裝配式一體化內(nèi)龍骨夾芯圍護(hù)墻板抗火性能研究*

盛學(xué)慶，徐慶鋒，潘勝軍，徐平凡，曾 聰

（1 杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000；2 東北電力大學(xué)，吉林省 吉林市 132000）

近年來隨著裝配式建筑的不斷普及，裝配式建筑的重點(diǎn)研究領(lǐng)域已經(jīng)向著節(jié)約材料、綠色環(huán)保、施工便捷等方向發(fā)展[1-2]。為提倡裝配式建筑一體化施工思想，實(shí)現(xiàn)整體預(yù)制、現(xiàn)場安裝的施工方案，將圍護(hù)墻板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可在廠家整體預(yù)制，現(xiàn)場直接安裝，最大限度提高建設(shè)效率，減少墻板安裝現(xiàn)場濕作業(yè)?，F(xiàn)階段針對圍護(hù)墻板的安裝工藝普遍是在施工現(xiàn)場安裝輕鋼龍骨框架，將外掛墻板與輕鋼龍骨框架進(jìn)行連接，形成圍護(hù)體系[3-4]。因安裝輕鋼龍骨框架需大量現(xiàn)場作業(yè)，為縮短工期，減少安裝輕鋼龍骨的步驟，本文設(shè)計(jì)了一種將輕鋼龍骨內(nèi)置于ALC（蒸壓加氣混凝土板材），將輕鋼龍骨框架與外墻板結(jié)合為一體化墻板，實(shí)現(xiàn)板材整體預(yù)制出場，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化[5]，現(xiàn)場無需安裝輕鋼龍骨可直接安裝的目標(biāo)。

蒸壓加氣混凝土是一種輕質(zhì)、節(jié)能的墻體材料，結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)，具有保溫、抗震、耐火等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色新型墻板材料之一[6-9]。對于復(fù)合夾芯墻板方面，研究較成熟的外墻板有混凝土夾芯保溫板、鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板、陶?；炷翉?fù)合外墻板、鋼筋混凝土絕熱材料復(fù)合外墻板等[10-13]。而對于墻板耐火性能的研究，大多通過抗火試驗(yàn)、有限元模擬、理論計(jì)算等方式進(jìn)行研究[14-16]。

荊鵬飛[17]通過制作不同容重的蒸壓加氣混凝土砌塊，研究氣孔對ALC砌塊造成的影響，在不對密度以及配合比造成影響的前提下，通過穩(wěn)泡劑以及發(fā)泡劑材料對砌塊孔徑進(jìn)行調(diào)整?；诿商乜宸?，使用Ansys有限元模擬對不用密度的砌塊進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果顯示蒸壓加氣混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率呈反比，與氣孔孔徑成正比。

陳鳴[18]研究了一種輕鋼龍骨混凝土組合墻板的耐火性能，通過改變保溫層巖棉厚度、輕鋼龍骨間距以及保溫材料來檢驗(yàn)對外掛墻板的耐火性能影響，對墻板試件進(jìn)行防護(hù)熱箱法測定平均傳熱系數(shù)，得到80mm、100mm厚度的巖棉板符合保溫要求。對墻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行足尺耐火試驗(yàn)，通過Abaqus有限元模擬對比不同保溫厚度下墻板性能，得出將泡沫混凝土替代巖棉作為新型填塞保溫材料會(huì)使墻板整體耐火性能提高。

為此，本文針對所設(shè)計(jì)的圍護(hù)墻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行同比例抗火試驗(yàn)，并針對不同的板內(nèi)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行有限元模擬分析，對比不同板厚以及保溫層厚度對墻板的耐火性能影響。

1 一體化夾芯內(nèi)龍骨墻板構(gòu)造

本文設(shè)計(jì)的夾心內(nèi)龍骨墻板（圖1）采用ALC板材（蒸壓加氣混凝土板）作為外板，內(nèi)置5根U 50輕鋼龍骨組成的內(nèi)龍骨框架作為內(nèi)外板連接，板間其余位置填充巖棉作為保溫層，形成輕鋼龍骨-巖棉組合保溫層夾芯墻板。輕鋼龍骨與內(nèi)外ALC板材通過使用7cm自攻螺釘連接，橫豎輕鋼龍骨之間使用3cm自攻螺釘連接。

圖1 內(nèi)龍骨夾芯一體化墻板構(gòu)造圖Fig.1 Structural drawing of inner keel sandwich wallboard

