装配式一体化内龙骨夹芯围护墙板抗火性能研究*

盛学庆，徐庆锋，潘胜军，徐平凡，曾 聪

（1 杭州市电力设计院有限公司，浙江 杭州 310000；2 东北电力大学，吉林省 吉林市 132000）

近年来随着装配式建筑的不断普及，装配式建筑的重点研究领域已经向着节约材料、绿色环保、施工便捷等方向发展[1-2]。为提倡装配式建筑一体化施工思想，实现整体预制、现场安装的施工方案，将围护墙板进行结构设计，使其可在厂家整体预制，现场直接安装，最大限度提高建设效率，减少墙板安装现场湿作业。现阶段针对围护墙板的安装工艺普遍是在施工现场安装轻钢龙骨框架，将外挂墙板与轻钢龙骨框架进行连接，形成围护体系[3-4]。因安装轻钢龙骨框架需大量现场作业，为缩短工期，减少安装轻钢龙骨的步骤，本文设计了一种将轻钢龙骨内置于ALC（蒸压加气混凝土板材），将轻钢龙骨框架与外墙板结合为一体化墙板，实现板材整体预制出场，产品标准化[5]，现场无需安装轻钢龙骨可直接安装的目标。

蒸压加气混凝土是一种轻质、节能的墙体材料，结构为多孔结构，具有保温、抗震、耐火等优点，是一种绿色新型墙板材料之一[6-9]。对于复合夹芯墙板方面，研究较成熟的外墙板有混凝土夹芯保温板、钢丝网架水泥夹芯板、陶粒混凝土复合外墙板、钢筋混凝土绝热材料复合外墙板等[10-13]。而对于墙板耐火性能的研究，大多通过抗火试验、有限元模拟、理论计算等方式进行研究[14-16]。

荆鹏飞[17]通过制作不同容重的蒸压加气混凝土砌块，研究气孔对ALC砌块造成的影响，在不对密度以及配合比造成影响的前提下，通过稳泡剂以及发泡剂材料对砌块孔径进行调整。基于蒙特卡洛法，使用Ansys有限元模拟对不用密度的砌块进行有限元模拟，模拟结果显示蒸压加气混凝土砌块的导热系数与孔隙率呈反比，与气孔孔径成正比。

陈鸣[18]研究了一种轻钢龙骨混凝土组合墙板的耐火性能，通过改变保温层岩棉厚度、轻钢龙骨间距以及保温材料来检验对外挂墙板的耐火性能影响，对墙板试件进行防护热箱法测定平均传热系数，得到80mm、100mm厚度的岩棉板符合保温要求。对墙板结构进行足尺耐火试验，通过Abaqus有限元模拟对比不同保温厚度下墙板性能，得出将泡沫混凝土替代岩棉作为新型填塞保温材料会使墙板整体耐火性能提高。

为此，本文针对所设计的围护墙板结构进行同比例抗火试验，并针对不同的板内构件参数进行有限元模拟分析，对比不同板厚以及保温层厚度对墙板的耐火性能影响。

1 一体化夹芯内龙骨墙板构造

本文设计的夹心内龙骨墙板（图1）采用ALC板材（蒸压加气混凝土板）作为外板，内置5根U 50轻钢龙骨组成的内龙骨框架作为内外板连接，板间其余位置填充岩棉作为保温层，形成轻钢龙骨-岩棉组合保温层夹芯墙板。轻钢龙骨与内外ALC板材通过使用7cm自攻螺钉连接，横竖轻钢龙骨之间使用3cm自攻螺钉连接。

图1 内龙骨夹芯一体化墙板构造图Fig.1 Structural drawing of inner keel sandwich wallboard

一体化围护墙板实际安装过程可从上而下吊装，墙板尺寸可根据建筑主体结构尺寸模数设计，沿高度进行吊装，施工快捷简单。

2 一体化墙板抗火试验概况

2.1 试验装置及试验制度

试验设备采用辽宁省产品质量监督检验院的结构抗火试验炉。试验装置如图2所示。采用国际标准升温曲线ISO 834进行火灾模拟，测量墙板及梁柱的温度。试验采用单面受火、背火面置于室温的形式，不加载。ISO 834标准升温曲线如图3所示。

图2 耐火试验炉Fig.2 Refractory test furnace

图3 ISO 834 标准升温曲线 Fig.3 ISO 834 Standard heating curve

2.2 试验墙板及测点布置

试件尺寸为双面1900mm×600mm×50mm ALC板材所组成的夹芯墙板，U50轻钢隔墙龙骨尺寸为50 mm× 40mm×0.6mm，岩棉板选用的是密度为120 kg/m3的岩棉保温板。组合墙板总厚度为150mm，重量约85kg。石膏板所组成的夹芯墙板构造为双面4×12（mm）纸面石膏板，内置75mm厚岩棉保温层，组合墙板总厚度为171mm。同种板材水平布置两块A1、A2，用于同种板材之间的性能对比。热电偶温度测点布置如图4所示。

