付彬彬，馮 勇，晉 強(qiáng)，史陽(yáng)光

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)

新疆是我國(guó)主要的產(chǎn)棉大?。?］。但是大量的棉花秸稈在秋季棉花采摘完成以后，作為廢棄物被焚燒或掩埋，使棉花秸稈可再利用價(jià)值沒(méi)有得到充分發(fā)揮，且焚燒產(chǎn)生的濃煙污染環(huán)境［2－3］。若將棉稈經(jīng)過(guò)加工制作成草磚作為填充墻的材料便能達(dá)到“變廢為寶”的目的［4－5］。由于棉花秸稈墻體具有較好的保溫性能，這對(duì)于廣大農(nóng)牧民節(jié)約冬季采暖燃煤和家庭開(kāi)支，減少固體廢棄物CO2和SO2等有害氣體排放量，具有較好的研究意義和社會(huì)應(yīng)用推廣價(jià)值。但棉花秸稈本身作為燃燒材料，把棉秸稈草磚作為墻體的填充材料，其耐火性受到人們的廣泛質(zhì)疑。棉稈草磚墻體的耐火性到底如何呢?這是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

在我國(guó)大部分學(xué)者都致力于將棉花秸稈粉碎，然后加化學(xué)粘結(jié)劑進(jìn)行處理，把加壓成型的纖維砌塊作為研究對(duì)象，且主要研究其物理力學(xué)或環(huán)保保溫等性能［6－8］，對(duì)其耐火性研究較少。到2011年，王禮，史毅等按照我國(guó)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法對(duì)3000 mm(寬)×3000 mm(高)×400 mm(厚)(360 mm稻草草磚雙面加10 mm草泥找平，掛鋼絲網(wǎng)片之后雙面加10 mm混合砂漿找平)的草磚墻做耐火性試驗(yàn)，研究表明墻體可以耐火3 h［9］。在國(guó)外，2001年丹麥以抹灰面的草磚墻作為耐火試驗(yàn)對(duì)象，研究表明經(jīng)過(guò)30 min的燃燒過(guò)程，向火面溫度達(dá)到1000℃時(shí)，背火面的溫度才升高了1℃ 。2006年美國(guó)以高為3 657.6 mm，寬為4 267.2 mm，厚度為508 mm(其中雙面有25.4 mm的抹灰層)的草磚墻為研究對(duì)象，試驗(yàn)表明其耐火極限超過(guò)1 h［11］。這些試驗(yàn)表明構(gòu)造合理的草磚墻滿足耐火性的要求。由于國(guó)內(nèi)外研究的墻體草磚大都是用稻草，麥秸稈壓制成型的，且墻體的厚度較厚。本實(shí)驗(yàn)以棉花秸稈壓制成型的草磚做成的非承重墻做為研究對(duì)象，并使墻體厚度減少到250 mm。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件的制作背景

現(xiàn)今大部分非承重墻體的填充材料一般都采用空心砌塊或陶粒砌塊，墻體的厚度為250 mm，但采用秸稈草磚制作的墻體厚度一般較大，主要是考慮墻體的承載能力和保溫性能，然而如此一來(lái)墻體便會(huì)占有很大的空間，尤其是對(duì)于房屋的隔墻而言，墻體厚度越大，房間的使用面積就越小。研究表明秸稈草磚墻體的保溫性能和承載能力與草磚的密度密切相關(guān)［12］。且試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明要使棉稈草磚滿足承載力要求，其平均密度應(yīng)＞90 kg/m 。所以本實(shí)驗(yàn)的研究思路是在滿足墻體承載能力的前提下盡可能減少墻體的厚度。然后選取非承重墻體的一部分進(jìn)行耐火試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 基本信息

(1)草磚機(jī):由旭田環(huán)保公司生產(chǎn)，最大壓力為50 t。

(2)試驗(yàn)用的草磚尺寸為200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(寬)，密度為134.375 kg/m3。

1.2.2 構(gòu)件的制作

(1)稱取質(zhì)量為2.15 kg的棉花秸稈，利用草磚機(jī)壓制成尺寸為200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(寬)的棉稈草磚。

