四面受火木柱耐火性能試驗研究

甄映紅 王婷婷 邵建華 王展光，*

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

0 引 言

貴州黔東南州是傳統(tǒng)村落的集中區(qū)域，到目前為止共有409個村寨入選中國傳統(tǒng)村落，其傳統(tǒng)村落數(shù)量大、類型多樣，主要建筑為極具民族風(fēng)格的干欄式木結(jié)構(gòu)建筑，典型代表為吊腳樓、侗族鼓樓和風(fēng)雨橋?；馂?zāi)一直是黔東南傳統(tǒng)村落最大威脅，近幾年，每年都有村寨發(fā)生火災(zāi)，造成重大的人員和財產(chǎn)損失。

歐美木結(jié)構(gòu)發(fā)展較為成熟，對木結(jié)構(gòu)耐火性能研究較早，并在此基礎(chǔ)上形成了較為完整的木結(jié)構(gòu)規(guī)范和防火設(shè)計方法。Malhotra T等對木柱進行了耐火極限試驗，發(fā)現(xiàn)木柱截面形狀對耐火極限有很大影響［1］；Lie TT研究了木結(jié)構(gòu)耐火極限時刻，提出了綜合考慮安全儲備、材性劣化和持荷水平等因素的木梁、木柱耐火極限的簡化計算公式［2］；Young SA等考慮了受火過程中木柱截面減小引起的剛度減小、長細比增大等原因，分析了木柱的失穩(wěn)破壞的臨界點［3］；Janssens M對木材受火分解過程進行分析［4］；Ali F等進行了矩形截面長木柱耐火極限試驗，發(fā)現(xiàn)隨著長細比增大，木柱耐火極限顯著降低；隨著持荷比提高，耐火極限呈非線性降低［5］；Hugi E等對不同樹種進行了炭化速度試驗，發(fā)現(xiàn)木材炭化速度隨氧氣滲透率增加而加快［6］；Schnabl S等分析發(fā)現(xiàn)火災(zāi)下的木柱可能發(fā)生材料破壞或屈曲破壞兩種破壞模式，受火木柱的耐火極限與持荷水平和長細比有關(guān)［7］。

在我國，中國古代建筑以木結(jié)構(gòu)為主，學(xué)者對木結(jié)構(gòu)耐火性能進行了研究關(guān)注。李帥希對木梁、木柱進行了耐火極限試驗，發(fā)現(xiàn)隨著受火時間增加，木構(gòu)件承載力和剛度均顯著降低［8］；李向民等通過四面受火木柱耐火極限的對比試驗，發(fā)現(xiàn)四面受火木柱耐火極限隨持荷水平提高而明顯降低［9］；許清風(fēng)等經(jīng)過足量的木結(jié)構(gòu)燃燒試驗，總結(jié)歸納出木材燃燒的特點，微觀上解釋了木材的燃燒現(xiàn)象，分析了木柱剩余承載力、破壞形態(tài)和炭化速度等性能［10-12］；張晉等對花旗松木柱進行了受火試驗研究，發(fā)現(xiàn)木柱極限承載力、剛度隨著受火時間增加而減小［13］；張盛東等對落葉松進行了燃燒試驗順紋抗壓試驗［14-15］；陳玲珠等研究木柱截面尺寸、持荷水平、阻燃涂料等對中長柱耐火極限的影響規(guī)律［16-18］。

黔東南傳統(tǒng)民族木結(jié)構(gòu)一般采用本地生長的木材，主要為杉木和松木。本文采用項目組收集來的木柱和購買的木結(jié)構(gòu)防火涂料，進行耐火試驗研究，分析不同溫度下的木柱碳化速度和剩余承載力，研究木柱性能變化和防火涂料影響，通過該研究為黔東南木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計和災(zāi)后維修提供參考。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計和制作

本次共進行了9組30根木柱四面受火后力學(xué)性能的對比試驗，木柱采用兩種木材，分別是黔東南本地生長的杉木和馬尾松，杉木是實驗室存放四年的干材，松木從黔東南村寨使用了超過20年的舊木屋中拆除下來的木柱。在常溫情況下杉木的密度為364.1 kg/m3，含水率11.4%，馬尾松木的密度為644.3 kg/m3，含水率10.4%，其中杉木柱為方形截面，尺寸為130 mm×130 mm×300 mm；松木柱為圓形截面，尺寸為Φ160 mm×300 mm，每種柱子制作15個構(gòu)件，制作好的試件見圖1。

