杉木短柱高溫烘烤后殘余承載力研究*

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

黔東南州現(xiàn)有建寨史100年以上、傳統(tǒng)習(xí)俗保存完整的民族村寨726個(gè)，在黔東南民族村寨中大部分建筑都是木結(jié)構(gòu)，火災(zāi)是民族村寨最大威脅，從2004年到2017年間，全州共發(fā)生火災(zāi)716起，死亡89人，燒毀房屋面積52萬，造成了極大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。許多民族村寨在火災(zāi)中全部燒毀，化為灰燼。因此對(duì)黔東南民族木結(jié)構(gòu)耐火性研究就顯得極為迫切。

黔東南木結(jié)構(gòu)為穿斗式結(jié)構(gòu)，采用的材料都是本地生長的實(shí)木，木柱是其豎向承重構(gòu)件，其耐火性能直接影響木結(jié)構(gòu)耐火性能，是木結(jié)構(gòu)火災(zāi)后評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

國外對(duì)木結(jié)構(gòu)耐火性能研究較早也較為完善，相關(guān)研究基于歐美本地木材的構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，討論了受火條件、長細(xì)比、荷載比等因素對(duì)木柱火災(zāi)后的強(qiáng)度、剛度和屈服性能的影響，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，提出了木柱的耐火計(jì)算方法，相關(guān)理論都應(yīng)用到歐美木結(jié)構(gòu)的規(guī)范中[1-9]。我國現(xiàn)在木結(jié)構(gòu)相對(duì)較少，對(duì)木結(jié)構(gòu)耐火性研究缺乏系統(tǒng)性，在GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中僅對(duì)各類木構(gòu)件的耐火時(shí)間進(jìn)行了規(guī)定[10-11]。隨著這幾年對(duì)綠色建筑的研究關(guān)注，木結(jié)構(gòu)耐火性能也逐步在加強(qiáng)。相關(guān)研究在參照國外木結(jié)構(gòu)耐火性能研究的基礎(chǔ)上，對(duì)花旗松柱和膠合柱的耐火性能進(jìn)行了研究，考慮防火抹面、阻燃涂料、荷載水平等參數(shù)對(duì)木柱極限承載力、延性、破壞形態(tài)和炭化速度的影響[12-19]。

基于西南地區(qū)的杉木構(gòu)件的耐火性能研究還相對(duì)缺乏，筆者采用黔東南地區(qū)民居常用的本地杉木和在市場(chǎng)上購買的木結(jié)構(gòu)防火涂料，進(jìn)行杉木短柱耐火試驗(yàn)，分析不同受火溫度下的炭化速度和殘余承載力，及防火涂料對(duì)木柱的保護(hù)作用，為黔東南地區(qū)木結(jié)構(gòu)民居防火設(shè)計(jì)和災(zāi)后維修提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)和制作

木柱：采用黔東南本地杉木，其在常溫下的氣干密度為364.1kg/m3,含水率11.4%，木柱的截面尺寸為方形，制作好的試件見圖1，具體尺寸見表1。

圖1 加工好的試件

表1 杉木短柱試件尺寸

防火涂料：福建漳平眾知防火科技有限公司生產(chǎn)的XHS-02干粉型透明木材防火漆。

為了比較防火涂料厚度對(duì)木結(jié)構(gòu)耐火性能的影響，木柱外層涂料分為涂刷3層和涂刷5層，每層之間間隔20 min，等表面干燥不粘時(shí)再涂刷下一層。

1.2 試驗(yàn)裝置

上海意豐電爐有限公司的YFBJ1504-07型加溫試驗(yàn)電爐，該電爐采用電阻絲發(fā)熱，依靠AI-518P(V7.2)30段程序智能調(diào)節(jié)溫度；濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW-2000E)。

1.3 試驗(yàn)過程

(1)加溫試驗(yàn)。加溫試驗(yàn)采用定制的加溫試驗(yàn)電爐，該電爐通過按照規(guī)定的升溫曲線智能控制爐膛的溫度，使構(gòu)件在制定的溫度下均勻受熱。由于在火災(zāi)過程中，構(gòu)件溫度是逐步上升，為了考慮火災(zāi)不同階段杉木短柱性能的變化，并根據(jù)前期對(duì)于杉木梁耐火性能的試驗(yàn)結(jié)果，分別采用最高溫度700、600、500、400、300 ℃ 5種溫度來進(jìn)行比較，加溫時(shí)間為60 min，其中均勻升溫時(shí)間30 min，到達(dá)指定溫度后保持該溫度30 min。