图4 试验墙板温度测点布置示意图Fig.4 Layout of temperature measuring points for test wall panels

2.3 墙板耐火试验结果

图5 为双面50mm厚ALC内龙骨夹芯墙板各测点温度-时间曲线图，墙板结构经单面受火1h后，其中横坐标为加热时间t，纵坐标为温度T。T-t曲线反映了构件各测点温度随加热时间变化的规律。由图5可知，墙板背火面温度呈缓慢上升趋势，单点最大温度为R7测点处45.6℃，受火1h时背火面各测点平均温度均不超过180℃，满足规范要求。

图5 试验墙板各测点温度-时间曲线Fig.5 Temperature-time curve of each measuring point of ALC wallboard

2.4 试验现象

试验过程中，双面50mm厚ALC夹芯墙板受火12min时结构顶端出现白烟，右侧烧结砖与框架连接部分同时出现少量白烟，部分烧结砖之间出现白烟。受火29min时，试验墙板之间保温砂浆由浅灰色渐变成乳白色，且产生少量垂直裂缝，靠近炉膛中间部分保温砂浆破裂。试验墙板之间保温砂浆沿纵向开裂。A1、A2试验墙板背火面均未出现破坏性裂缝以及颜色的变化。试验墙板背火面能保持其原有隔热性能，未发生穿透性破坏。

双面4×12(mm)纸面石膏夹芯墙板受火8min时结构顶端出现少量白烟。受火10min时结构左侧烧结砖与钢框架连接处出现少量白烟。受火29min时出现少量刺激性气味。受火40min时，试验墙板之间的保温砂浆由浅灰色渐变为白灰色，且产生大量垂直裂缝。左侧试验墙板背火面未产生形变以及颜色的变化，试验墙板背火面保持其原有隔热性能，未发生穿透性破坏。

2.5 墙板耐火试验结果分析

将试件受火面ALC墙板拆除后，耐火试验后试件背火面及其部件情况如图6所示。

图6 试验后墙板受火面各部分现象Fig.6 Surface phenomenon of wall panels after test

观察夹芯墙板内部龙骨框架和岩棉均未产生明显变化，轻钢龙骨框架未发生屈曲，墙板内岩棉板未产生碳化现象，轻钢龙骨与ALC墙板连接的自攻螺钉未发生变形。

试验结果显示，ALC夹芯墙板构件受火面呈现极好的完整性，高温下，试件受火面无任何破损，颜色未变化、裂缝未产生。温度较高处为靠近炉膛中上侧测点，其原因为该点靠近试验炉两侧喷火口外焰出处，相较于其他位置温度更高，上升趋势更快。但由于ALC板材导热系数非常低，不会引起整体试件的平均温度快速上升。

4×12(mm)纸面石膏夹芯墙板受火经1h受火后，试件受火面的纸面石膏板同样被完全烧坏，石膏板完全脱落，石膏失去保护能力。试件中心处板内轻钢龙骨以及岩棉被完全破坏，轻钢龙骨由亮银色变成黑色并发生屈曲。岩棉板失去保温能力，发生部分碳化以及硬化现象。轻钢龙骨与石膏板连接的自攻螺钉发生变形，失去其连接能力。石膏板产生破坏性裂纹，摩擦即碎，失去支撑能力发生整体脱落。受火后试件示意图如图7所示。

图7 试验后试件各部分现象Fig.7 Phenomenon of each part of the specimen after the test

3 有限元模拟概况

3.1 有限元模型建立

建筑发生火灾时，构件均承受单面受火情况，热量传递的方式分为热传递、热对流以及热辐射，在实际火灾下，围护结构材料温度变化随着受火时间而不断变化，传热过程属于瞬态传热过程[19]。基于Abaqus有限元软件，建立围护墙板三维实体模型，取同比例1900mm×600mm×50mm板材进行温度分析。

热分析模拟中，对于材料高温下的热工参数主要包括：密度、导热系数、比热容。高温对于导热系数与比热容的影响较大，而对于密度的影响可忽略不计，故热分析中对于围护结构及其部件密度取定值。

钢筋的热工系数参照规范建议进行取值，密度取7850kg/m3。ALC板材的导热系数与比热容随温度变化参照李献勇[20]中给出的研究，密度取500kg/m3。岩棉板密度取120kg/m3。

墙板模型受火面与试验炉内空气环境的对流换热系数取25W/m2，墙板模型背火面与室温空气环境的对流换热系数取10W/m2，综合辐射系数取0.7。设置室内温度为20℃。轻钢龙骨之间、轻钢龙骨与两侧板材使用Tie约束进行设置，忽略构件之间的摩擦。单元网格的划分中，网格属性选择“热传递”DC3D8八结点线性传热六面体单元。有限元模拟墙板建模情况如图8所示。

