王仁壘，陳振益，許世華

五邑大學(xué)，廣東 江門 529000

0 引言

從20 世紀(jì)80 年代我國引入冷彎薄壁輕鋼，輕鋼結(jié)構(gòu)在低層建筑中展現(xiàn)出旺盛的生命力，輕鋼結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)在建構(gòu)效率、空間適應(yīng)性等方面具有巨大優(yōu)勢。同其它鋼結(jié)構(gòu)建筑一樣，低層輕鋼房屋在耐火性能方面有所欠缺，尤其是農(nóng)村自建輕鋼別墅，由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)管，防火性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相關(guān)規(guī)范要求。針對(duì)輕鋼房屋防火，一些專家學(xué)者提供了相應(yīng)意見，郝愛玲［1］對(duì)比中外各國輕鋼防火規(guī)范，提出增加防火石膏板的厚度和增設(shè)水泥基外墻板來提高輕鋼墻體耐火極限，王曉磊［2］則提到采用石棉進(jìn)行建筑外墻的防火，張明［3］以實(shí)際工程為例，針對(duì)樓板、柱和非承重墻防火分別做了三組試驗(yàn)，根據(jù)不同的耐火極限要求，給出了相應(yīng)的輕鋼防火構(gòu)造。

輕鋼墻體的耐火性能涉及輕鋼房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是客戶和企業(yè)共同關(guān)注的一個(gè)問題。屈服強(qiáng)度是鋼材力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一般來說，鋼材的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度＞300℃時(shí)，屈服平臺(tái)已經(jīng)不明顯，當(dāng)溫度＞400℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度會(huì)迅速降低，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材幾乎完全喪失承載力［4］。實(shí)際使用過程中，一般火場溫度在800～1000℃，沒有防火設(shè)計(jì)的輕鋼墻體，十幾分鐘會(huì)發(fā)生坍塌［5］。

1 輕鋼墻體防火措施

目前我國鋼結(jié)構(gòu)主要的防火措施大致有三大類：截留法、疏導(dǎo)法和消防噴淋［6］。截流法的基本原理是阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到輕鋼龍骨上，使得輕鋼龍骨在一定時(shí)間內(nèi)溫升不超過規(guī)范要求；疏導(dǎo)法是將火災(zāi)產(chǎn)生的熱量疏導(dǎo)到別的介質(zhì)上，例如充水冷卻，即在空性方柱中注滿水，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，水蒸發(fā)吸熱，溫度在水消耗前維持在100℃；消防噴淋就是安裝自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，在火災(zāi)即將發(fā)生之初，消滅火源。截留法又可分為噴涂法、包封法、澆筑法等。其中噴涂法就是將防火涂料噴涂在輕鋼表面，以達(dá)到耐火的作用；包封法是指在輕鋼骨架上外掛防火板材，通過包裹輕鋼的方式達(dá)到防火效果。

2 輕鋼墻體防火措施對(duì)比分析

截流法和疏導(dǎo)法都是為了使輕鋼龍骨在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，溫升不超過閾值，不同的是截流法采用的是阻滯的方式使得溫度不能輕易傳導(dǎo)到輕鋼龍骨上，而疏導(dǎo)法采用的是吸收的方式，即便熱量傳導(dǎo)到輕鋼龍骨上，也能被構(gòu)件里面的水吸收［7］。兩者相比較，疏導(dǎo)法更可靠、更科學(xué)。不過，疏導(dǎo)法要防止輕鋼銹蝕以及水冷凍，在工程技術(shù)上難度更高，且安裝不便。因此，目前我國輕鋼房屋主要采取截流法防火措施。

截流法中噴涂法和包封法是使用較多的兩種措施。噴涂法相對(duì)于包封法而言操作更加簡便，且短時(shí)間內(nèi)成本更低，不過，噴涂法存在許多問題：防火涂料組成物質(zhì)大多數(shù)是有機(jī)物在日照、風(fēng)吹等環(huán)境下容易老化，耐久性不好；涂料燃燒會(huì)釋放NH3、HCL 等有毒有害氣體，危害人體健康，膨脹型的涂料壽命遠(yuǎn)低于輕鋼龍骨，一段時(shí)間后完全失去了防火性能［8］。包封法在耐火極限、耐久性、穩(wěn)定性和安全性上都比噴涂法好，且從建筑全壽命周期看，經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)更好［7］。輕鋼結(jié)構(gòu)外使用石膏板等防火板材，不僅具有防火功能，同時(shí)還有裝飾作用，而且通過高強(qiáng)螺釘固定在輕鋼龍骨上，具有增強(qiáng)蒙皮效應(yīng)，加強(qiáng)輕鋼墻體 整體結(jié)構(gòu)性能。當(dāng)然，在實(shí)際工程中，通常三種措施可以組合使用，本論文采用的是包封法。

