兩邊簡支的預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體抗火性能試驗(yàn)研究*

李志杰

(1 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院， 烏魯木齊 830047； 2 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200092；3 新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830047)

0 前言

同濟(jì)大學(xué)與上海城建集團(tuán)合作開發(fā)了一種適用于工業(yè)化生產(chǎn)的新型預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體，并研發(fā)了適用于該墻體的一種新型玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)連接件[1-2]。預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體是由內(nèi)、外葉鋼筋混凝土墻,保溫層及FRP連接件組成，可作為建筑外掛墻體；其內(nèi)、外葉墻體之間通過FRP連接件連接，F(xiàn)RP連接件的主要作用是使內(nèi)、外葉墻協(xié)同受力，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，可減小“熱橋”效應(yīng)，有效降低建筑能耗。

相對于外墻外保溫體系的抗火性能而言，預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體的保溫層和FRP連接件置于內(nèi)、外葉墻體之間，可避免火災(zāi)下混凝土墻板的高溫和火焰對保溫層和FRP連接件的直接作用。此外，由于夾心保溫層使用不燃性的無機(jī)保溫砂漿作為保溫隔熱材料，該材料是以無機(jī)類的輕質(zhì)保溫顆粒作為輕骨料，加膠凝材料、抗裂添加劑及其他填充料等組成的干粉砂漿，因此預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體具有較好的抗火性能。

國內(nèi)外對FRP材料在高溫環(huán)境下的受力性能等進(jìn)行研究，已有研究[3-8]表明：FRP的組成材料乙烯基樹脂在90～110℃溫度范圍內(nèi)發(fā)生玻璃化，300～350℃溫度范圍內(nèi)發(fā)生碳化分解。此外，F(xiàn)RP與混凝土的粘結(jié)性能隨溫度的升高也發(fā)生退化，對預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體的受力性能和內(nèi)、外葉墻體的協(xié)同工作影響較大。因此，有必要開展預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體的抗火性能和FRP連接件的高溫拉拔性能試驗(yàn)研究。

本文重點(diǎn)對預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體在火災(zāi)下的破壞形態(tài)、溫度場分布、耐火隔熱性、耐火完整性以及撓度變形等性能進(jìn)行研究，為預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體的抗火安全性評價(jià)和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件為2 800×3 200×190的足尺墻體，內(nèi)、外葉墻厚均為60mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35，內(nèi)、外葉墻體配置單層雙向鋼筋，鋼筋采用10@150。夾心保溫層為70mm厚無機(jī)保溫砂漿，為A級不燃材料。內(nèi)、外葉墻體采用FRP連接件連接(圖1)，F(xiàn)RP連接件的間距為500×500。

圖1 FRP連接件大樣圖

FRP連接件在混凝土中的錨固長度為35mm，F(xiàn)RP連接件和鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度均為25mm，試件具體構(gòu)造見圖2。

圖2 預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體示意

1.2 火災(zāi)試驗(yàn)方法

預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體抗火試驗(yàn)方法參照《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]的有關(guān)規(guī)定。

1.2.1 火災(zāi)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置為水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火試驗(yàn)爐，爐膛凈尺寸為4.5m×3.0m×1.7m(長×寬×深)，見圖3。

圖3 水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火試驗(yàn)爐

1.2.2 火災(zāi)升溫曲線

試驗(yàn)按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線受火60min?；馂?zāi)升溫曲線公式如下：

T=345lg(8t+1)+T0(t≤th)

式中：t為試驗(yàn)受火時(shí)間，min；T為t時(shí)刻的溫度；T0為爐內(nèi)初始環(huán)境溫度；th為持續(xù)升溫時(shí)間。

1.3 火災(zāi)試驗(yàn)布置

試件為單面受火，采用兩邊簡支方案，試件跨度2 800mm，凈跨為2 600mm，承受自重荷載作用。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

火災(zāi)后試驗(yàn)現(xiàn)象見圖4：試件四邊翹起，中部凹陷，呈現(xiàn)明顯的“盆”狀；下葉墻(外葉墻)底部(迎火面)混凝土明顯酥松，孔隙增多，局部表層混凝土有輕微剝落，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫；上葉墻(內(nèi)葉墻)混凝土無變化；保溫層中FRP連接件由受火前的淡綠色變?yōu)辄S褐色。

圖4 試件受火后形態(tài)

2.2 受火溫度響應(yīng)

2.2.1 爐內(nèi)升溫曲線

試驗(yàn)過程中，爐溫較為均勻，試驗(yàn)爐內(nèi)初始溫度為10.2℃，如圖5所示，試驗(yàn)爐內(nèi)實(shí)際升溫曲線與ISO 834國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線基本吻合。

圖5 爐內(nèi)升溫曲線

2.2.2 溫度響應(yīng)

試件的截面溫度沿高度變化曲線見圖6。在試驗(yàn)過程中，沿試件截面高度方向，溫度呈非線性分布，越靠近迎火面，溫度梯度越大。上葉墻在100℃附近有溫度平臺，主要是由于混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)所致。上葉墻實(shí)測最高溫度84.9℃，說明保溫層具有較好的阻隔熱傳遞的作用。

圖6 截面溫度沿高度變化曲線

2.2.3 背火面溫度

試件受火60min時(shí)背火面(上葉墻的上表面)實(shí)測最高溫度為22.2℃，平均溫升10.2℃，見圖7。試件背火面最高溫升未超過初始溫度(初始溫度為試驗(yàn)開始時(shí)背火面的初始平均溫度)180℃，平均溫升也均未超過初始平均溫度140℃，滿足《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]的耐火隔熱性要求。

圖7 背火面平均溫度曲線

2.2.4 鋼筋溫度

下葉墻內(nèi)鋼筋溫度隨受火時(shí)間的增加，接近線性上升。下葉墻內(nèi)鋼筋最高溫度444.1℃，上葉墻內(nèi)鋼筋最高溫度99.2℃，見圖8。

圖8 試件的鋼筋溫度

2.2.5 FRP連接件溫度

由實(shí)測FRP連接件溫度可知，在受火約15min時(shí)，下葉墻內(nèi)FRP連接件達(dá)到玻璃化溫度(Tg=95℃)。在受火42min時(shí)，F(xiàn)RP連接件達(dá)到碳化溫度(Td=300℃)。上葉墻內(nèi)FRP連接件的最高溫度為58.4℃，未達(dá)到玻璃化溫度，見圖9。

圖9 不同受火時(shí)間下FRP連接件溫度分布

3 結(jié)論

(1)預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體溫度場與受火時(shí)間成非線性分布。

(2)預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體受火60min時(shí)，背火面實(shí)測最高溫度為22.2℃，平均溫升10.2℃，上葉墻基本不受火災(zāi)影響，保溫層具有較好的阻隔熱傳遞的作用。

(3)下葉墻內(nèi)鋼筋最高溫度444.1℃，上葉墻內(nèi)鋼筋最高溫度99.2℃。

(4)預(yù)制混凝土無機(jī)保溫夾心墻體滿足《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]承載力、隔熱性和完整性的要求，達(dá)到《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018年版)[10]規(guī)定的耐火極限60min要求，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

致謝：感謝同濟(jì)大學(xué)薛偉辰教授的精心指導(dǎo)，感謝上海城建物資有限公司朱永明在試件制備給與的幫助。