织物结构复合材料桥梁构件防火隔热性能试验研究

曹茜

(同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司)

0 引言

随着交通密度的大幅度提升，频繁发生的交通类火灾使得交通基础设施面临着日益增多的风险。桥梁结构作为交通基础设施的重要组成部分，无论混凝土桥梁还是钢结构桥梁，遭遇火灾都将对桥梁构件及结构造成极大的损伤，包括混凝土剥落、钢板屈曲等。据不完全统计，最近十年我国可见报道的桥梁火灾事故至少20 起。此外，统计分析表明火灾致桥梁垮塌的数量约为地震垮塌数量的3 倍[1]。

桥梁处于开放空间使得火灾与一般的房屋建筑火灾显著不同，尤其受环境因素影响极大，具体而言桥梁火灾有如下特点[2-4]：

⑴可燃物复杂：桥梁火灾主要源自各类车辆及其运载物，其可能包括为塑料及橡胶制品、危险化工品、石油、天然气等。

⑵火灾发生位置既可能是桥面上的任意位置，也可能是桥下，具有很强的随机性：对于跨江、跨海大桥而言，其危险源主要为桥上行驶的车辆，火灾多发生于桥面；对于城市高架桥、立交桥而言，危险源除了桥上行驶的车辆还有可能是桥下穿行的车辆。

⑶火灾大小：车辆及其运载物品引发的火灾热量释放速率差异极大，从小汽车火灾的1.5MW 到油罐车火灾可能引起的300MW 热释放速率，其通常较房屋建筑火灾大、火势更为猛烈。

⑷火灾受环境影响大：由于桥梁火灾处于开放环境下，氧气供应充足，同时受风的作用，火焰倾角、火焰温度等具有显著区域特征。

⑸救援难度：当桥梁火灾发生时，容易造成桥上交通堵塞，大型灭火设备较难很快到达灭火地点。一些远离城市的桥梁，救援途径较为单一，消防人员到达的时间较长，有些甚至缺乏消防水源，更加增大了灭火救援的难度。

鉴于上述桥梁火灾事故的特点以及其可能对生命、财产和社会造成的后果，对桥梁结构的防火措施开展研究是十分必要的，特别是干线公路上的大型桥梁结构，其安全性尤为重要。本文以公路悬索桥主缆与吊杆、斜拉桥拉索等关键构件的防火隔热为应用对象和目标，针对以玄武岩纤维织物结构为代表的新材料抗火性能进行试验研究，分析该类材料作为桥梁防火隔热措施基础材料的可行性，为提高桥梁抵抗火灾风险的能力。

1 复合材料织物的抗火性能试验设计

1.1 玄武岩纤维织物材料

玄武岩是岩浆喷发形成的火山岩，主要矿物是斜长石和辉石，呈古铜色。将玄武岩矿石破碎后在1450～1500℃下熔融纺后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制形成玄武岩纤维。玄武岩纤维材料性能同碳纤维相当，而价格比碳纤维低几倍甚至几十倍，相对玻璃纤维和碳纤维等有较为明显的综合优势，此外玄武岩在我国分布广泛，由其制成的纤维能够在土木工程中成为玻璃纤维、碳纤维的替代品。

玄武岩纤维作为绿色材料，近年来成为防火隔热的首选材料，其具备质轻、防火、隔热、美观等特点。由玄武岩纤维织物层、耐高温橡胶层、聚酯纤维膜层、气相沉淀铝反射层和阻燃黏胶组成的玄武岩纤维复合防火隔热材料拥有良好的阻燃隔热耐高温性能，在高温环境下，能够吸收一部分热量，隔热效果更好，同时不会燃烧，可以起到很好的防护作用，被应用于消防、石油化工、军事和冶金等领域。

玄武岩纤维一般可在-263～900℃温度下使用，导热系数低，在25℃下，玄武岩纤维的导热系数为0.04。在耐水性方面远远优于玻璃纤维，吸湿能力0.2%～0.3%，而且其吸湿能力不随时间变化，从而保证其在使用过程中的热稳定性、长寿性和环境协调性。以玄武岩纤维防火布为例，通常是用7～9μm 连续玄武岩纤维细纱编织而成的，其中有平纹布和缎纹布等，经耐高温、无毒害的涂层处理。其被广泛地应用于不同领域，包括造船业、大型钢结构和电力维修的现场焊接、气割的防护用品纺织、化工、冶金、剧院、军工等通风防火和防护用品。此外，玄武岩纤维防火布为不燃材料，在1000℃火焰作用下，不变形、不爆炸、耐火在1 小时以上[5]。