3 防火板材的種類

常用的防火板材有防火石膏板、纖維水泥板、硅酸鈣板、玻鎂板等。防火石膏板由傳統(tǒng)紙面石膏板發(fā)展而來，紙面石膏板芯材主要成分是建筑石膏與水化合而成的二水石膏晶體，即二水硫酸鈣晶體，其主要防火原理是石膏板二水硫酸鈣中兩個(gè)結(jié)晶水遇熱脫離蒸發(fā)帶走大量熱量以及其遇熱整體性較好，不會(huì)發(fā)生脫落。其防火時(shí)間＞60min［9］。硅酸鈣板由硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、增強(qiáng)纖維材料等按一定比例，模壓制成。論文實(shí)驗(yàn)擬選的防火板材是防火石膏板和纖維水泥板。

4 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)墻體的隔熱性和完整性，根據(jù)（GB/T9978.1-2008），當(dāng)承重分隔構(gòu)件背火面平均溫度大于初始平均溫度140℃或者任一位置溫升大于初始溫度180℃，均判定該試件喪失隔熱性；當(dāng)非承重構(gòu)件達(dá)到下列條件之一，均判定該試件喪失完整性：

（1）試件棉墊被點(diǎn)燃；

（2）縫隙探棒可以穿過試件裂縫；

（3）背火面出現(xiàn)火焰并持續(xù)時(shí)間＞10s［10］。

4.1 第一次輕鋼墻體耐火試驗(yàn)

4.1.1 試件概括

試件的結(jié)構(gòu)為：12mm水泥纖維板+100mm玻璃棉+89mm龍骨+9mmOSB 板+12mm 防火紙面石膏板，玻璃棉嵌在龍骨內(nèi)，龍骨用的是型號(hào)為LQ550 的薄壁型輕鋼，厚度為0.8mm，屈服強(qiáng)度為500MPa。試件迎火面采用豎向七塊水泥纖維板以及橫向兩塊水泥纖維板進(jìn)行拼合，背火面是豎向七塊防火紙面石膏板和橫向兩塊防火紙面石膏板拼合，截面尺寸為2990mm×2870mm、厚度為122mm的墻體。接縫間隙約2mm，采用水泥基防火膩?zhàn)犹羁p抹平。墻體構(gòu)造詳圖如下：

圖1 第一次試驗(yàn)墻體構(gòu)造及參數(shù)

4.1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)開始3min 左右，迎火面水泥纖維板受熱炸裂，玻璃棉受熱收縮，背部輕鋼失去保護(hù)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到27min，背火面OSB 板燃燒，背火面出現(xiàn)火焰且持續(xù)時(shí)間＞10s，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

4.2 第二次輕鋼墻體耐火試驗(yàn)

4.2.1 試件概括

根據(jù)第一次的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，進(jìn)行改進(jìn)，首先將12mm 水泥纖維板取消，用40mm 巖棉代替，巖棉外用鋼帶固定，防止巖棉脫落，用1mm 厚鋼板代替OSB 板。其結(jié)構(gòu)為：40mm巖棉+9mm玻璃棉+89mm龍骨+1mm鋼板+12mm防火石膏板+12mm 防火石膏板。巖棉容重為120kg/m3，防火石膏板用長為35mm 自攻螺釘固定在輕鋼龍骨上，螺釘間距為200mm。石膏板與石膏板之間的縫隙以及石膏板上打螺栓處涂抹水泥基防火膩?zhàn)?。墻體構(gòu)造詳圖如下：

圖2 第二次實(shí)驗(yàn)墻體構(gòu)造及參數(shù)

4.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)開始5min 后，燃燒爐內(nèi)有煙溢出，實(shí)驗(yàn)場地有刺激性氣味；實(shí)驗(yàn)開始20min，刺激性氣味逐漸變淡，背火面石膏板用手觸摸，有溫?zé)岣校粚?shí)驗(yàn)開始40min，墻面整體從中間內(nèi)凹，左上角拼縫處防火紙面石膏板逐漸變焦黑；實(shí)驗(yàn)開始80min，左上角接縫處縫隙變大，可以看見被燒紅的輕鋼；實(shí)驗(yàn)開始90min，墻體整體完整性良好，隔熱性指標(biāo)均穩(wěn)定，滿足相關(guān)規(guī)范要求，試驗(yàn)終止。

