曹茜

(同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司)

0 引言

隨著交通密度的大幅度提升，頻繁發(fā)生的交通類火災使得交通基礎設施面臨著日益增多的風險。橋梁結(jié)構(gòu)作為交通基礎設施的重要組成部分，無論混凝土橋梁還是鋼結(jié)構(gòu)橋梁，遭遇火災都將對橋梁構(gòu)件及結(jié)構(gòu)造成極大的損傷，包括混凝土剝落、鋼板屈曲等。據(jù)不完全統(tǒng)計，最近十年我國可見報道的橋梁火災事故至少20 起。此外，統(tǒng)計分析表明火災致橋梁垮塌的數(shù)量約為地震垮塌數(shù)量的3 倍[1]。

橋梁處于開放空間使得火災與一般的房屋建筑火災顯著不同，尤其受環(huán)境因素影響極大，具體而言橋梁火災有如下特點[2-4]：

⑴可燃物復雜：橋梁火災主要源自各類車輛及其運載物，其可能包括為塑料及橡膠制品、危險化工品、石油、天然氣等。

⑵火災發(fā)生位置既可能是橋面上的任意位置，也可能是橋下，具有很強的隨機性：對于跨江、跨海大橋而言，其危險源主要為橋上行駛的車輛，火災多發(fā)生于橋面；對于城市高架橋、立交橋而言，危險源除了橋上行駛的車輛還有可能是橋下穿行的車輛。

⑶火災大?。很囕v及其運載物品引發(fā)的火災熱量釋放速率差異極大，從小汽車火災的1.5MW 到油罐車火災可能引起的300MW 熱釋放速率，其通常較房屋建筑火災大、火勢更為猛烈。

⑷火災受環(huán)境影響大：由于橋梁火災處于開放環(huán)境下，氧氣供應充足，同時受風的作用，火焰傾角、火焰溫度等具有顯著區(qū)域特征。

⑸救援難度：當橋梁火災發(fā)生時，容易造成橋上交通堵塞，大型滅火設備較難很快到達滅火地點。一些遠離城市的橋梁，救援途徑較為單一，消防人員到達的時間較長，有些甚至缺乏消防水源，更加增大了滅火救援的難度。

鑒于上述橋梁火災事故的特點以及其可能對生命、財產(chǎn)和社會造成的后果，對橋梁結(jié)構(gòu)的防火措施開展研究是十分必要的，特別是干線公路上的大型橋梁結(jié)構(gòu)，其安全性尤為重要。本文以公路懸索橋主纜與吊桿、斜拉橋拉索等關鍵構(gòu)件的防火隔熱為應用對象和目標，針對以玄武巖纖維織物結(jié)構(gòu)為代表的新材料抗火性能進行試驗研究，分析該類材料作為橋梁防火隔熱措施基礎材料的可行性，為提高橋梁抵抗火災風險的能力。

1 復合材料織物的抗火性能試驗設計

1.1 玄武巖纖維織物材料

玄武巖是巖漿噴發(fā)形成的火山巖，主要礦物是斜長石和輝石，呈古銅色。將玄武巖礦石破碎后在1450～1500℃下熔融紡后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制形成玄武巖纖維。玄武巖纖維材料性能同碳纖維相當，而價格比碳纖維低幾倍甚至幾十倍，相對玻璃纖維和碳纖維等有較為明顯的綜合優(yōu)勢，此外玄武巖在我國分布廣泛，由其制成的纖維能夠在土木工程中成為玻璃纖維、碳纖維的替代品。

玄武巖纖維作為綠色材料，近年來成為防火隔熱的首選材料，其具備質(zhì)輕、防火、隔熱、美觀等特點。由玄武巖纖維織物層、耐高溫橡膠層、聚酯纖維膜層、氣相沉淀鋁反射層和阻燃黏膠組成的玄武巖纖維復合防火隔熱材料擁有良好的阻燃隔熱耐高溫性能，在高溫環(huán)境下，能夠吸收一部分熱量，隔熱效果更好，同時不會燃燒，可以起到很好的防護作用，被應用于消防、石油化工、軍事和冶金等領域。

玄武巖纖維一般可在-263～900℃溫度下使用，導熱系數(shù)低，在25℃下，玄武巖纖維的導熱系數(shù)為0.04。在耐水性方面遠遠優(yōu)于玻璃纖維，吸濕能力0.2%～0.3%，而且其吸濕能力不隨時間變化，從而保證其在使用過程中的熱穩(wěn)定性、長壽性和環(huán)境協(xié)調(diào)性。以玄武巖纖維防火布為例，通常是用7～9μm 連續(xù)玄武巖纖維細紗編織而成的，其中有平紋布和緞紋布等，經(jīng)耐高溫、無毒害的涂層處理。其被廣泛地應用于不同領域，包括造船業(yè)、大型鋼結(jié)構(gòu)和電力維修的現(xiàn)場焊接、氣割的防護用品紡織、化工、冶金、劇院、軍工等通風防火和防護用品。此外，玄武巖纖維防火布為不燃材料，在1000℃火焰作用下，不變形、不爆炸、耐火在1 小時以上[5]。

