對(duì)公式進(jìn)一步擬合分析.

以式(1)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入多面炭化因子α回歸分析，可以得到多面受火非圓角區(qū)炭化深度的計(jì)算公式，即

xc=αb(-2.87ω+1.22)t0.81.

(2)

式中:α為多面炭化因子，多面取值為1.22，單面取值為1.

將多面炭化深度試驗(yàn)值與計(jì)算值作對(duì)比(表4)可知，計(jì)算誤差較小，均未超過(guò)10%，說(shuō)明公式具有較好的適用性.

為進(jìn)一步分析多面受火炭化規(guī)律，將各工況下的炭化深度與擬合曲線對(duì)比分析，擬合效果良好，見(jiàn)圖11.

表4 各工況下炭化深度試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

Tab.4 Comparison of the experimental and calculations results of charring depth under different conditions

構(gòu)件編號(hào)xb/mm誤差/%xh/mm誤差/%試驗(yàn)計(jì)算試驗(yàn)計(jì)算T1-108.47.87.138.57.88.22T1-2014.213.73.6813.213.7-3.62T1-3019.119.00.5518.519.0-2.68T1-4023.924.0-0.3323.124.0-3.81T2-108.47.87.138.17.83.69T2-2013.813.70.8914.013.72.30T2-3019.319.01.5818.519.0-2.68T2-4023.924.0-0.3323.524.0-2.04F1-108.37.86.017.87.8-0.02F1-2014.713.76.9614.413.75.02F1-3019.619.03.0919.019.00.03F1-4023.924.0-0.3323.524.0-2.04F2-108.17.83.698.57.88.22F2-2013.913.71.6014.513.75.67F2-3020.419.06.8918.519.0-2.68F2-4024.324.01.3223.524.0-2.04

圖11 各工況下重組竹材炭化深度擬合曲線

Fig.11 Fitting curves of the charring depth of bamboo scrimber under different conditions

3.2 名義炭化速度

由于多面受火條件下角部區(qū)域和非角部區(qū)域炭化深度差別較大，受火后重組竹剩余截面計(jì)算不能忽略角部區(qū)域影響.在實(shí)際應(yīng)用中，炭化后確定角部影響區(qū)域比較麻煩，進(jìn)而計(jì)算炭化后剩余截面也比較麻煩，為方便起見(jiàn)將剩余截面面積等效為矩形，得到名義炭化深度.由Eurocode 5[8]可知，單面炭化深度為dchar,0，名義炭化深度為dchar,n，見(jiàn)圖12.各工況下重組竹構(gòu)件剩余炭化面積和名義炭化深度如表5，6所示.對(duì)于三面受火構(gòu)件，隨著受火時(shí)間的增加，名義炭化深度逐漸增加，對(duì)于不同截面尺寸構(gòu)件，其名義炭化深度相差不大.對(duì)于四面受火構(gòu)件，同樣，截面尺寸對(duì)炭化深度的影響并不顯著.

圖12 木材多面受火炭化速度

表5 三面受火構(gòu)件名義炭化深度

Tab.5 Notional charring depth of specimens exposed to three-side fire

構(gòu)件編號(hào)示意圖剩余炭化面積/mm2名義炭化深度/mmT1-1018 8228.5T1-2016 58014.0T1-3014 61619.1T1-4012 87223.9T2-108 8848.4T2-207 40014.2T2-306 20619.3T2-405 18024.1

表6 四面受火構(gòu)件名義炭化深度

Tab.6 Notional charring depth of specimens exposed to four-side fire

構(gòu)件編號(hào)示意圖剩余炭化面積/mm2名義炭化深度/mmF1-1017 8728.2F1-2014 46014.9F1-3012 20419.8F1-4010 26024.4F2-107 1848.1F2-204 78814.2F2-302 91219.2F2-401 94024.5

本文將名義炭化深度與受火時(shí)間比值定義為名義炭化速度βn，而β0為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下半無(wú)限木板單面受火時(shí)的炭化速度.表7，8給出了三面和四面在不同受火時(shí)間下名義炭化速度的平均值，經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于多面受火構(gòu)件名義炭化速度可取0.7 mm/min.

表7 三面受火構(gòu)件名義炭化速度

Tab.7 Notional charring rate of specimen exposed to three-side fire

構(gòu)件編號(hào)名義炭化速度/(mm·min-1)平均值/(mm·min-1)T1-100.85T1-200.700.70T1-300.64T1-400.60T2-100.84T2-200.710.70T2-300.64T2-400.60

表8 四面受火構(gòu)件名義炭化速度

Tab.8 Notional charring rate of specimen exposed to four-side fire

構(gòu)件編號(hào)名義炭化速度/(mm·min-1)平均值/(mm·min-1)F1-100.82F1-200.740.71F1-300.66F1-400.61F2-100.81F2-200.710.69F2-300.64F2-400.61

3.3 木材對(duì)比分析

Eurocode 5考慮實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于密度為290 kg/m3的針葉木和密度為450 kg /m3的闊葉木，把炭化速度簡(jiǎn)化為一個(gè)常數(shù)(表9)，比較木材與重組竹單面炭化速度β0和名義炭化速度βn不難發(fā)現(xiàn)，由于重組竹材料密度較大，單面炭化速度β0相對(duì)較小，僅為0.55 mm/min，而名義炭化速度βn與膠合木材料相同，均為0.7 mm/min，說(shuō)明重組竹構(gòu)件圓角效應(yīng)顯著.文獻(xiàn)[22]給出了花旗松(450 kg/m3)在四面受火下的平均炭化速度為0.827 mm/min，同樣大于重組竹名義炭化速度.這說(shuō)明與普通木材相比，重組竹是一種具有良好抗火性能的材料.

表9 對(duì)比木材及重組竹炭化速度βn取值

Tab.9 Comparison of the charring rateβnof timber and bamboo scrimber

木材類型ρ(/kg·m-3)β0/(mm·min-1)βn/(mm·min-1)軟木膠合木≥2900.650.70實(shí)木≥2900.650.80硬木=2900.650.70≥4500.500.55層積材≥4800.650.70重組竹1 0500.550.70

4 結(jié) 論

1)重組竹材四面受火條件下水平和豎直方向炭化深度略大于三面受火構(gòu)件，且由于炭化層的保護(hù)作用，隨著受火時(shí)間增加，炭化速度逐漸較小.

2)對(duì)于多面受火構(gòu)件受火后，有效截面減小，由于雙向熱量傳遞矩形截面棱角變?yōu)閳A角形，圓角區(qū)炭化深度明顯大于非圓角區(qū).

3)由于受火面熱量傳遞作用疊加，多面受火構(gòu)件非圓角區(qū)炭化深度明顯大于單面受火構(gòu)件，通過(guò)引入多面炭化因子進(jìn)一步修正，建立了重組竹材炭化深度的計(jì)算模型.

4)與普通木材相比，重組竹材炭化速度相對(duì)較小，多面受火條件下名義炭化速度為0.7 mm/min，具有較好的抗火性能.