异形阻燃木-混凝土组合梁耐火特性实验*

李 峥，温江术，马中飞

(江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

当前，木结构建筑在欧美较为盛行，如美国、加拿大北美地区90%以上的新建筑采用木结构[1-4]。在我国民用和中小型工业厂房、公园、旅游景区、公共休闲区及别墅、古建筑等可见到较多木结构，且新农村住房、地震多发区、旅游区、城市生态友好型住宅和景观建筑等领域也将对木结构进一步应用[5]。木结构建筑(包括木梁)有结构稳定性高、环保、节能、舒适、抗震、隔音、耐久性强、施工简便、保护资源等优点，但有耐火性能差的致命缺点[6]。国内外木-混凝土结构耐火研究较少，异形阻燃木-混凝土组合梁耐火性能研究鲜见相关报道。相较于木地板系统，木-混凝土结构具有高强度和高刚度，能够减少挠度上的偏转，增加安全性及耐火性[7-8]。张晋等[9]进行木梁4面受火实验以及受火后的剩余受弯承载力实验研究，结果表明木梁极限承载力、极限位移、刚度、弯曲弹性模量随着受火时间增加而减小；防火涂料能有效降低炭化速度,提高受火后剩余承载力、极限位移、刚度,防火效果显著。Klingsch等[10]在标准ISO火灾下进行木-混凝土复合板耐火实验，发现木-混凝土结构在60 min和90 min内表现出良好耐火性及完整性。此外，容七英等[11]研究发现在木结构中加入防火涂料可有效改善其耐火阻燃性能。因此，本文提出并进行Π形和T形的异形阻燃木-混凝土组合梁耐火性能的实验，以期改善木结构的防火能力。

1 异形阻燃木-混凝土组合梁防火的提出

木材和混凝土是来源广泛、价格低廉的建筑材料。根据燃烧特性，不考虑长度方向，建筑结构的梁在火灾中被认为下面和两侧面均为受火状态。据相关资料，木材、混凝土的高温性能有所不同，木材导热系数一般为0.1～0.2 W/(m·K)，强度降低的起始温度为200 ℃[12]。普通混凝土的导热系数为1.63 W/(m·K)，强度降低的起始温度为300 ℃，在300～800 ℃时，混凝土强度为常温时强度的一半；温度高于800 ℃时，强度降为0[13]。木材表面喷涂阻燃涂料后燃烧形成的绝缘焦层可对热量形成屏蔽作用，从而减少木材受热[14]。木在上、混凝土在下的阻燃木-混凝土组合梁具有上述木材特点[15-16]。与混凝土梁比，阻燃涂料和木材的低导热系数还可减少整体梁的升温。异形阻燃木和混凝土组合能够使梁剩余承载能力提高，并具有可再生、加工时低耗能和能储藏等优点。与木梁比，由于3面有混凝土保护，异形木接触受火温度降低，组合梁的升温与强度降低起始温度差值减少，利于耐火，且正常承载力约是传统木结构的3倍，抗弯刚度是传统木结构的6倍左右。木材表面燃烧时会发生炭化作用而防止内部燃烧保持其结构的整体性，比钢或钢筋混凝土更耐火[17]。因此，提出用木在上、混凝土在下的Π形或T形的异形阻燃木-混凝土组合梁提高耐火性能是可行的。

2 异形阻燃木-混凝土组合梁耐火特性实验

2.1 实验用异形阻燃木-混凝土组合梁制作

3种实验梁采用的混凝土主要为C30卵石混凝土，其成分及配合比见表1。实验的Π形和T形木采用胶合板，阻燃涂料成分及配比如表2所示，其中其他组分主要是纳米SiO2、蛋壳粉和海泡石(配比1∶5∶3)。

表1 实验用C30卵石混凝土成分及配合比Table 1 Composition and ratio of C30 pebble concrete used in experiments

实验采用的异形阻燃木-混凝土组合梁尺寸分3批浇筑，每批6块。采用胶合板加工成Π形和T形结构后，对其表面进行除尘、除油污，并用不同规格砂纸打磨平整。采用刷涂工艺将阻燃涂料均匀涂2～3遍。待风干后再次涂刷，间隔时间为2～4 h，使涂料总量达到450～500 g/m2，涂层厚度在0.6～1 mm之间。涂刷阻燃涂料后的木构件，贮存于干燥通风的室内，温度控制在10～35 ℃之间。木和混凝土采用凹口连接，浇筑在木板凹口中的混凝土形成榫的形式限制混凝土板与木板之间的相对位移。

