秸秆复合墙板耐火性能试验研究

2018-11-23陈继浩崔琪侯国艳

新型建筑材料 2018年11期

陈继浩，崔琪，侯国艳

（中国建筑材料科学研究总院有限公司，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

0 前言

利用秸秆良好的保温性能和零污染的环境性能，在建筑中大量应用，既能够解决大量生物质资源浪费和大气污染问题，又能替代部分高耗能建筑材料。秸秆草砖房是一类大量利用农业废弃秸秆的建筑，在美国和一些欧洲国家得到了很好的发展，我国也在东北地区进行了秸秆草砖房的推广应用[1-6]，但由于存在层高受限制，秸秆砖或墙体运输限制等问题，未得到大量推广。

秸秆纸面草板由于其工业化生产、易于加工等特点，曾在我国建筑领域得到应用[7-9]。随着技术的发展，为提高秸秆纸面草板的性能，以秸秆纸面草板作为芯材，表面复合不同面层形成的墙体结构，开始得到研究和应用[10]，并将具有更好的发展前景，特别是与轻钢结构结合，易于形成装配式的建筑构件，同时显著提高节能性能。由于采用秸秆为原料的原因，其防火性能得到关注。

对于秸秆草砖房的耐火性能，美国和加拿大等地进行了研究，如加拿大国家研究所测试，抹了灰泥的草砖墙在外侧经受2 h的1028℃的高温后，墙体依然没有破裂损伤。美国按照ASTM E-119《建筑构造及材料的耐火性能试验方法》研究表明，18英寸厚的没有灰泥面层草砖墙在850℃的高温下经过34.5 min才被烧穿[11]。中国建筑科学院王礼等[12]也对非承重草砖墙体进行了耐火极限试验研究，结果显示，用10mm草泥找平，并加10 mm厚混合砂浆抹面，厚度为400 mm的秸秆草砖墙体的耐火极限能达到3.0 h。紧密压实的草砖内部没有足够的可助燃的氧，且表层燃烧形成碳化层，阻止了火焰进一步向其内部蔓延。

秸秆纸面草板为高压成型，材料的密度为400～450kg/m3，与密度为100～120 kg/m3的秸秆草砖相比，具有更加密实的结构，同时由于其表面贴覆无机面层，更能提高其防火性能。此类复合墙体的耐火性能未见报道，为促进新型秸秆复合墙体的应用，对其燃烧性能、耐火极限等进行了试验研究。

1 秸秆复合板燃烧性能试验

燃烧性能委托国家建筑材料测试中心进行了测试。试样为多层复合秸秆板，为58 mm厚的压缩秸秆芯层，两面贴覆12 mm厚的硅酸钙板，表面贴覆0.6 mm厚木皮，尺寸为1000 mm×1500 mm，570 mm×1500 mm。试验墙体按照 GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》要求，采用机械方式（金属螺栓）固定于试样架上，背板与试样间距离为50 mm，受火面为上表面。按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》对复合墙体进行了测试，性能要求参照GB 8624—2012中平板状B1级难燃材料（制品）的要求。表1为复合墙板的测试结果。

表1 秸秆复合墙板燃烧性能测试结果

由表1可见：（1）该复合秸秆墙板具有非常好的耐燃烧性能，而且部分项目性能优异，如燃烧增长速率指数，测试结果为6W/s，大大优于GB 8624—2012要求的不超过120 W/s，600 s内总热释放量只有0.8 MJ，显著低于GB 8624—2012要求的不超过7.5 MJ。（2）在烟气方面，600 s内总产烟量只有16 m2，显著低于GB 8624—2012要求的不超过50 m2的要求，烟气生成速率指数只有1 m2/s2，大大优于GB 8624—2012要求的不超过30m2/s2的要求，具有良好的耐燃烧性能。

