預制夾芯保溫墻體板縫構造抗火性能試驗研究

0預制夾芯保溫墻體抗火性能隨著現代高層建筑的快速發展，建筑火災的發生頻率和風險不斷增加，建筑火災的潛在危害也越來越嚴重。國內外建筑火災研究表明,產生火災的原因主要有兩方面:保溫材料本身的抗火性能問題和外墻外保溫體系在抗火性能方面存在缺陷,故外保溫層易產生火災。因此,有必要研究保溫墻體的抗火性能。近年來,預制夾芯保溫墻體開始在國內逐步應用。預制夾芯保溫墻體是由內、外葉鋼筋混凝土墻,保溫材料層及連接件組成,適用于工業化生產。同濟大學等單位研發了適用于預制夾芯保溫墻體的一種新型玻璃纖維增強塑料(FRP)連接件。FRP連接件具有導熱系數小、耐久性能好等特點,主要作用是連接內、外葉墻,保證其協同工作。預制夾芯保溫墻體抗火性能的研究內容主要包括墻體自身的抗火性能與板縫處的抗火性能兩部分。對于預制夾芯保溫墻體自身的抗火性能而言,由于預制夾芯保溫墻體中連接件和保溫層設置于混凝土內、外葉墻之間,混凝土板可有效保護保溫層及連接件,使其與外界環境隔絕,避免了火災等外界不利因素對其的影響,所以相比外墻外保溫體系,預制夾芯保溫墻體的抗火性能更好。2008年,美國西南研究中心(SwRI)火災技術部對預制夾芯保溫墻體的抗火性能進行試驗研究,該墻體內葉墻厚度150mm,保溫層厚度100mm,外葉墻厚度100mm,連接件采用FRP連接件,受火時間240min,試驗結果表明:試件仍保持完整,無裂隙產生,背火面的最高溫度31℃,最低21℃,平均溫度26℃,保溫層未發生燃燒,滿足BSEN1364-1:1999中所要求的整體性和絕熱性要求,該墻體的抗火性能良好。在預制夾芯墻體建筑物發生火災時,墻體和板縫共同受到火焰和高溫煙氣長時間灼燒,板縫中耐候膠和密封材料容易失效,導致火焰和高溫煙氣可能由板縫進入夾芯墻體內部,對預制夾芯保溫墻體的耐火性能產生影響:1)FRP連接件直接受到火焰或高溫作用,力學性能會發生變化;文~研究表明,粘結樹脂的玻化點一般在100℃左右,超過這一溫度FRP材料和混凝土粘結性能將發生退化。2)火焰和高溫煙氣的進入可能導致保溫材料直接受火燃燒,并且使火災向相鄰房間和樓層蔓延。因此,有必要對預制夾芯保溫墻體板縫處抗火性能進行研究。以北京萬科企業有限公司某實際工程為背景,開展了預制夾芯保溫墻體的板縫抗火試驗研究,其中預制夾芯保溫墻體的板縫構造包括無填充材料、填充PE棒泡沫條以及填充巖棉條3種,其中后兩種構造已經在工程實際中得到應用。1試驗計劃和加熱方法1.1試驗設備的設計和準備1.1.1外葉墻frp連接件試件是由兩塊尺寸為500mm×500mm的預制復合保溫墻體拼合而成,試件厚度為300mm,內葉墻是混凝土結構層,厚度200mm,外葉墻是混凝土保護層,厚度50mm,混凝土強度等級為C30,中間保溫層為擠塑聚苯板(XPS),厚度為50mm。連接墻體內、外葉墻的FRP連接件間距為300mm×300mm,FRP連接件實測的玻璃化溫度為93℃。試件編號分別為BF-1,BF-2,BF-3,平面尺寸均為1020mm×500mm。其中試件BF-1屬于無填充材料的板縫構造,是由兩塊墻體拼合而成,拼縫寬度約20mm,在板縫內不填充任何材料;試件BF-2屬于填充PE棒泡沫條的板縫構造,BF-3屬于填充巖棉條的板縫構造,試件BF-2和BF-3分別在預制夾芯保溫墻體板縫內填充截面寬度25mm、厚度15mm的PE棒泡沫條和巖棉條,嵌入深度15mm,外部使用改性硅酮密封膠密封,在密封處理完畢后,將試件靜置在室外環境干燥72h,構造見圖1。