(2)選取三塊草磚利用鋼絲將其固定住，再在兩側(cè)掛鋼絲網(wǎng)片并用U型鐵絲將其固定在草磚上。

(3)墻體兩側(cè)和頂部分別抹25 mm厚的水泥砂漿。最后制成的試驗(yàn)構(gòu)件的尺寸為250 mm(厚)×450 mm(寬)×625 mm(高)。墻體構(gòu)件的制作過(guò)程如圖1(a)、圖1(b)。

圖1 草磚的制作過(guò)程圖

2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)設(shè)備采用蘇州鐵塔噴燈有限公司生產(chǎn)的QD25—1烤漆汽油噴燈，試驗(yàn)時(shí)將噴燈火焰對(duì)準(zhǔn)墻體的中心位置并進(jìn)行明火加熱，火焰溫度大于1 000℃。溫度測(cè)量?jī)x器采用香港泰克曼公司生產(chǎn)的Infrared Thermometer TM550紅外線溫度測(cè)量?jī)x，儀器的量程為－50℃到500℃。試驗(yàn)步驟如下:

(1)由于墻體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)任選一面作為墻體的受火面，另一面便作為背火面，試驗(yàn)前先在背火面選擇溫度監(jiān)控點(diǎn)(如圖2所示)。

(2)利用紅外線溫度儀測(cè)量墻體背火面各溫測(cè)點(diǎn)的溫度值并將其作為試驗(yàn)構(gòu)件試驗(yàn)前各點(diǎn)的初始溫度。

圖2 構(gòu)件背火面溫度控點(diǎn)的布置圖

(3)用汽油噴燈對(duì)準(zhǔn)墻體受火面的中心位置進(jìn)行明火加熱，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證試驗(yàn)墻體的受火面暴露在汽油的外火焰里，且火焰溫度保持在最高水平。

(4)明火加熱每隔10 min用紅外線溫度測(cè)量?jī)x量測(cè)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的溫度并觀測(cè)每一點(diǎn)的升溫情況。若溫測(cè)點(diǎn)的溫度變化值突然增大時(shí)，測(cè)量時(shí)間間隔可以適當(dāng)縮小。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)中，用汽油噴燈燃燒大約2 min受火面墻體的水泥砂漿表面就開(kāi)始發(fā)黑，8 min左右水泥砂漿墻體表面就出現(xiàn)白色區(qū)域，緊接著在白色區(qū)域里出現(xiàn)了許多細(xì)小的裂縫。隨著時(shí)間的推移，裂縫越來(lái)越多并逐漸向四周延伸擴(kuò)散。在試驗(yàn)進(jìn)行到50 min時(shí)，試驗(yàn)構(gòu)件的頂部由于水泥砂漿硬化收縮產(chǎn)生的微小裂縫里出現(xiàn)少量的水汽。此時(shí)便在試驗(yàn)構(gòu)件的頂部再選取3個(gè)溫度測(cè)定點(diǎn)(如圖3)來(lái)觀察頂部溫度的變化。試驗(yàn)進(jìn)行70 min左右時(shí)頂部裂縫的寬度大約1mm左右，但并沒(méi)有其他明顯現(xiàn)象。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，墻體構(gòu)件的背火面和試驗(yàn)前相比沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化。

圖3 圖構(gòu)件頂部溫度控點(diǎn)的布置圖

3.2 背火面溫度變化

墻體構(gòu)件背火面的溫度變化值如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制溫升曲線如圖4所示。溫升值是指各個(gè)時(shí)刻的溫度值減去初始平均溫度得到的差值。試驗(yàn)開(kāi)始前構(gòu)件的表面溫度為試驗(yàn)前各測(cè)點(diǎn)溫度的平均值35.2℃。

表1 墻體構(gòu)件背火面各測(cè)點(diǎn)溫度變化 單位:℃

圖4 墻體背火面溫升曲線

從墻體背火面各測(cè)點(diǎn)溫升曲線中的數(shù)據(jù)可知，在汽油噴燈的燃燒下(火焰溫度大于1 000℃)，30 min后，墻體背火面的平均溫升只有1.45℃。到60 min時(shí)也是墻體背火面溫升的最大值只有2.77℃。由溫度變化表1中的數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，背火面測(cè)點(diǎn)最大的溫度值是39.7℃。根據(jù)規(guī)范［14］若在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)以下情況時(shí)試驗(yàn)構(gòu)件便達(dá)到耐火極限。具體的破壞特征如下:

