高溫后杉木枋碳化速度及力學(xué)性能研究*

王展光 王婷婷 邵建華

(1.凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院 貴州凱里 556011； 2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

黔東南地區(qū)是少數(shù)民族聚集區(qū)，其傳統(tǒng)民居為穿斗式木結(jié)構(gòu)，其采用木枋將木柱連接成整體，木枋的尺寸比漢式木結(jié)構(gòu)的木梁尺寸小很多，一般截面尺寸在5 cm×15 cm左右?；馂?zāi)是黔東南州穿斗式民居面臨的最主要的災(zāi)害形式，木枋作為穿斗式木結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其抗火性能直接關(guān)系到穿斗式木結(jié)構(gòu)的整體性能，對(duì)其火災(zāi)后的性能研究是木結(jié)構(gòu)火災(zāi)后性能評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

在北美和澳大利亞等地民居大部分為木結(jié)構(gòu)房屋，相關(guān)學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)的防火也進(jìn)行了大量的研究。LIE T T[1]綜合考慮安全系數(shù)、材性劣化和荷載水平的影響，給出了受火木梁和木柱耐火極限的簡化計(jì)算公式；BUCHANAN A等[2]將木材高溫后的截面劃分為炭化層、高溫分解層和正常區(qū)域3個(gè)部分，認(rèn)為內(nèi)部剩余區(qū)域?yàn)椴豢紤]溫度影響的正常區(qū)域；FIRMANTI A等[3]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受火木梁的碳化速度近似為常量，耐火時(shí)間受荷載影響，荷載越大降耐火時(shí)間越低；在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，在歐美等國家的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)不同木材碳化速度和耐火極限計(jì)算進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定[4-7]。

在國內(nèi)，對(duì)木結(jié)構(gòu)防火性能進(jìn)行了許多探索。劉靜、張盛東等[8-9]提出了木結(jié)構(gòu)抗火性能的主要熱學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)出木材溫度場的理論公式；李帥希[10]對(duì)花旗松木梁、木柱受火后碳化速度和力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬；許清風(fēng)、張晉等[11-13]對(duì)不同受火情況下木梁性能進(jìn)行了研究，分析了剩余承載力、碳化速度的影響因素；陳玲珠等[14-15]通過對(duì)比國外相關(guān)規(guī)范的取值，提出了適合我國木結(jié)構(gòu)耐火極限計(jì)算的方法；馬京華[16]對(duì)小葉楊、花旗松和落葉松3種木材的剩余承載力性能進(jìn)行了研究；王正昌[17]通過試驗(yàn)研究和有限元模擬研究了采用傳統(tǒng)“一麻五灰”地仗工藝處理后對(duì)木梁、木柱耐火極限和受火后力學(xué)性能。由于現(xiàn)在國內(nèi)木結(jié)構(gòu)相對(duì)較少，國家建筑材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)木結(jié)構(gòu)的耐火性能的要求主要采用定性規(guī)定[18]；在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中也僅對(duì)各類木構(gòu)件的耐火極限時(shí)間做出了相應(yīng)的要求[19-20]。

由于木枋截面遠(yuǎn)小于木梁，在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下，木枋已經(jīng)燒毀，因此本文在前期對(duì)舊松木枋耐火性能的基礎(chǔ)上[21]，采用了5種最高溫度的升溫曲線，研究黔東南本地杉木枋在不同升溫曲線后性能，分析不同加溫溫度下的碳化速度和剩余承載力。

1 試驗(yàn)研究

1.1 木枋試件

黔東南木結(jié)構(gòu)大部分采用本地生長的杉木，因此本次試驗(yàn)的杉木枋采用本地杉木制作。通過對(duì)杉木進(jìn)行相關(guān)測試，常溫下杉木密度為359.3 kg/m3,含水率10.4%。杉木枋為矩形截面，采用木枋在實(shí)際工程中的尺寸，其中寬為42 mm，高為135 mm，長為800 mm，根據(jù)試驗(yàn)需要一共制作了12個(gè)試件。

1.2 加溫試驗(yàn)

木枋試件加熱使用的是課題組定制某公司生產(chǎn)的加熱電爐，其采用電阻絲加熱，感應(yīng)器控制溫度，電熱爐最高溫度1 000 ℃，能滿足本試驗(yàn)需求。

在對(duì)松木枋耐火性進(jìn)行研究時(shí)，其在600 ℃時(shí)松木枋受火斷裂[21]，由于杉木的硬度和密度都要小于松木枋，其對(duì)高溫耐火性能也要低于松木枋，所以本次試驗(yàn)最高溫度設(shè)為500 ℃，采用最高溫度分別為500、450、400、350、300 ℃的5種加溫過程曲線見圖1所示，并將5種加溫情況下的性能與常溫情況進(jìn)行比較。將加工好的杉木枋試件放入加熱電爐中，按照規(guī)定的升溫曲線進(jìn)行加熱，加溫結(jié)束后取出試件并進(jìn)行澆水冷卻。