1.1.2復合墻體的制作預制夾芯保溫墻體的施工制備方法如下:1)鋪設下層混凝土墻體模板并鋪設下層墻體的構造鋼筋,然后預埋熱電偶,最后澆筑下層墻體混凝土,見圖2;2)澆筑完成后在其上方鋪設預留連接件孔的擠塑聚苯板;3)在保溫板的預留洞口中插入預制復合墻體連接件;4)在保溫板上鋪設上層混凝土保護層的構造鋼筋,然后預埋熱電偶,最后澆筑混凝土,見圖3;5)拼合成板縫,拼縫寬度20mm,拼合而成;6)將PE棒泡沫條或巖棉條切割成條狀,填充板縫;7)使用改性硅酮膠密封。需要說明,為減小試件中混凝土內的水分對試驗結果的影響,在抗火試驗前試件需在室溫條件下放置2個月以上,使混凝土得到充分干燥。1.2全行技術的測試方法試驗按照《塑料燃燒性能的測定水平法和垂直法》(GB/T2408—2008)和《天津市建筑節能工程泡沫塑料保溫材料施工現場防火安全暫行技術規定》(2008)等規定的測試方法進行。試驗燃燒設備為本生燈,燈筒內徑(9.5±0.5)mm,燃氣為液化石油氣,本生燈火焰溫度較穩定,火焰最高溫度1100℃。試驗時,首先點燃本生燈,調節氣閥開關大小直至出現藍色火焰,火焰高度約130mm,然后將本生燈口移至距板縫中心位置豎向距離80mm、距板縫外側25mm處開始試驗。試驗中溫度數據采用Datataker數據采集儀測量。1.3試驗試件溫度frp試驗中預制夾芯保溫墻體的3種板縫構造的溫度測點布置基本相同。在每個試件內預埋4個直徑為2mm的鎳鉻-鎳硅(K型)鎧裝熱電偶,用以量測板縫迎火面火焰溫度(熱電偶測點伸出試件外表面(10±5)mm)、內外葉墻中FRP連接件錨栓位置處溫度以及保溫層中部的連接件溫度。具體的測點(測點1~4)布置方案如圖1所示。2試驗過程和結果2.1保溫層和連接件frp的受火方案研究采用本生燈燃燒試件BF-1時,保溫層中XPS材料在本生燈高溫作用下立刻熔化,在火焰接觸范圍內的XPS材料熔融范圍迅速擴大,在保溫層內形成空腔,見圖4。受火3min時,XPS材料的熔融速度緩慢,XPS材料無明火產生。受火10min時,保溫層中XPS材料未見明顯熔融,在保溫層中形成較大空腔。受火20min時,熔融范圍基本保持不變,在上、下連接件中間位置形成空腔,空腔最寬處約100mm,連接件周圍仍被XPS材料包裹,見圖5。為進一步研究保溫層和連接件在直接受火方式下的破壞特征,改變本生燈燃燒位置,將本生燈口插入板縫內30mm,受火時間約10min。當本生燈接近保溫層時,火焰范圍內的XPS材料很快燃燒,保溫層內空腔范圍很快擴大,火焰燃燒延續60s后逐漸自熄,見圖6。2min時,XPS材料的熔融速度較快,左側墻體中連接件表面包裹的團狀模塑料(BMC,Bulkmoldingcompounds)局部外露。5min時,XPS材料的熔融速度緩慢,XPS材料表面無明火產生,連接件外部包裹的團狀模塑料在高溫下局部有輕微的熔融、滴落。10min時,保溫層中XPS材料熔融形成的空腔面積基本保持不變,連接件外部包裹的團狀模塑料局部有輕微熔融、滴落,右側墻體中連接件仍被XPS材料包裹,見圖7。