(1)構(gòu)件隔熱性被破壞:試件背火面平均溫度溫升超過(guò)初始溫度140℃。試件背火面任一點(diǎn)的溫度溫升超過(guò)180℃。

(2)構(gòu)件耐火完整性被破壞:將樣墊貼近構(gòu)件背火面出現(xiàn)裂縫或竄出火焰等可疑位置，棉墊被點(diǎn)燃?；?qū)⒅睆綖? mm的探棒穿過(guò)裂縫并且可沿著裂縫長(zhǎng)度方向移動(dòng)不小于150 mm?；?qū)⒅睆綖?5 mm的探棒可以穿過(guò)裂縫。

(3)失去穩(wěn)定性:構(gòu)件出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

由此可知墻體背火面的溫升情況遠(yuǎn)低于耐火極限的判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 墻體構(gòu)件頂部的溫度變化

由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，大概50 min左右，墻體構(gòu)件的上部裂縫出現(xiàn)了少量水汽，且頂部溫度高于背火面的溫度值。為了準(zhǔn)確測(cè)定棉稈草磚非承重墻體的耐火極限，特將構(gòu)件頂部的溫度變化值進(jìn)行整理如表2。其各測(cè)點(diǎn)的溫升曲線如圖5。

表2 墻體構(gòu)件頂部各測(cè)點(diǎn)溫度變化 單位:℃

圖5 墻體頂部溫升曲線

從構(gòu)件頂部溫度變化表2可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，構(gòu)件頂部測(cè)點(diǎn)溫度的最高值是68.0℃。雖然較墻體背火面的溫度高一些，但距離耐火極限的判斷標(biāo)準(zhǔn)值還相差較遠(yuǎn)。從溫升曲線來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)最大的溫升值是29.76℃，仍然沒(méi)有達(dá)到耐火極限的臨界值140℃的要求。

試驗(yàn)構(gòu)件頂部棉花秸稈草磚并沒(méi)有燃著的原因主要是由于試驗(yàn)構(gòu)件外側(cè)的水泥砂漿表層有效的阻擋了外界火焰初期對(duì)墻體的燃燒破壞;鋼筋網(wǎng)片的加入不但能很好的固定棉稈草磚，還能使外層水泥砂漿與棉稈草磚有較好的連接作用，從而減少了內(nèi)部空氣的含量;利用草磚機(jī)壓制的棉稈草磚具有良好的密實(shí)性，使得內(nèi)部沒(méi)有可以助燃的氧氣，且墻體表層暴露在火焰中形成的碳化層有效的阻止了火焰向內(nèi)部蔓延。

3.4 試驗(yàn)后草磚的情況

試驗(yàn)結(jié)束后，墻體構(gòu)件的背火面并沒(méi)有明顯變化。其受火面的水泥砂漿面層變白并已脫落，表面的裂縫大約有3 mm。構(gòu)件頂部有微小裂縫的出現(xiàn)。將試驗(yàn)構(gòu)件在受火點(diǎn)中心割開(kāi)，可以清楚的看到棉稈草磚被燒過(guò)的碳化層，碳化層的直徑大約是10 cm，并且向火面碳化層并不是沿著著火點(diǎn)均勻向四周擴(kuò)散，而是呈現(xiàn)偏斜的趨勢(shì)，其中最長(zhǎng)的碳化層尺寸為20 cm左右(如圖6(a)、圖6(b)所示)。

圖6 試驗(yàn)后的墻體

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)內(nèi)填棉稈草磚的非承重墻在70 min火焰溫度大于1 000℃的燃燒下，可以得出以下結(jié)論:

(1)經(jīng)機(jī)械高壓制成的高密度草磚可以作為非承重墻體的填充材料，并且草磚厚度可以縮小到200 mm，如此可以增大住房的使用面積。

(2)試驗(yàn)墻體構(gòu)件的耐火極限超過(guò)70 min，達(dá)到《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［15］(GB50016－2006)對(duì)民用建筑非承重墻體的耐火極限要求;同時(shí)可以判定用棉稈草磚做成的非承重墻體的耐火等級(jí)為二級(jí)。

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