一體化圍護(hù)墻板實(shí)際安裝過程可從上而下吊裝，墻板尺寸可根據(jù)建筑主體結(jié)構(gòu)尺寸模數(shù)設(shè)計(jì)，沿高度進(jìn)行吊裝，施工快捷簡單。

2 一體化墻板抗火試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)制度

試驗(yàn)設(shè)備采用遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院的結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)爐。試驗(yàn)裝置如圖2所示。采用國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO 834進(jìn)行火災(zāi)模擬，測量墻板及梁柱的溫度。試驗(yàn)采用單面受火、背火面置于室溫的形式，不加載。ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線如圖3所示。

圖2 耐火試驗(yàn)爐Fig.2 Refractory test furnace

圖3 ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線 Fig.3 ISO 834 Standard heating curve

2.2 試驗(yàn)墻板及測點(diǎn)布置

試件尺寸為雙面1900mm×600mm×50mm ALC板材所組成的夾芯墻板，U50輕鋼隔墻龍骨尺寸為50 mm× 40mm×0.6mm，巖棉板選用的是密度為120 kg/m3的巖棉保溫板。組合墻板總厚度為150mm，重量約85kg。石膏板所組成的夾芯墻板構(gòu)造為雙面4×12（mm）紙面石膏板，內(nèi)置75mm厚巖棉保溫層，組合墻板總厚度為171mm。同種板材水平布置兩塊A1、A2，用于同種板材之間的性能對比。熱電偶溫度測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)墻板溫度測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Layout of temperature measuring points for test wall panels

2.3 墻板耐火試驗(yàn)結(jié)果

圖5 為雙面50mm厚ALC內(nèi)龍骨夾芯墻板各測點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線圖，墻板結(jié)構(gòu)經(jīng)單面受火1h后，其中橫坐標(biāo)為加熱時(shí)間t，縱坐標(biāo)為溫度T。T-t曲線反映了構(gòu)件各測點(diǎn)溫度隨加熱時(shí)間變化的規(guī)律。由圖5可知，墻板背火面溫度呈緩慢上升趨勢，單點(diǎn)最大溫度為R7測點(diǎn)處45.6℃，受火1h時(shí)背火面各測點(diǎn)平均溫度均不超過180℃，滿足規(guī)范要求。

圖5 試驗(yàn)墻板各測點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線Fig.5 Temperature-time curve of each measuring point of ALC wallboard

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中，雙面50mm厚ALC夾芯墻板受火12min時(shí)結(jié)構(gòu)頂端出現(xiàn)白煙，右側(cè)燒結(jié)磚與框架連接部分同時(shí)出現(xiàn)少量白煙，部分燒結(jié)磚之間出現(xiàn)白煙。受火29min時(shí)，試驗(yàn)墻板之間保溫砂漿由淺灰色漸變成乳白色，且產(chǎn)生少量垂直裂縫，靠近爐膛中間部分保溫砂漿破裂。試驗(yàn)墻板之間保溫砂漿沿縱向開裂。A1、A2試驗(yàn)墻板背火面均未出現(xiàn)破壞性裂縫以及顏色的變化。試驗(yàn)墻板背火面能保持其原有隔熱性能，未發(fā)生穿透性破壞。

雙面4×12(mm)紙面石膏夾芯墻板受火8min時(shí)結(jié)構(gòu)頂端出現(xiàn)少量白煙。受火10min時(shí)結(jié)構(gòu)左側(cè)燒結(jié)磚與鋼框架連接處出現(xiàn)少量白煙。受火29min時(shí)出現(xiàn)少量刺激性氣味。受火40min時(shí)，試驗(yàn)墻板之間的保溫砂漿由淺灰色漸變?yōu)榘谆疑耶a(chǎn)生大量垂直裂縫。左側(cè)試驗(yàn)墻板背火面未產(chǎn)生形變以及顏色的變化，試驗(yàn)墻板背火面保持其原有隔熱性能，未發(fā)生穿透性破壞。

2.5 墻板耐火試驗(yàn)結(jié)果分析

將試件受火面ALC墻板拆除后，耐火試驗(yàn)后試件背火面及其部件情況如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)后墻板受火面各部分現(xiàn)象Fig.6 Surface phenomenon of wall panels after test