將杉木短柱試件放入實(shí)驗(yàn)爐中，按照實(shí)驗(yàn)升溫曲線模擬火災(zāi)情況進(jìn)行加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出試件澆水冷卻，加溫后的試件見圖2。

圖2 高溫烘烤后試件

由于杉木短柱在高溫情況下炭化更加明顯，為了充分考察防火漆性能，分別采用最高溫度700 ℃和600 ℃來觀察防火漆對(duì)木柱的保護(hù)效應(yīng)。

(2)加載試驗(yàn)。采用控制位移的方法對(duì)不同高溫烘烤后的木柱試件加壓，加載速度為1 mm/ min，直至整個(gè)構(gòu)件破壞或承載力下降到峰值荷載的85%。荷載-位移曲線由IMP采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫烘烤后杉木短柱形態(tài)和炭化速度分析

杉木短柱在高溫烘烤下，可以分為4個(gè)階段:

(1)室溫至150 ℃為初步吸熱階段，該階段木柱外層木材主要揮發(fā)水分和CO2，木材的化學(xué)成分沒有變化。

(2)加熱溫度為150～270 ℃階段為吸熱階段，木柱外表面木材熱分解速度加快，受熱生成CO2等不可燃燒氣體。

(3)溫度為270～500 ℃為放熱反應(yīng)過程，表現(xiàn)為木柱外表面木材急劇分解，產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w產(chǎn)物和油性液體，木柱表面木材發(fā)生燃燒，在燃燒作用下使表面木材開始發(fā)生炭化。

(4)溫度超過500 ℃為充分炭化階段，木柱外表面基本熱解氣化完成，分解出來的易揮發(fā)和易燃燒氣體充分燃燒，在木柱外表面形成完全炭化層，將內(nèi)部木材與火焰隔開，形成保護(hù)層。

杉木短柱在高溫后的形態(tài)見圖3。從圖中可以看出，當(dāng)最高烘烤溫度為300 ℃時(shí)，杉木短柱表面出現(xiàn)輕微的炭化層，但木柱依然完整，炭化層沒有出現(xiàn)裂縫；達(dá)到400 ℃時(shí)，木柱棱角已經(jīng)被炭化，表面由于收縮和熱應(yīng)力效應(yīng)在表面形成縱橫向裂縫；到500 ℃以上時(shí)，木柱表面縱橫向裂縫寬度加大，形成鱷魚皮似的裂縫分布，且表層炭化層有泛白的現(xiàn)象，說明炭化完全，局部出現(xiàn)破損斷裂現(xiàn)象。

圖3 杉木短柱高溫烘烤后的形態(tài)

火災(zāi)后杉木短柱從外到內(nèi)分炭化層、高溫分解區(qū)和正常區(qū)域，其中炭化層完全喪失承載能力，在受力分析中不考慮；高溫分解層承載能力明顯降低，在澳洲規(guī)范[7]中為了考慮高溫分解層對(duì)力學(xué)性能影響，建議在炭化層上增加7.5 mm作為分解區(qū)的厚度,國內(nèi)的研究建議，對(duì)于木柱分解區(qū)厚度可按7 mm計(jì)[18]；除此以外的區(qū)域?yàn)檎^(qū)域，承載能力不變。

將加溫后的杉木短柱的炭化層剝離，測(cè)量其剩余截面尺寸，具體數(shù)據(jù)見表1。

杉木短柱在截面寬度和高度上的炭化速度分別為Vb和Vh，其截面平均炭化速度為V，其公式如下[18]：

V=(Vb+Vh)/2

(1)

Vb=(B-b)/2t，Vh=(H-h)/2t

(2)

式中，B、H為烘烤前木柱截面的寬度和高度，b、h為烘烤后木柱截面寬度和高度，t為炭化時(shí)間(不同文獻(xiàn)炭化時(shí)間取法不同，從288～300 ℃[20-21]，筆者認(rèn)為木材在270 ℃已開始炭化，故以達(dá)270 ℃的時(shí)間來計(jì)算炭化速度)。