2 秸秆复合板墙体耐火极限性能试验

为进一步研究秸秆复合墙板的耐火性能，由合作单位烟台金田科技有限公司制作了以多层复合墙板和轻钢框架组合的双层墙体，进行了2 h耐火极限试验。试验在国家建筑材料测试中心的耐火实验室进行，测试依据为GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法第1部分：通用要求》、GB/T9978.8—2008《建筑构件耐火试验方法第8部分：非承重垂直分隔构件的特殊要求》。

2.1 试件及试验条件

试件外形尺寸为3500 mm×3500 mm，总厚度为248 mm，受火尺寸为3000 mm×3000 mm，试件墙体由25 mm碳素复合板作为面层、中间58 mm的秸秆纸面草板，另一面贴覆3 mm的碳素复合板形成厚度86 mm的复合墙板，25 mm厚的碳素复合板面层朝外，2层墙体中间通过自攻螺钉与60 mm的轻钢框架连接，板与板拼缝及板与框架之间缝隙均采用混合砂浆抹缝挂平处理，受火面涂抹1层15 mm厚混合砂浆，经自然养护形成隔墙试件。

墙体设计成以轻钢框架连接的双层墙体，是考虑这种工厂化生产的墙体与轻钢龙骨墙体结合是最常见的方式，也是目前最有发展前景的装配式建筑的墙体结构，同时双层墙体也提高了墙体的节能性能，形成自保温墙体。墙体试样的示意如图1所示。试样的背火面温度曲线按照非承重垂直分割构件的要求，设置了9支热电偶，隔热性测试的初始温度为16.7℃。

图1 耐火试样墙体的结构示意

2.2 试验结果分析

（1）2 h耐火试验结束后在秸秆复合墙体背火面无明显变化，墙体在隔热性、完整性方面未出现破坏，符合GB/T 9978.1—2008规定的耐火极限要求。

（2）试件的隔热性能非常突出，120min时未破坏。背火面平均温升只有17.5℃，背火面单点最高温升只有24.4℃，远优于GB/T9978.1—2008规定的背火面平均温升不大于140℃要求，说明墙体的隔热性能非常好。

试验炉内和背火面的温升曲线如图2所示。

图2 试验墙体的温升曲线

由图2可见：炉内温升按照设定30 min达到800℃以上时，背火面的温升从16.7℃只上升到20℃，温升只有3.3℃；试验至90 min时，背火面的温度只有26℃，平均温升不超过9℃；试验至105 min时，背火面才开始略微增加温度的升高速度；试验至120 min时，平均温升不超过17.5℃，最高点温升不超过24.4℃，远低于耐火极限标准（GB/T 9978.1—2008）限定的温升，根据背火面温升曲线的趋势，秸秆复合墙体能达到更长的耐火极限时间，具有良好的防火性能。

（3）在完整性方面，经过2 h高达1050℃的高温燃烧，整个墙体未丧失完整性，未出现裂缝、窜出火焰等问题，在墙体拼缝部位略有烧灼痕迹，背火面基本保持原状。

试验后试样墙体的情况如图3所示。

图3 2 h耐火极限测试后背火面和受火面情况

由图3（a）可见，2 h耐火极限测试后，背火面仍保持良好的完整性，只有缝隙处可能在安装时缝隙处理问题，略有烧灼痕迹，背火面基本保持不变。

由图3（b）可见，2 h耐火极限测试后，在1000℃以上的温度，墙体的面层虽然碎裂脱落，但压缩秸秆板芯层燃烧过后形成碳化层，仍保持完整的墙体形状，这种状态能够阻止燃烧的蔓延，形成较好的阻燃效果，对后面的墙体构件形成较好的保护，使高温尽可能慢地透过墙体，保护了背火面的墙体，从而具有较长的耐火时间。这种秸秆复合墙体在建筑构造中不仅保温性能突出，而且具有良好的耐火性能，在燃烧时压制密实的秸秆复合墙体在火灾初期燃烧缓慢，传热慢，有效保护逃生。在火灾后期墙体保持完整性，减少由于倒塌等造成的二次伤害。