两边简支的预制混凝土无机保温夹心墙体抗火性能试验研究*

李志杰

(1 新疆大学建筑工程学院， 乌鲁木齐 830047； 2 同济大学土木工程学院， 上海 200092；3 新疆建筑结构与抗震重点实验室， 乌鲁木齐 830047)

0 前言

同济大学与上海城建集团合作开发了一种适用于工业化生产的新型预制混凝土无机保温夹心墙体，并研发了适用于该墙体的一种新型玻璃纤维增强塑料(FRP)连接件[1-2]。预制混凝土无机保温夹心墙体是由内、外叶钢筋混凝土墙,保温层及FRP连接件组成，可作为建筑外挂墙体；其内、外叶墙体之间通过FRP连接件连接，FRP连接件的主要作用是使内、外叶墙协同受力，具有导热系数低、耐腐蚀性能好等特点，可减小“热桥”效应，有效降低建筑能耗。

相对于外墙外保温体系的抗火性能而言，预制混凝土无机保温夹心墙体的保温层和FRP连接件置于内、外叶墙体之间，可避免火灾下混凝土墙板的高温和火焰对保温层和FRP连接件的直接作用。此外，由于夹心保温层使用不燃性的无机保温砂浆作为保温隔热材料，该材料是以无机类的轻质保温颗粒作为轻骨料，加胶凝材料、抗裂添加剂及其他填充料等组成的干粉砂浆，因此预制混凝土无机保温夹心墙体具有较好的抗火性能。

国内外对FRP材料在高温环境下的受力性能等进行研究，已有研究[3-8]表明：FRP的组成材料乙烯基树脂在90～110℃温度范围内发生玻璃化，300～350℃温度范围内发生碳化分解。此外，FRP与混凝土的粘结性能随温度的升高也发生退化，对预制混凝土无机保温夹心墙体的受力性能和内、外叶墙体的协同工作影响较大。因此，有必要开展预制混凝土无机保温夹心墙体的抗火性能和FRP连接件的高温拉拔性能试验研究。

本文重点对预制混凝土无机保温夹心墙体在火灾下的破坏形态、温度场分布、耐火隔热性、耐火完整性以及挠度变形等性能进行研究，为预制混凝土无机保温夹心墙体的抗火安全性评价和工程应用提供基础数据和技术依据。

1 试验设计

1.1 试件设计

试件为2 800×3 200×190的足尺墙体，内、外叶墙厚均为60mm，混凝土强度等级为C35，内、外叶墙体配置单层双向钢筋，钢筋采用10@150。夹心保温层为70mm厚无机保温砂浆，为A级不燃材料。内、外叶墙体采用FRP连接件连接(图1)，FRP连接件的间距为500×500。

图1 FRP连接件大样图

FRP连接件在混凝土中的锚固长度为35mm，FRP连接件和钢筋的混凝土保护层厚度均为25mm，试件具体构造见图2。

图2 预制混凝土无机保温夹心墙体示意

1.2 火灾试验方法

预制混凝土无机保温夹心墙体抗火试验方法参照《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]的有关规定。

1.2.1 火灾试验装置

试验在同济大学结构抗火实验室进行，试验装置为水平结构构件抗火试验炉，炉膛净尺寸为4.5m×3.0m×1.7m(长×宽×深)，见图3。

图3 水平结构构件抗火试验炉

1.2.2 火灾升温曲线

试验按照ISO 834标准升温曲线受火60min。火灾升温曲线公式如下：

T=345lg(8t+1)+T0(t≤th)

式中：t为试验受火时间，min；T为t时刻的温度；T0为炉内初始环境温度；th为持续升温时间。

1.3 火灾试验布置

试件为单面受火，采用两边简支方案，试件跨度2 800mm，净跨为2 600mm，承受自重荷载作用。

2 主要试验结果与分析

2.1 试验现象

火灾后试验现象见图4：试件四边翘起，中部凹陷，呈现明显的“盆”状；下叶墙(外叶墙)底部(迎火面)混凝土明显酥松，孔隙增多，局部表层混凝土有轻微剥落，未发现明显裂缝；上叶墙(內叶墙)混凝土无变化；保温层中FRP连接件由受火前的淡绿色变为黄褐色。

图4 试件受火后形态

2.2 受火温度响应

2.2.1 炉内升温曲线

试验过程中，炉温较为均匀，试验炉内初始温度为10.2℃，如图5所示，试验炉内实际升温曲线与ISO 834国际标准升温曲线基本吻合。

图5 炉内升温曲线

2.2.2 温度响应

试件的截面温度沿高度变化曲线见图6。在试验过程中，沿试件截面高度方向，温度呈非线性分布，越靠近迎火面，温度梯度越大。上叶墙在100℃附近有温度平台，主要是由于混凝土内水分蒸发所致。上叶墙实测最高温度84.9℃，说明保温层具有较好的阻隔热传递的作用。

图6 截面温度沿高度变化曲线

2.2.3 背火面温度

试件受火60min时背火面(上叶墙的上表面)实测最高温度为22.2℃，平均温升10.2℃，见图7。试件背火面最高温升未超过初始温度(初始温度为试验开始时背火面的初始平均温度)180℃，平均温升也均未超过初始平均温度140℃，满足《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]的耐火隔热性要求。

图7 背火面平均温度曲线

2.2.4 钢筋温度

下叶墙内钢筋温度随受火时间的增加，接近线性上升。下叶墙内钢筋最高温度444.1℃，上叶墙内钢筋最高温度99.2℃，见图8。

图8 试件的钢筋温度

2.2.5 FRP连接件温度

由实测FRP连接件温度可知，在受火约15min时，下叶墙内FRP连接件达到玻璃化温度(Tg=95℃)。在受火42min时，FRP连接件达到碳化温度(Td=300℃)。上叶墙内FRP连接件的最高温度为58.4℃，未达到玻璃化温度，见图9。

图9 不同受火时间下FRP连接件温度分布

3 结论

(1)预制混凝土无机保温夹心墙体温度场与受火时间成非线性分布。

(2)预制混凝土无机保温夹心墙体受火60min时，背火面实测最高温度为22.2℃，平均温升10.2℃，上叶墙基本不受火灾影响，保温层具有较好的阻隔热传递的作用。

(3)下叶墙内钢筋最高温度444.1℃，上叶墙内钢筋最高温度99.2℃。

(4)预制混凝土无机保温夹心墙体满足《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.1—2008)[9]承载力、隔热性和完整性的要求，达到《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版)[10]规定的耐火极限60min要求，满足工程设计要求。

致谢：感谢同济大学薛伟辰教授的精心指导，感谢上海城建物资有限公司朱永明在试件制备给与的帮助。