4.3 第三次輕鋼墻體耐火試驗(yàn)

4.3.1 試件概括

本次實(shí)驗(yàn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)同第二次實(shí)驗(yàn)相同，構(gòu)件結(jié)構(gòu)為：40mm巖棉+9mm 玻璃棉+89 龍骨+1mm 鋼板+12mm 防火石膏板+12mm 防火石膏板，紙面石膏板防水性能不足，通常做內(nèi)墻裝飾板材。本次實(shí)驗(yàn)迎火面為防火紙面石膏板一側(cè)，因此，構(gòu)件石膏板一側(cè)為內(nèi)墻，巖棉一側(cè)為外墻，即本次為內(nèi)墻防火實(shí)驗(yàn)。

圖3 第三次實(shí)驗(yàn)墻體構(gòu)造及參數(shù)

4.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

點(diǎn)火后1min 左右，背火面頂部有少許煙氣冒出，是石膏板表面紙面燃燒產(chǎn)生的煙；5 分鐘左右，背火面頂部和側(cè)邊縫隙處有水汽冒出，是石膏板內(nèi)結(jié)晶水蒸發(fā)；30min 左右，構(gòu)件整體向中間凹陷，并隨溫度上升凹陷程度不斷加劇，此時(shí)，構(gòu)件左上角接縫處有短暫性火苗冒出；45min 左右，構(gòu)件縫隙不斷變大，可以看到爐內(nèi)紅色高溫火焰；60min 時(shí)，背火面巖棉不斷變黑，背火面熱電偶的單點(diǎn)溫度超過初始溫度180℃。墻體吊出冷卻后，引火面的紙面石膏板有部分脫落，石膏板變脆，一碰便碎，龍骨受損嚴(yán)重。

試件背火面溫度隨時(shí)間變化曲線如下圖所示，曲線溫度平臺(tái)持續(xù)到35min 左右，該平臺(tái)持續(xù)時(shí)間較長，主要是本次迎火面為雙層石膏板而石膏分子中有大量的結(jié)晶水，受熱過程中釋放大量的水蒸氣。石膏板在高溫下強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)后期有局部脫落現(xiàn)象，當(dāng)爐內(nèi)溫度到達(dá)1000℃左右時(shí)，背火面單點(diǎn)溫度升溫超過180℃，試件失去隔熱性。

圖4 背火面溫升曲線

4.4 試驗(yàn)小結(jié)

表1 試件結(jié)構(gòu)方案及結(jié)果

通過對(duì)當(dāng)下輕鋼房屋墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由相應(yīng)的耐火試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后的方案是否滿足規(guī)范要求，若不滿足，再根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果，繼續(xù)改進(jìn)方案，再通過試驗(yàn)驗(yàn)證，直至滿足防火規(guī)范要求。三次試驗(yàn)結(jié)果見表1。

第二次和第三次試驗(yàn)的試件結(jié)構(gòu)一樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一樣，是因?yàn)閮擅娴姆阑鸩牧戏阑鹦阅懿灰粯訉?dǎo)致的。根據(jù)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果，在后續(xù)的試驗(yàn)和實(shí)際工程中，需要注意以下幾點(diǎn)要求：

（1）實(shí)際施工時(shí)，要保證輕鋼鋼材和高強(qiáng)螺釘?shù)馁|(zhì)量；

（2）OSB 板、石膏板要用高強(qiáng)螺釘固定在輕鋼龍骨上，即便是多層板，最外層的板也要直接固定在輕鋼龍骨上；

（3）各板材之間應(yīng)該錯(cuò)縫搭接，并盡量減少接縫，拼縫處以及螺釘表面必須采用防火水泥膩?zhàn)踊蚱渌阑鹜苛咸羁p抹平。

5 結(jié)語

論文聚焦農(nóng)村冷彎薄壁輕鋼自建房墻體防火問題，梳理了輕鋼墻體防火設(shè)計(jì)方法以及外掛防火板材種類。本文針對(duì)水泥纖維板受熱易炸裂特點(diǎn)，利用巖棉代替水泥纖維板；針對(duì)OSB板易燃特點(diǎn)，利用1mm 鋼板取代OSB 板，從而可將輕鋼房的耐火極限提高到1～1.5h，滿足了房屋防火規(guī)范要求。