圖1 升溫曲線

1.3 加載試驗(yàn)

加溫后杉木枋進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和松木枋彎曲試驗(yàn)相同[21]，相關(guān)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自帶的IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫后碳化情況

隨著加溫溫度的升高，杉木枋表面的碳化程度越來越高；當(dāng)溫度大于350 ℃，木枋表面出現(xiàn)縱橫向裂縫，且隨著溫度升高，裂縫寬度越來越大；當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，杉木枋發(fā)生斷裂，具體見圖2。杉木枋在不同加溫溫度下的截面情況見圖3。

圖2 杉木枋高溫后的形態(tài)

圖3 杉木枋高溫后截面情況

加溫溫度為300 ℃時(shí)，木枋表面幾乎沒有變化，木枋截面保存完整，表面有局部輕微碳化，但不是很明顯，這是由于木材是在溫度達(dá)到200～300 ℃開始分解，300 ℃以上才會(huì)形成碳化區(qū)，在最高溫度為300 ℃的情況下，難以形成明顯的碳化層。

加溫溫度達(dá)到350 ℃時(shí)為杉木枋表面完全碳化階段，該階段表現(xiàn)為矩形棱角碳化和外表面出現(xiàn)縱向裂紋，但碳化層還沒有出現(xiàn)鱷魚皮式裂縫，木枋整體還是比較完整。

加熱溫度達(dá)到400 ℃以上為木枋的碳化層加深階段；這個(gè)階段木枋剩余截面從內(nèi)向外劃分為3層，分別為正常區(qū)域、高溫分解區(qū)和碳化區(qū)[21]。隨著溫度的升高，碳化區(qū)不斷增大，正常區(qū)域不斷縮小，木枋截面出現(xiàn)不同程度的彎曲變形，隨著表面縱橫向裂縫的發(fā)展，鱷魚皮式裂縫越來越明顯，局部發(fā)生破損斷裂。

加溫溫度達(dá)到500 ℃為杉木枋斷裂階段，見圖2，該階段杉木枋發(fā)生斷裂，只有端部有部分殘留，將其截開(見圖3)發(fā)現(xiàn)還保留少量木材材質(zhì)。

2.2 碳化速度計(jì)算

選取木枋的1/3跨度作為木枋參考截面，根據(jù)該截面進(jìn)行碳化速度計(jì)算，高溫后的截面見圖3，對(duì)杉木枋的碳化區(qū)、高溫分解區(qū)和正常區(qū)域進(jìn)行測量，通過相關(guān)公式，計(jì)算出杉木枋的碳化速度。

杉木枋碳化速度分別用Vb和Vh進(jìn)行表示，其中Vb表示木枋寬度方向上碳化速度，Vh表示木枋高度方向上碳化速度，其公式為[14]

Vb=(B-b)/2t

(1)

Vh=(H-h)/2t

(2)

式中，B、H分別杉木枋截面常溫情況下寬度和高度；b、h分別為木枋高溫后寬度和高度；t為杉木枋在高溫下的受火時(shí)間。

不同加溫溫度后杉木枋截面剩余的寬度和高度見表1，將相關(guān)結(jié)果代入式(1)和式(2)，可以得到杉木枋不同加溫溫度下的碳化速度，具體見表1，其中500 ℃時(shí)取截面全部碳化情況來進(jìn)行計(jì)算。

表1 杉木枋碳化速度

杉木枋碳化速度與溫度關(guān)系見圖4，杉木屬于軟木，根據(jù)歐美規(guī)范給出在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下軟木炭化速度值為0.65 mm/min[4-7]。從表1和圖4可以看出，杉木枋高度方向和寬度方向的碳化速度隨著溫度升高而增大；其寬度方向的碳化速度與加溫溫度近似為線性，碳化速度遠(yuǎn)小于歐美規(guī)范的推薦值；其高度方向的碳化速度要大于寬度方向的碳化速度，隨著加溫溫度升高，高度方向的碳化速度增加值明顯大于寬度方向增加值，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，其高度方向的碳化速度Vh達(dá)到1.125 mm/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐美規(guī)范的推薦值0.65 mm/min。