表2 异形木-混凝土组合梁阻燃涂料成分及配比Table 2 Composition and ratio of flame retardant coatings for special-shaped wood and concrete composite beams

2.2 实验系统

试件升温和产烟实验系统按ISO-834标准进行设计，由风机、标准电阻炉、风道、热电偶、试件、数据采集模块、综合烟气分析仪等组成，如图1所示。热电偶采用Omega PART#TJ120-CASS-116-40K型，热电偶在3种梁截面上的布置如图2所示，分别为测点T1～T4、测点Π1～Π4、测点C1～C4，共计12个。热电偶数据采集模块为I-7018分布式，可接8路热电偶输入模块。综合烟气分析仪为Testo320型，并配有烟气、O2、CO及空气温度传感器，数据热电偶采集模块、综合烟气分析仪与电脑相连。

图1 升温、产烟实验系统Fig.1 Experimental system of heating and smoke production

图2 热电偶在梁截面的布置Fig.2 Arrangement of thermocouples in beam section

剩余承载力实验采用SYE-2000型液压式压力机进行，压力机以6～10 kN/s的速度对试件连续均匀加压，直至3种试件被破坏，记录其破坏荷载。实验参数设置为外观尺寸880 mm×480 mm×1 400 mm，最大载荷2 000 kN，电机功率0.75 kW，承压板间最大距离为320 mm。

2.3 实验结果与分析

2.3.1 试件升温变化

梁底测点T1、Π1、C1和顶部测点T4、Π4、C4随时间的升温变化如图3所示。由图3(a)可以看出，全混凝土梁梁底部温度受火后稳定在850 ℃，Π形和T形木-混凝土组合梁温度稳定在800 ℃。由图3(b)可知，全混凝土梁梁顶部温度受火后稳定在300 ℃，Π形和T形木-混凝土组合梁温度稳定在100 ℃。相较于全混凝土梁，Π形和T形木-混凝土组合梁在顶部受火温度下降更为明显，近67%。梁顶部温度显示，异形阻燃木-混凝土组合梁升温明显低于全混凝土梁；梁底部温度显示，异形阻燃木-混凝土组合梁升温略低于全混凝土梁。这是由于在Π形和T形木-混凝土组合梁受火后，木材导热率低，阻燃涂料中的聚磷酸铵与三聚氰胺在燃烧过程中急剧分解形成炭层，阻止热量的传递，同时纳米SiO2具有优异的热量屏蔽作用，蛋壳粉中的碳酸钙因与空气的导热系数较小，阻燃木的阻燃涂层膨胀过程吸收热量，使得Π形和T形木-混凝土组合梁上部受火最高温度均低于强度降低起始温度。

图3 梁顶底部测点升温变化Fig.3 Temperature rise change of measuring point at bottom of beam top

3种试件受火90 min后12个测点的温度如图4所示。其中，T3、T4、Π2、Π3、Π4设在胶合木或木混凝土交界处。测点T4、Π4的温度为175℃左右，均低于强度降低起始温度，且均低于全混凝土梁C4受火温度近44%。T3、Π3测点的温度为240～250 ℃，位于木和混凝土强度降低起始温度之间，表明异形阻燃木-混凝土组合梁上部多数区域未达强度变形起始温度，且分别低于全混凝土梁C3受火温度近34%和37%。测点C1～C4温度均超300 ℃，其原因为混凝土导热性能强，全混凝土梁升温快，从而超过强度降低起始温度。

图4 试件受火90 min后各测点温度情况Fig.4 Temperature of each measuring point after fire exposure of specimen for 90 min

2.3.2 受火后宏观变化

3种试件受火后实验现象如图5所示。实验发现，升温90 min后，全混凝土梁破坏最严重，Π形阻燃木-混凝土组合梁破坏较轻，T形阻燃木-混凝土组合梁破坏细微。全混凝土梁升温15 min后出现细小裂缝，并产生白烟。之后裂缝开裂，形成不规则的网状裂缝，并随温度升高而发展。冷却一段时间后，结构边缘程破碎，丧失承载力。Π形或T形的异形阻燃木-混凝土组合梁升温10 min后出现白烟。升温30 min左右烟气量达到最大，而后烟气减小，间断产生。升温20～25 min后阻燃涂层开始膨胀，混凝土表面出现裂缝，随温度升高，混凝土颜色由红-粉红-灰-浅黄变化。升温90 min后，Π形阻燃木-混凝土组合梁中下部有较长的裂缝，T形阻燃木-混凝土组合梁有细微裂缝。