圖4為杉木短柱的截面炭化速度與烘烤溫度關(guān)系，從圖中可以看出，杉木短柱截面的碳化速度隨烘烤溫度的升高而增加，但增長速度逐漸趨向平緩。

圖4 杉木短柱炭化速度與烘烤溫度關(guān)系

2.2 殘余承載力

杉木短柱在加載早期發(fā)出輕微響聲；隨著荷載增大，木柱外邊面的縱向裂紋不斷增大，并伴隨在加載過程中炭化層不斷脫落；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，壓縮曲線出現(xiàn)明顯下降，試件破壞。

杉木短柱在不同烘烤溫度下壓縮荷載位移曲線見圖5。從圖中可以看出，在壓縮作用下，杉木短柱荷載位移曲線分為彈塑性屈服階段和破壞階段，在破壞前木柱沒有明顯的屈服點(diǎn)，其屈服強(qiáng)度和抗彎剛度隨著烘烤的最高溫度的升高而降低，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，曲線出現(xiàn)明顯的下降段而發(fā)生破壞。

圖5 杉木短柱壓縮荷載位移曲線

歐美等國家規(guī)范[5-9]對(duì)受火后木結(jié)構(gòu)給出了一種簡化計(jì)算方法，即通過計(jì)算有效截面法，來評(píng)估木結(jié)構(gòu)承載力隨溫度退化，有效截面內(nèi)木材強(qiáng)度取常溫時(shí)木材強(qiáng)度，有效面積應(yīng)考慮高溫分解層的影響。

短木柱在軸心受壓情況下，承載能力N取軸心受壓Nn和受壓屈曲Nφ較小值，按下面公式計(jì)算[11]。

Nn≤fcA

(3)

Nφ≤φfcA

(4)

N=min(Nn,Nφ)

(5)

其中An為木柱有效截面面積，為了考慮高溫分解層對(duì)木柱殘余強(qiáng)度的影響，在表1長寬的基礎(chǔ)上每面減去7 mm；fc是杉木順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按規(guī)范相關(guān)原則進(jìn)行計(jì)算。

黔東南杉木順紋抗壓強(qiáng)度fc為35.3 N/mm2[22]。杉木短柱高溫后的殘余承載力與烘烤溫度的關(guān)系見圖6。從圖中可以看出，杉木柱殘余承載力隨烘烤溫度升高而降低。式(5)計(jì)算的結(jié)果高于實(shí)測(cè)值，但兩者變化趨勢(shì)類似。

圖6 杉木短柱殘余承載力與烘烤溫度關(guān)系

2.3 防火漆對(duì)杉木短柱性能影響

(1)炭化速度。通過計(jì)算，在烘烤溫度為600 ℃時(shí)，沒有涂刷防火漆的杉木短柱炭化速度為0.51 mm/ min，涂刷3層防火漆，木柱炭化速度降為0.269 mm/ min；在烘烤溫度為700 ℃時(shí)，沒有防火漆的對(duì)照木柱炭化速度為0.54 mm/ min，涂刷3層防火漆后，炭化速度為0.377 mm/ min，涂刷5層后炭化速度為0.258 mm/ min?？梢钥闯觯阑鹌崮茌^好的抑制杉木短柱的炭化。

(2)殘余承載力。涂刷了3層防火漆和沒涂刷防火漆的木柱，在不同受火溫度下的殘余承載力見圖7，從圖中可以看出，防火漆對(duì)杉木短柱火災(zāi)后的剩余承載力有提高。

(3)防火漆層數(shù)。不同層數(shù)防火漆對(duì)杉木短柱殘余承載力的影響見圖8，在高溫情況下，防火漆可以明顯提高杉木短柱殘余承載力，且層數(shù)越多對(duì)杉木柱的防火保護(hù)越好，殘余承載力越高。

圖7 3層防火漆與無防火漆的殘余承載力比較

圖8 防火漆層數(shù)對(duì)殘余承載力的影響

3 結(jié)論

(1)在高溫烘烤下，杉木短柱的炭化速度隨受火溫度升高而增加。

(2)高溫烘烤后杉木短柱屈服強(qiáng)度和抗彎剛度隨著加溫溫度的升高而降低，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，曲線出現(xiàn)明顯的下降段而發(fā)生破壞。

(3)杉木短柱殘余承載力隨烘烤溫度升高而降低，采用剩余截面法計(jì)算高溫烘烤后的殘余承載力，兩者基本吻合。

(4)木材防火漆能改善杉木短柱的耐火性能，降低其炭化速度和提高殘余承載力。