圖4 杉木枋碳化速度與溫度關(guān)系

2.3 加載試驗(yàn)和彎曲曲線

杉木枋的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖見圖5，木枋在試驗(yàn)過程中分為發(fā)出響聲、出現(xiàn)明顯裂紋和碳化層脫落、木枋破壞3個(gè)階段。在第一階段，木枋所受荷載較小，杉木枋在加載過程中不斷發(fā)出輕微響聲，表明木枋局部出現(xiàn)損壞；隨著荷載增大，木枋的整體變形不斷增大，木枋的裂紋不斷擴(kuò)展，在常溫情況表現(xiàn)為木枋下側(cè)出現(xiàn)幾條細(xì)小的縱向裂紋，而加溫后的木枋表現(xiàn)為下側(cè)外表面碳化層裂縫寬度不斷增加，并伴隨著加載過程中出現(xiàn)碳化層不斷脫落現(xiàn)象；當(dāng)加載荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，杉木枋承載能力會(huì)急速下降，在荷載位移曲線上表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯下降，這時(shí)常溫情況的木枋下部幾條細(xì)小裂紋相互貫通，形成較大縱向裂縫，杉木枋發(fā)生拉斷破壞，見圖6。

圖5 木枋三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意

圖6 常溫木枋破壞

三點(diǎn)彎曲情況下，杉木枋在不同溫度下的荷載位移曲線可劃分為彈性上升階段和破壞下降階段。彈性上升階段，木枋的荷載隨位移增大而增大；荷載達(dá)到最大值后，木枋承載力迅速下降，在荷載位移曲線上出現(xiàn)明顯的下降段，此時(shí)木枋出現(xiàn)局部破壞而失去承載能力，見圖7。從圖中可以看出，高溫后杉木枋剩余極限強(qiáng)度和抗彎剛度隨著加溫溫度的升高而不斷降低，當(dāng)加溫溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，杉木枋剩余強(qiáng)度下降非常明顯，只有常溫情況下的1/10。

圖7 杉木枋荷載位移曲線

2.4 剩余極限強(qiáng)度計(jì)算

歐洲EN 1991-1-2[4]采用剩余截面法來計(jì)算火災(zāi)后木結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度，該理論認(rèn)為高溫后木枋碳化層已經(jīng)退出作用，木枋的承載力完全由木枋的有效截面法來決定[21]。

根據(jù)木結(jié)構(gòu)規(guī)范，杉木枋在三點(diǎn)彎曲過程中，其承受著彎矩和剪力作用。

(1)在彎矩作用下，其公式為[20]

(3)

三點(diǎn)彎曲情況下，彎矩和外荷載的關(guān)系為M=Pl/4，將其代入式(3)中，可以得出在彎曲情況下的木枋所受極限荷載為

(4)

(2)在剪力作用下，其公式為[20]

(5)

三點(diǎn)彎曲情況下，截面剪力和外荷載的關(guān)系為V=P/2，將其代入式(5)中，可以得到在剪力作用的極限荷載為

(6)

式中，fv是杉木順紋的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)規(guī)范，fv取值為1.3 N/mm2。

(3)綜合以上兩種情況，三點(diǎn)彎曲情況下的木枋的極限荷載為兩者較小值。

P=min(Pm,Pv)

(7)

杉木枋高溫后的剩余極限荷載與溫度關(guān)系見圖8，可以看出，杉木枋剩余極限荷載隨溫度升高而降低，加溫溫度小于350 ℃時(shí)，木枋的剩余極限荷載隨加溫溫度增加降低較為平緩；加溫溫度超過350 ℃后，其剩余極限荷載急速下降，加溫溫度為400 ℃時(shí)，其剩余承載力只有常溫情況下的13.4%，當(dāng)加溫溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，其剩余承載能力進(jìn)一步降低，只有常溫情況下的5.9%，說明加溫溫度350 ℃為杉木枋的加溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖8可以看出，式(7)理論計(jì)算結(jié)果要小于木枋的試驗(yàn)值，常溫情況下兩者相差較大，而隨著加溫溫度的升高，兩者差距不斷縮小。

圖8 杉木枋剩余極限荷載與溫度關(guān)系

3 結(jié)論

通過對(duì)杉木枋在不同加溫溫度后的碳化速度和剩余承載力進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)杉木枋的碳化速度隨加溫溫度升高而增加，高度方向的碳化速度增長速度更快，高度方向的碳化速度要大于寬度方向的碳化速度。

(2)杉木枋的三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)中分為發(fā)出響聲、出現(xiàn)明顯裂紋和碳化層脫落、木枋破壞3個(gè)階段。

(3)高溫后杉木枋的荷載位移曲線分為兩個(gè)階段，分別為彈性上升階段和破壞下降階段。

(4)杉木枋剩余極限荷載隨加溫溫度升高而降低，加溫溫度350 ℃為加溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)加溫溫度超過350 ℃，其剩余極限荷載急速下降，在加溫溫度為400 ℃，其剩余承載力只有常溫情況下的13.4%，當(dāng)加溫溫度為450 ℃時(shí)，其剩余承載能力只有常溫情況下的5.9%左右。

(5)采用剩余截面法計(jì)算高溫后的杉木枋剩余極限強(qiáng)度，在常溫情況下兩者相差較大，而隨著加溫溫度的升高，兩者的差距不斷縮小。