1.2 試件設計及試驗方案

為探索玄武巖纖維織物作為橋梁防火隔熱措施的可行性，本研究對由玄武巖連續(xù)纖維制成的防火布進行熱傳導性能測試。本文所采用的玄武巖纖維布如圖1，其厚度為6.55mm，包括6mm 的內(nèi)襯和0.55mm 的玄武巖布。

圖1 玄武巖纖維防火布樣品

按GB51249－2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》[6]進行試驗用試件的制作，以滿足相關規(guī)定的試驗用試件。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》，防火布熱傳導系數(shù)測定的試件由鋼板底材表面包裹防火布而成，如圖2 所示。鋼板底材、熱電偶布置及試件厚度等應符合下列規(guī)定：

圖2 抗火性能試驗研究試件制作標準

⑴鋼板底材采用Q235B 鋼，規(guī)定尺寸為厚度16mm、長度300mm、寬度300mm，允許偏差為0.5mm；

⑵防火材料施工前，應在鋼板底材上安裝2 個熱電偶，熱電偶熱端位于鋼板中間厚度處；

⑶非膨脹防火材料試件數(shù)量為3 個。

按上述流程，首先如圖2 制作鋼材底材并安裝2 個熱電偶，其中熱電偶布置位置如圖所示；其次用待測試的防火布包裹鋼板底材，并將四周縫起制成試件。

利用燃氣式抗火試驗爐進行試件的受火實驗，該試驗爐的爐膛尺寸為1000mm×1000mm×1200mm，燃燒介質(zhì)為液化燃氣，通過2 個噴嘴提供火焰進行燃燒，其燃燒能力為24Nm3/h。燃燒過程由上海紅電自動化科技公司的REDFCS 軟件根據(jù)指定升溫曲線（如ISO 834 標準升溫曲線）進行，并采集試驗數(shù)據(jù)。

試驗爐的燃燒過程采用ISO834 標準升溫曲線：

T=T0+345log(8t+1) 式⑴

其中T0為環(huán)境溫度，t 為燃燒時間以分鐘計。試驗執(zhí)行期間環(huán)境溫度為T0=35℃。置于爐膛內(nèi)的試件隨著受火時間的增加，熱能通過防火布傳導進試件內(nèi)部的鋼板底材，由布置于鋼板上的熱電偶測量鋼板溫度變化并通過數(shù)據(jù)收集設備將其記錄，從而獲得防火布受火面內(nèi)側(cè)的溫度。

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 織物材料受火后試驗現(xiàn)象

在試驗過程中，由于試件置于抗火爐內(nèi)，試件表面及結(jié)構(gòu)的變化無法觀測。圖3 為試件在達到試驗結(jié)束條件后打開抗火爐所觀測到的現(xiàn)象。從外觀上看，防火布除顏色從褐色變?yōu)樽厣蚪裹S色以外，無明顯變化。此外，內(nèi)層材料受火后從原始蓬松的結(jié)構(gòu)變?yōu)槊軐嵉慕Y(jié)構(gòu)，仍具有一定強度。

2.2 抗火性能試驗結(jié)果

圖3 玄武巖纖維防火布受火后表觀現(xiàn)象

圖4 玄武巖纖維防火布受火溫度變化曲線

在關閉燃燒設備后，如圖所示爐膛內(nèi)溫度迅速降低。三個試件的溫度變化基本一致，隨著受火時間的增長，防火布內(nèi)側(cè)溫度逐漸增高。對比試件溫度與火焰溫度或抗火爐溫度，可以發(fā)現(xiàn)試件溫度明顯較低，如受火時間3600s 后，爐內(nèi)溫度達到1000℃左右而試件溫度仍在600℃左右。

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》關于熱傳導性能測試的規(guī)定，試驗結(jié)束的條件為試件內(nèi)鋼板的平均溫度到達540℃。測試材料的熱傳導性能可以由測試材料的厚度、試件到達540℃的受火時間、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)通過等效熱傳導系數(shù)和等效熱阻系數(shù)公式計算獲得，詳細計算公式如《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》給出，其結(jié)果如表1 所列。

表1 防火布的等效熱傳導系數(shù)和等效熱阻系數(shù)

3 結(jié)論

試驗過程中防火布未見燃燒的現(xiàn)象，防火布外觀顏色從褐色變?yōu)樽厣蚪裹S色，其余無明顯變化；內(nèi)層材料受火后從原始較為蓬松的結(jié)構(gòu)變?yōu)槊軐嵉膲K狀結(jié)構(gòu)。由受火時間與溫度變化曲線可見，在試驗過程中試件溫度明顯低于爐內(nèi)溫度；受火時間3600s 后，爐內(nèi)溫度達到1000℃左右而試件溫度在600℃左右。可見玄武巖纖維防火布具有顯著降低內(nèi)部鋼材溫度的能力，具有用于防火隔熱材料的價值，該現(xiàn)象由依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》計算獲得材料等效熱傳導系數(shù)和等效熱阻系數(shù)得到進一步驗證。