圖1 加工好的試件Fig.1 Processed specimen

本次試驗是為相同受火時間、不同受火溫度的試件進行加溫，加溫時間為60 min，其中升溫30 min，到達預(yù)定溫度后保存30 min。受火溫度采用的是6種最高溫度，分別是300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃，具體加溫過程見圖2。

圖2 升溫曲線Fig.2 Heating curves

1.2 試驗過程

本次試驗包括加溫試驗和加載試驗。加溫試驗在加溫試驗電爐中進行，采用智能曲線控溫按照升溫曲線進行加熱。將加工好的試件放入加溫電爐中進行四面加熱，加溫結(jié)束后立即取出試件進行澆水冷卻。

表1 試件尺寸Table 1 Specimen size mm

本次試驗采用兩種試件，一種是沒有進行防火處理的構(gòu)件，一種是四面進行防火處理的構(gòu)件。為了研究防火涂料對木柱防護性能影響，采用廈門眾知化工科技有限公司的降火神牌XHS-02-2飾面型防火涂料，該防火涂料為水性涂料，無毒無味，涂刷后無色透明，主要用于古建筑、木質(zhì)結(jié)構(gòu)和木質(zhì)材料的防火保護。在遇到明火燃燒，防火涂料能迅速膨脹形成隔火層，阻止火焰直接燃燒木質(zhì)材料。

防火涂料按照說明書的要求進行配制，采用刷涂的方式對木柱進行防護，對涂刷了防火涂料的木柱采用最高溫度800℃、700℃和600℃三種加溫溫度進行加溫，涂刷厚度采用涂刷3層和5層來進行比較。

木柱加載試驗在WDW-2000E型微機控制電子萬能試驗機上進行，試驗數(shù)據(jù)由IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集。試驗采用控制位移的連續(xù)均勻加載，加載速度為1 mm/min，直至整個構(gòu)件破壞或承載力下降到峰值荷載的85%。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗過程

本次試驗分為兩個階段，分別為受火試驗和加載試驗。

2.1.1 受火試驗

木材屬于固體可燃物質(zhì)，在火災(zāi)情況下，隨著溫度的升高，木材依次發(fā)生水分蒸發(fā)、木材分解和表面碳化等現(xiàn)象，最后構(gòu)件截面形成碳化層、高溫分解區(qū)和正常區(qū)域。

木柱在高溫后形態(tài)見圖3和圖4。從圖中可以看出，木柱隨著加溫溫度的升高，表面的碳化越來越嚴重，方形截面的棱角發(fā)生損壞，趨近于圓形截面；根據(jù)前期對木枋耐火性的研究，當加溫溫度超過350℃的時候，木柱表面碳化層縱橫向裂縫會加快發(fā)展形成鱷魚皮式的紋理。

圖3 杉木柱高溫后的形態(tài)Fig.3 Morphology of Chinese fir columns after high temperature

圖4 松木柱高溫后的形態(tài)Fig.4 Morphology of pine columns after high temperature

在加溫300℃后，木柱表面幾乎沒有變化。當加溫溫度為400℃時，木柱表面已經(jīng)完全碳化變黑，截面外表面出現(xiàn)碳化層，局部外層炭化層開始分解，其中杉木柱的分解程度要大于松木柱；表現(xiàn)為杉木柱截面棱角已經(jīng)完全碳化，杉木柱碳化層由于分解而形成的裂縫十分明顯，松木柱依然完整，碳化層沒有出現(xiàn)明顯的裂縫。當加溫溫度達到500℃以上時，外表面木材基本已經(jīng)熱解氣化完成，木柱表面充分碳化，外表層的碳化將內(nèi)部木材與火焰隔開，形成保護層，該階段對木材纖維素中炭的利用更為完全，在截面上表現(xiàn)為碳化層厚度增加，外表面由于加溫收縮，出現(xiàn)鱷魚皮式的裂縫紋理，木柱外表面局部會出現(xiàn)破損斷裂現(xiàn)象，從木柱截面圖看，杉木柱和松木柱都有不同程度的變形，同時杉木柱外表面在高溫作用下會出現(xiàn)泛白現(xiàn)象，證明杉木碳化更加充分。

XHS-02-2飾面型防火涂料在遇到明火燃燒，防火涂料能迅速膨脹形成隔火層，見圖5。從圖中可以看出，隨著加溫溫度升高，防火涂料發(fā)泡越充分，發(fā)泡形成的保護層能對木柱起到很好的保護作用。以杉木柱為例，在加溫為600℃時，在沒有防火涂料的情況下，其截面尺寸由130 mm縮小到80 mm，而涂刷了三層防火涂料的情況下，其火災(zāi)后的截面尺寸為105 mm。