觀察夾芯墻板內(nèi)部龍骨框架和巖棉均未產(chǎn)生明顯變化，輕鋼龍骨框架未發(fā)生屈曲，墻板內(nèi)巖棉板未產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，輕鋼龍骨與ALC墻板連接的自攻螺釘未發(fā)生變形。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，ALC夾芯墻板構(gòu)件受火面呈現(xiàn)極好的完整性，高溫下，試件受火面無任何破損，顏色未變化、裂縫未產(chǎn)生。溫度較高處為靠近爐膛中上側(cè)測點(diǎn)，其原因?yàn)樵擖c(diǎn)靠近試驗(yàn)爐兩側(cè)噴火口外焰出處，相較于其他位置溫度更高，上升趨勢更快。但由于ALC板材導(dǎo)熱系數(shù)非常低，不會(huì)引起整體試件的平均溫度快速上升。

4×12(mm)紙面石膏夾芯墻板受火經(jīng)1h受火后，試件受火面的紙面石膏板同樣被完全燒壞，石膏板完全脫落，石膏失去保護(hù)能力。試件中心處板內(nèi)輕鋼龍骨以及巖棉被完全破壞，輕鋼龍骨由亮銀色變成黑色并發(fā)生屈曲。巖棉板失去保溫能力，發(fā)生部分碳化以及硬化現(xiàn)象。輕鋼龍骨與石膏板連接的自攻螺釘發(fā)生變形，失去其連接能力。石膏板產(chǎn)生破壞性裂紋，摩擦即碎，失去支撐能力發(fā)生整體脫落。受火后試件示意圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)后試件各部分現(xiàn)象Fig.7 Phenomenon of each part of the specimen after the test

3 有限元模擬概況

3.1 有限元模型建立

建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，構(gòu)件均承受單面受火情況，熱量傳遞的方式分為熱傳遞、熱對流以及熱輻射，在實(shí)際火災(zāi)下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料溫度變化隨著受火時(shí)間而不斷變化，傳熱過程屬于瞬態(tài)傳熱過程[19]。基于Abaqus有限元軟件，建立圍護(hù)墻板三維實(shí)體模型，取同比例1900mm×600mm×50mm板材進(jìn)行溫度分析。

熱分析模擬中，對于材料高溫下的熱工參數(shù)主要包括：密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容。高溫對于導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容的影響較大，而對于密度的影響可忽略不計(jì)，故熱分析中對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其部件密度取定值。

鋼筋的熱工系數(shù)參照規(guī)范建議進(jìn)行取值，密度取7850kg/m3。ALC板材的導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容隨溫度變化參照李獻(xiàn)勇[20]中給出的研究，密度取500kg/m3。巖棉板密度取120kg/m3。

墻板模型受火面與試驗(yàn)爐內(nèi)空氣環(huán)境的對流換熱系數(shù)取25W/m2，墻板模型背火面與室溫空氣環(huán)境的對流換熱系數(shù)取10W/m2，綜合輻射系數(shù)取0.7。設(shè)置室內(nèi)溫度為20℃。輕鋼龍骨之間、輕鋼龍骨與兩側(cè)板材使用Tie約束進(jìn)行設(shè)置，忽略構(gòu)件之間的摩擦。單元網(wǎng)格的劃分中，網(wǎng)格屬性選擇“熱傳遞”DC3D8八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元。有限元模擬墻板建模情況如圖8所示。

圖8 有限元墻板建模Fig.8 Finite element wallboard modeling

3.2 有限元結(jié)果

試驗(yàn)墻板溫度場模擬結(jié)果如圖9所示。兩種組合夾芯墻板截面溫度云圖分布由受火面向背火面?zhèn)鬟f。

圖9 ALC、石膏板材溫度云圖Fig.9 ALC, Plaster panel temperature distribution

3.3 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

因在有限元軟件中，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膯蚊媸芑馂槠矫婢鶆蚴芑?，但在?shí)際試驗(yàn)中受到試驗(yàn)爐火焰噴口位置、構(gòu)件距離受火中心的遠(yuǎn)近等影響，容易導(dǎo)致時(shí)間受熱不均勻，難以實(shí)現(xiàn)平面均勻受火的情況，故選取試驗(yàn)墻板中心處位置溫度測點(diǎn)R3為對比，比較試驗(yàn)與有限元模擬的吻合度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬溫度R3處溫度曲線如圖10所示。

圖10 墻板中心處有限元與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of finite element and test data at the center of wall panel