1.2 试件设计及试验方案

为探索玄武岩纤维织物作为桥梁防火隔热措施的可行性，本研究对由玄武岩连续纤维制成的防火布进行热传导性能测试。本文所采用的玄武岩纤维布如图1，其厚度为6.55mm，包括6mm 的内衬和0.55mm 的玄武岩布。

图1 玄武岩纤维防火布样品

按GB51249－2017《建筑钢结构防火技术规程》[6]进行试验用试件的制作，以满足相关规定的试验用试件。根据《建筑钢结构防火技术规程》，防火布热传导系数测定的试件由钢板底材表面包裹防火布而成，如图2 所示。钢板底材、热电偶布置及试件厚度等应符合下列规定：

图2 抗火性能试验研究试件制作标准

⑴钢板底材采用Q235B 钢，规定尺寸为厚度16mm、长度300mm、宽度300mm，允许偏差为0.5mm；

⑵防火材料施工前，应在钢板底材上安装2 个热电偶，热电偶热端位于钢板中间厚度处；

⑶非膨胀防火材料试件数量为3 个。

按上述流程，首先如图2 制作钢材底材并安装2 个热电偶，其中热电偶布置位置如图所示；其次用待测试的防火布包裹钢板底材，并将四周缝起制成试件。

利用燃气式抗火试验炉进行试件的受火实验，该试验炉的炉膛尺寸为1000mm×1000mm×1200mm，燃烧介质为液化燃气，通过2 个喷嘴提供火焰进行燃烧，其燃烧能力为24Nm3/h。燃烧过程由上海红电自动化科技公司的REDFCS 软件根据指定升温曲线（如ISO 834 标准升温曲线）进行，并采集试验数据。

试验炉的燃烧过程采用ISO834 标准升温曲线：

T=T0+345log(8t+1) 式⑴

其中T0为环境温度，t 为燃烧时间以分钟计。试验执行期间环境温度为T0=35℃。置于炉膛内的试件随着受火时间的增加，热能通过防火布传导进试件内部的钢板底材，由布置于钢板上的热电偶测量钢板温度变化并通过数据收集设备将其记录，从而获得防火布受火面内侧的温度。

2 试验现象与结果分析

2.1 织物材料受火后试验现象

在试验过程中，由于试件置于抗火炉内，试件表面及结构的变化无法观测。图3 为试件在达到试验结束条件后打开抗火炉所观测到的现象。从外观上看，防火布除颜色从褐色变为棕色或焦黄色以外，无明显变化。此外，内层材料受火后从原始蓬松的结构变为密实的结构，仍具有一定强度。

2.2 抗火性能试验结果

图3 玄武岩纤维防火布受火后表观现象

图4 玄武岩纤维防火布受火温度变化曲线

在关闭燃烧设备后，如图所示炉膛内温度迅速降低。三个试件的温度变化基本一致，随着受火时间的增长，防火布内侧温度逐渐增高。对比试件温度与火焰温度或抗火炉温度，可以发现试件温度明显较低，如受火时间3600s 后，炉内温度达到1000℃左右而试件温度仍在600℃左右。

根据《建筑钢结构防火技术规程》关于热传导性能测试的规定，试验结束的条件为试件内钢板的平均温度到达540℃。测试材料的热传导性能可以由测试材料的厚度、试件到达540℃的受火时间、环境温度等数据通过等效热传导系数和等效热阻系数公式计算获得，详细计算公式如《建筑钢结构防火技术规程》给出，其结果如表1 所列。

表1 防火布的等效热传导系数和等效热阻系数

3 结论

试验过程中防火布未见燃烧的现象，防火布外观颜色从褐色变为棕色或焦黄色，其余无明显变化；内层材料受火后从原始较为蓬松的结构变为密实的块状结构。由受火时间与温度变化曲线可见，在试验过程中试件温度明显低于炉内温度；受火时间3600s 后，炉内温度达到1000℃左右而试件温度在600℃左右。可见玄武岩纤维防火布具有显著降低内部钢材温度的能力，具有用于防火隔热材料的价值，该现象由依据《建筑钢结构防火技术规程》计算获得材料等效热传导系数和等效热阻系数得到进一步验证。