图5 实验现象Fig.5 Experimental phenomena

3种梁升温90 min后的中部外形如图6所示。全混凝土梁在高温状态下混凝土失水后结构界面裂缝快速发展，破坏最严重；在相同高温下木-混凝土组合梁裂纹形变均好于全混凝土梁，且阻燃木在受火后因涂覆于表面的阻燃涂料组分分解、炭化，形成保护炭层，具有较好的抗拉强度，阻止热量进一步向木结构内部的传递。纳米SiO2、蛋壳粉中的碳酸钙与绿色环保的海泡石赋予胶合木良好的防热性能和隔热性能，延缓木材的断裂变形，同时阻止混凝土裂缝发展。图6显示，Π形组合梁相较于T形组合梁，阻燃涂层较薄，不利于内部木结构形成致密的炭化层进而保护未燃区域免受火灾侵害。

图6 3种梁升温90 min后中部形貌Fig.6 Morphology of middle part of three beams after heating for 90 min

2.3.3 剩余承载力

3种试件受火前后承载力情况如表3所示。标准火实验前，Π形阻燃木-混凝土组合梁、T形阻燃木-混凝土组合梁以及全混凝土梁试件的峰值载荷分别为36.2，36.1，32.4 MPa。受火90 min后分别降低至10.2，14.6，7.1 MPa，受火后与受火前的承载力比值为28.2%，40.4%，21.9%。由此看出，木-混凝土组合结构对结构梁的高温后力学性能改善效果好。T形阻燃木-混凝土组合梁试件剩余承载力最大，Π形阻燃木-混凝土组合梁次之，全混凝土梁最差。

全混凝土梁在高温状态下混凝土失水后结构界面裂缝快速发展，抗拉强度迅速降低至原有的近78%，剩余承载力差；在相同高温下木-混凝土组合梁承载能力(抗拉能力)强于全混凝土梁，受火后阻燃木表面涂料分解形成炭层，能够阻止混凝土裂缝发展并降低抗拉强度下降速度，使得Π形、T形的阻燃木-混凝土组合梁整体抗拉强度增大，剩余承载力增强。

表3 3种试件在不同条件下的承载力Table 3 Bearing capacity of three specimens under different conditions

2.3.4 烟气产生量

3种试件受火后CO浓度随时间变化如图7所示。由图7可知，异形阻燃木-混凝土组合梁曲线峰值明显高于全混凝土梁，70 min后趋于平稳。其中，T形的阻燃木-混凝土组合梁在20 min后CO浓度急速上升，Π形组合梁和全混凝土梁在10 min后CO浓度更快达到峰值。也就是说Π形、T形的阻燃木-混凝土组合梁试件受火后CO产生量大于全混凝土梁，但发烟速率小于全混凝土梁，且T形组合梁发烟更缓慢。可能原因是胶合木在点燃后增大了CO的产生，混凝土对胶合木有一定的保护作用和抑烟作用。此外，受热后的混凝土强度下降，使得木结构暴露于火焰中。阻燃涂料中的聚磷酸铵与三聚氰胺分解产生的CO等气体大量释放，加之木材阴燃，导致Π形、T形的阻燃木-混凝土组合梁试件烟气产量较大。

图7 3种试件CO浓度随时间变化曲线Fig.7 Variation curved of CO concentration with time for three specimens

3 结论

1)异形阻燃木-混凝土组合梁是提高木结构耐火性能的有效手段之一。

2)异形阻燃木-混凝土组合梁受火后损坏情况轻于全混凝土梁。异形阻燃木-混凝土组合梁上部多数区域未达强度降低起始温度，全混凝土梁均超过强度降低起始温度。

3)T形阻燃木-混凝土组合梁试件受火后剩余承载力最大，耐火能力最强，Π形组合梁次之，全混凝土梁最差。

4)异形阻燃木-混凝土组合梁受火后的产烟量大于全混凝土梁，产烟速率小于全混凝土梁。