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬擬合結(jié)果可知，ALC墻板中心處試驗(yàn)溫度為35.7℃，而模擬結(jié)果約為32.9℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相差甚微，且均滿足規(guī)范要求，且上升區(qū)域呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。紙面石膏板溫度曲線呈現(xiàn)先上升、中間平穩(wěn)后續(xù)上升的形式，這是由于受火初期導(dǎo)致的溫度緩慢上升，受火20min后，受火面石膏板發(fā)生破壞，導(dǎo)致輕鋼龍骨框架與巖棉板形成的保溫層暴露在火源，巖棉直接受火。因巖棉屬于不燃型材料，且其導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致背火面石膏板溫度基本平穩(wěn)。在燃燒40min后，巖棉發(fā)生碳化現(xiàn)象，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)升高，保溫隔熱能力降低，從而背火面紙面石膏板溫度逐漸升高。

4 參數(shù)分析

為探究同種夾芯墻板結(jié)構(gòu)中，墻板厚度與保溫層厚度對墻板耐火性能的影響，對不同厚度墻板以及保溫層厚度進(jìn)行建模分析。板厚分別設(shè)置為50、75 mm厚，保溫層厚度分別設(shè)置為38、50、75 mm，共計(jì)6種不同組合（表1)。有限元模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 模擬結(jié)果溫度云圖Fig.11 Temperature nephogram of simulation results

表1 有限元模型尺寸表Table 1 Finite element model size table

由圖11可知，因有限元模擬中對于受火面的受火為均勻受火，表面溫度在相同條件下均相同。Q1～Q3為保溫層厚度對比，上升趨勢在前30min基本無明顯變化，由于受到受火面ALC墻板的保護(hù)，背火面溫度無明顯上升，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。在板厚相同的情況下，保溫層的厚度與背火面溫度成反比，保溫層越厚，背火面的溫度越低，背火面的溫度變化量不超過2%。雖然U60輕鋼龍骨作為保溫層時(shí)，背火面溫度最小，但是由于與U50輕鋼龍骨保溫層差距幾乎可以忽略不計(jì)?，F(xiàn)階段巖棉板廠家批量生產(chǎn)的巖棉板基本為50mm厚、80mm厚，若使用60mm厚的巖棉板作為保溫層，需要將80mm厚沿厚度進(jìn)行切割，反而加大了施工作業(yè)量，對此建議仍使用U50輕鋼龍骨作為保溫層框架。

Q1與Q4、Q2與Q5、Q3與Q6分別對應(yīng)相同保溫層厚度下，不同的板厚對背火面溫度造成的影響。50mm厚ALC與75mm厚ALC在同條件下溫度差為12℃左右。75mm厚ALC雖然能使構(gòu)件的溫度下降幅度較大，力學(xué)性能也相應(yīng)變強(qiáng)，但對于框架結(jié)構(gòu)的裝配式變電站，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不需承受太多載荷，且75mm厚ALC板材整體厚度較大，間接壓榨了室內(nèi)的可利用空間，且造價(jià)高于50mm厚ALC板材，從經(jīng)濟(jì)以及實(shí)用性角度考慮，50mm厚ALC為最佳選項(xiàng)。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型墻板結(jié)構(gòu)形式，對現(xiàn)有外掛墻板安裝工藝進(jìn)行改造，將輕鋼龍骨框架與內(nèi)外墻板結(jié)合一體，形成一體化墻板結(jié)構(gòu)。通過單面受火耐火試驗(yàn)對整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對試驗(yàn)墻板耐火極限、破壞形式進(jìn)行分析。

(1) 對于50mm厚的ALC內(nèi)龍骨夾芯墻板，試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)墻板單點(diǎn)溫度及平均溫度均滿足耐火極限規(guī)范要求，證明所設(shè)計(jì)的裝配式夾芯內(nèi)龍骨ALC板材具有良好的抗火能力，可作為建筑外墻板和內(nèi)墻板使用。安裝過程相較于現(xiàn)階段安裝工藝更為簡單，減少工期以及現(xiàn)場作業(yè)量。

(2) 對于雙面4×12(mm)厚紙面石膏夾芯墻板，試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)同樣滿足規(guī)范要求，其背火面單點(diǎn)溫度未達(dá)到耐火極限。且石膏板材相較于ALC墻板造價(jià)更低，整體板材厚度小于50mm厚ALC墻板，適用于室內(nèi)以及廠房內(nèi)墻板的使用。墻板整體重量低，利于運(yùn)輸安裝，但因石膏板材屬于脆性材料，需注意其發(fā)生彎曲而導(dǎo)致斷裂。

(3) 從經(jīng)濟(jì)性、美觀性角度而言，裝配式建筑外墻板可選用雙層50mm厚ALC夾芯墻板，內(nèi)墻板可以選用雙層紙面石膏夾芯墻板。