試驗過程中,FRP連接件表面基本保持完好。試件受火30min,實測墻體保溫層內空腔的最大寬度為200mm、高度為450mm。實測火焰最高溫度957℃,連接件在內、外葉墻中最高溫度分別為132℃和97℃,超過了FRP材料的玻璃化溫度(實測值93℃)。2.2受火后的燃燒試驗試件BF-2受火約30s時,火焰中心位置的密封膠表面顏色由灰色變為黑色。受火3min時,密封膠表面出現白點,火焰邊緣區域為黑色。受火5min時,密封膠燃燒,但不劇烈。受火7min時,受火部位密封膠顏色變為白色,并發生鼓脹,局部突出墻體,零星發生脫落,見圖8。受火15min時,板縫處空腔內部出現明顯煙霧,火焰核心部位密封膠和PE棒泡沫條被完全燒透,燃燒產生的煙霧進入空腔內部,見圖9。受火30min時,煙霧變得濃重,見圖10。受火45min時,密封膠基本未脫落,空腔內部有煙霧,受火60min試驗結束。試驗過程中,由于密封膠阻隔火焰進入空腔內部,因此XPS材料未燃燒,僅在正對火焰部位的保溫層上部位置發生熔融變形。試驗結束后,用工具輕輕撥開密封膠表面,發現有黑灰色碳化物附著在混凝土表面,有效地防止密封膠的脫落,見圖11。實測火焰最高溫度976℃,連接件在內、外葉墻中最高溫度分別為78℃和42℃。2.3受火后巖棉條檢驗填充巖棉條的板縫試件BF-3受火約30s時,密封膠表面呈黑色。受火約5min時,火焰中心處密封膠呈白色,火焰邊緣處密封膠呈黑色。受火8min時,黑色密封膠有小塊脫落,密封膠出現裂縫。受火10min時,裂縫間有一塊密封膠即將剝離,但未脫落,并呈白色。受火18min時,白色密封膠呈斷裂狀,裂縫明顯,見圖12。受火30min時受火處密封膠完全碳化,并發生鼓脹,局部突出墻體,部分發生脫落。試件受火60min結束試驗。試驗過程中,XPS材料未產生燃燒,板縫內煙霧較少。試驗結束后,清理受火處板縫內部,密封膠已完全碳化,用工具輕輕撥開密封膠,巖棉條表面為黑色,內部仍保持黃色,形狀完好,見圖13。實測火焰最高溫度973℃,連接件溫度基本與室外環境溫度相接近,無明顯升溫現象發生,連接件在內、外葉墻中最高溫度分別為47℃和36℃。3無填充材料板縫構造的抗火性能按照《天津市建筑節能工程泡沫塑料保溫材料施工現場防火安全暫行技術規定》(2008)有關規定,對預制夾芯保溫墻體的板縫抗火性能進行評價,評價結果見表1。可見:(1)對于無填充材料的板縫,在受火30min情況下(火焰最高溫度957℃),內、外葉墻中FRP連接件的最高溫度分別為132℃和97℃,超過了FRP材料的玻璃化溫度(實測值93℃)。墻體中XPS材料與火直接接觸會劇烈燃燒以及熔融、變形。這表明無填充材料的板縫構造抗火性能較差,不滿足規程的耐火性能要求,抗火安全性較差。(2)填充PE棒泡沫條的板縫構造在受火60min情況下(火焰最高溫度976℃),連接件在內、外葉墻中最高溫度分別為78℃和42℃,連接件保持完好。該構造對火焰和煙氣的蔓延具有一定的阻隔作用,但在長時間火焰灼燒下,密封膠和PE棒泡沫條仍會燃燒、碳化和脫落,并且伴隨煙氣產生,但是背火面煙氣較少。另外,由于混凝土板的導熱作用,XPS材料局部發生熔融和變形,造成保溫層破壞形成空腔。受火過程中,XPS材料均無火焰及滴落物產生,滿足規程的耐火性能要求,抗火性能較好,安全性能較高。(3)填充巖棉條的板