图8 有限元墙板建模Fig.8 Finite element wallboard modeling

3.2 有限元结果

试验墙板温度场模拟结果如图9所示。两种组合夹芯墙板截面温度云图分布由受火面向背火面传递。

图9 ALC、石膏板材温度云图Fig.9 ALC, Plaster panel temperature distribution

3.3 有限元结果与试验结果对比

因在有限元软件中，试验模型的单面受火为平面均匀受火，但在实际试验中受到试验炉火焰喷口位置、构件距离受火中心的远近等影响，容易导致时间受热不均匀，难以实现平面均匀受火的情况，故选取试验墙板中心处位置温度测点R3为对比，比较试验与有限元模拟的吻合度，试验数据与有限元模拟温度R3处温度曲线如图10所示。

图10 墙板中心处有限元与试验数据对比Fig.10 Comparison of finite element and test data at the center of wall panel

由试验数据与模拟拟合结果可知，ALC墙板中心处试验温度为35.7℃，而模拟结果约为32.9℃，试验数据与模拟结果相差甚微，且均满足规范要求，且上升区域呈现缓慢上升趋势。纸面石膏板温度曲线呈现先上升、中间平稳后续上升的形式，这是由于受火初期导致的温度缓慢上升，受火20min后，受火面石膏板发生破坏，导致轻钢龙骨框架与岩棉板形成的保温层暴露在火源，岩棉直接受火。因岩棉属于不燃型材料，且其导热系数低导致背火面石膏板温度基本平稳。在燃烧40min后，岩棉发生碳化现象，导致其导热系数升高，保温隔热能力降低，从而背火面纸面石膏板温度逐渐升高。

4 参数分析

为探究同种夹芯墙板结构中，墙板厚度与保温层厚度对墙板耐火性能的影响，对不同厚度墙板以及保温层厚度进行建模分析。板厚分别设置为50、75 mm厚，保温层厚度分别设置为38、50、75 mm，共计6种不同组合（表1)。有限元模拟结果如图11所示。

图11 模拟结果温度云图Fig.11 Temperature nephogram of simulation results

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

由图11可知，因有限元模拟中对于受火面的受火为均匀受火，表面温度在相同条件下均相同。Q1～Q3为保温层厚度对比，上升趋势在前30min基本无明显变化，由于受到受火面ALC墙板的保护，背火面温度无明显上升，与试验结果吻合。在板厚相同的情况下，保温层的厚度与背火面温度成反比，保温层越厚，背火面的温度越低，背火面的温度变化量不超过2%。虽然U60轻钢龙骨作为保温层时，背火面温度最小，但是由于与U50轻钢龙骨保温层差距几乎可以忽略不计。现阶段岩棉板厂家批量生产的岩棉板基本为50mm厚、80mm厚，若使用60mm厚的岩棉板作为保温层，需要将80mm厚沿厚度进行切割，反而加大了施工作业量，对此建议仍使用U50轻钢龙骨作为保温层框架。

Q1与Q4、Q2与Q5、Q3与Q6分别对应相同保温层厚度下，不同的板厚对背火面温度造成的影响。50mm厚ALC与75mm厚ALC在同条件下温度差为12℃左右。75mm厚ALC虽然能使构件的温度下降幅度较大，力学性能也相应变强，但对于框架结构的装配式变电站，围护结构不需承受太多载荷，且75mm厚ALC板材整体厚度较大，间接压榨了室内的可利用空间，且造价高于50mm厚ALC板材，从经济以及实用性角度考虑，50mm厚ALC为最佳选项。

5 结论

本文提出了一种新型墙板结构形式，对现有外挂墙板安装工艺进行改造，将轻钢龙骨框架与内外墙板结合一体，形成一体化墙板结构。通过单面受火耐火试验对整体围护结构进行研究，对试验墙板耐火极限、破坏形式进行分析。

(1) 对于50mm厚的ALC内龙骨夹芯墙板，试验结果表明试验墙板单点温度及平均温度均满足耐火极限规范要求，证明所设计的装配式夹芯内龙骨ALC板材具有良好的抗火能力，可作为建筑外墙板和内墙板使用。安装过程相较于现阶段安装工艺更为简单，减少工期以及现场作业量。

(2) 对于双面4×12(mm)厚纸面石膏夹芯墙板，试验结果表明结构同样满足规范要求，其背火面单点温度未达到耐火极限。且石膏板材相较于ALC墙板造价更低，整体板材厚度小于50mm厚ALC墙板，适用于室内以及厂房内墙板的使用。墙板整体重量低，利于运输安装，但因石膏板材属于脆性材料，需注意其发生弯曲而导致断裂。

(3) 从经济性、美观性角度而言，装配式建筑外墙板可选用双层50mm厚ALC夹芯墙板，内墙板可以选用双层纸面石膏夹芯墙板。