圖5 防火涂料受熱后形態(tài)Fig.5 Morphology of pine columns after high temperature

2.1.2 加載試驗

本次試驗采用都是短柱，試件破壞為典型的軸心受壓破壞，并伴隨局部的壓縮變形。

在加載早期，木柱發(fā)生局部壓縮變形，并伴隨著發(fā)出輕微響聲，表明木柱內(nèi)部發(fā)生局部破壞；隨著荷載不斷增大，木柱的變形不斷增大，受壓木柱外邊面的縱向裂紋不斷增大，并伴隨在加載過程中碳化層不斷脫落；當荷載達到極限荷載時，木柱的受壓裂縫不斷發(fā)展，形成貫通性裂縫，木柱的壓縮變形十分明顯，木柱試件發(fā)生破壞，承載力出現(xiàn)下降，具體破壞形態(tài)見圖6。

圖6 木柱受壓后破壞形態(tài)Fig.6 Compression failure diagram of timber columns

2.2 主要試驗結(jié)果

2.2.1 荷載位移曲線

杉木柱和松木柱壓縮荷載位移曲線，見圖7。從圖中可以看出，兩種類型短柱在軸向壓縮情況下，壓縮曲線類似，木柱荷載位移曲線在開始為彈塑性屈服階段，屈服點隨著荷載增大而上升，當荷載達到極限荷載后，曲線出現(xiàn)下降段而發(fā)生破壞，但松木柱出現(xiàn)較為明顯的塑性平臺階段，而杉木柱的塑性平臺階段不明顯，曲線達到峰值后迅速下降。兩種木柱的屈服強度和抗彎剛度都隨著加溫溫度的升高而降低，松木柱的剩余強度要高于杉木樁，且最終的壓縮變形量也明顯大于杉木柱。

圖7 木柱壓縮荷載位移曲線Fig.7 Compression load displacement curve of wood columns

2.2.2 剩余承載力變化分析

為了對兩種截面形式的木柱進行比較，取單位面積剩余極限承載力進行比較，即分別取試驗的剩余極限承載力除以火災(zāi)后木柱構(gòu)件剩余截面面積N/A，單位面積剩余極限承載力與溫度的關(guān)系見圖8，從圖中可以看出，木柱的單位面積剩余極限荷載隨溫度升高而降低，松木柱的單位面積剩余極限承載力要高于杉木柱。

圖8 木柱剩余極限荷載與溫度關(guān)系Fig.8 The relationship between the residual ultimate load and temperature of wood columns

為了比較防火涂料對木柱性能的影響，其中杉木柱采用三種試件，分別是加溫溫度600℃時涂刷三層涂料、加溫溫度700℃時涂刷三層和五層涂料；松木柱也采用三種試件，分別是加溫溫度600℃時涂刷三層涂料、加溫溫度700℃時涂刷三層和加溫溫度800℃涂刷五層涂料，相關(guān)結(jié)果見表2，從表中可以看出，防火涂料對兩種材料木柱起到防護作用，提高其火災(zāi)后的剩余承載力，且溫度越高提高越明顯，涂刷層數(shù)越多提高越明顯。

表2 試件殘余強度Table 2 Residual strength of specimens

2.2.3 碳化速度對比分析

將加溫后的松木柱的碳化層敲掉，測量其剩余截面，通過截面尺寸變化來計算木柱的碳化速度；木柱的碳化速度為V，其公式如下：

式中：D為常溫情況下圓柱直徑；d為高溫后圓柱直徑；A為方柱邊長；a為高溫方柱邊長；t為碳化時間。

龍衛(wèi)國在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》認為木材在加溫溫度較低時主要發(fā)生水分蒸發(fā)和吸熱，在270℃才開始碳化，因此取溫度到達270℃以上時間來作為碳化時間，而不是整加溫過程時間［19］。

木柱截面碳化速度與溫度關(guān)系見圖9，從圖中可以看出，木柱截面的碳化速度隨加溫溫度的升高而增加，且杉木柱的碳化速度要高于松木柱。

圖9 木柱碳化速度與溫度關(guān)系Fig.9 Relationship between the charring rate of wood columns and temperature

3 結(jié)語

通過對杉木柱和松木柱進行高溫后的碳化速度和軸向壓縮試驗，可以發(fā)現(xiàn)，木柱碳化速度隨著溫度的增加而增加，木柱剩余極限荷載隨溫度升高而降低；木材防火涂料能改善松木柱的耐火性性能，降低其碳化速度和提高剩余承載力。