呂清芳 王維揚 劉 燁

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)(2四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室, 成都 610065)

竹材具有與木材相似的一些特性,如可再生、生長周期短、可生物降解、加工過程中產(chǎn)生的污染較少等[1-3].雖然竹子是一種很有前景的木材替代品,但結(jié)構(gòu)中空,直徑較小,限制其應(yīng)用發(fā)展[4].為提高竹子的利用率以及尺寸穩(wěn)定性,提出了一系列以膠合竹和重組竹為主的現(xiàn)代工程竹產(chǎn)品.膠合竹需要以大直徑竹材作為原材料；重組竹則以小徑雜竹為原料,對原材料的要求更低.重組竹[1]是由毛竹經(jīng)過軟化、疏解、浸膠、烘干、組胚、熱壓等工序加工而成,竹絲在組胚時單向排列,具有明顯的單向受力性能,因此在需要雙向受力的構(gòu)件方面,重組竹的應(yīng)用受到限制.

為了提高工程竹雙向受力的性能,受到正交膠合木(cross-laminated timber,CLT)的啟發(fā),文獻[5-7]均提出了一種新型的膠合竹——正交膠合竹(cross-laminated bamboo,CLB).CLB是由多層重組竹單板通過正交膠合二次加工制成,具有良好的尺寸穩(wěn)定性和雙向受力性能.

在竹、木結(jié)構(gòu)中,尤其是在竹、木多高層結(jié)構(gòu)中,確保結(jié)構(gòu)的防火安全尤為重要[8].近年來,學(xué)者們開展了大量關(guān)于工程竹的炭化性能[9-10]、火損后力學(xué)性能[11-12]的研究.Xu等[13]采用錐形熱量儀測試了多種木材及工程竹材的炭化速度,并與標準火災(zāi)爐試驗進行對比,建立了兩者的轉(zhuǎn)化關(guān)系.Chen等[11-12]進行了工程竹柱四面火損以及工程竹梁三面火損后的力學(xué)性能試驗研究,其中工程竹類型包含膠合竹和重組竹2類,結(jié)果表明膠合竹構(gòu)件的炭化速度較重組竹構(gòu)件更高.崔兆彥等[10]依據(jù)ISO 834-1火災(zāi)試驗方法進行了16根重組竹構(gòu)件三面和四面火損試驗,通過對比多種木材,考慮圓角區(qū)影響提出重組竹材多面火損條件下名義炭化速度為0.7 mm/min,為重組竹結(jié)構(gòu)災(zāi)后剩余截面計算提供重要參數(shù)依據(jù).Xiao等[14]通過對足尺輕型膠合柱框架進行火災(zāi)試驗,研究了房屋整體結(jié)構(gòu)火災(zāi)表現(xiàn)及構(gòu)件災(zāi)后損傷情況,分析了膠合竹墻體抗火性能和單面炭化性能,為現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

然而,目前對于CLB構(gòu)件的研究主要集中于其力學(xué)性能[15]、保溫性能[5]等方面,而關(guān)于炭化性能以及火損后力學(xué)性能的研究未見報道.本文通過CLB板的單面火損試驗以及殘余承載力試驗,研究了火損后CLB板力學(xué)性能的退化規(guī)律,為CLB板的防火設(shè)計提供依據(jù).

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

本試驗對3個試驗組(N組、J組和M組,每組包含3塊試件)和1個對照組(R組,包含3塊未火損的CLB板)進行單面火損后的力學(xué)性能測試,試件詳情見表1.R組試件和N組試件未進行任何阻燃處理；J組試件的火損面涂刷防火涂料,防火涂料采用北京景泰消防科技有限公司生產(chǎn)的JT-01飾面型防火涂料,涂刷厚度約為3 mm；M組試件是通過采用質(zhì)量分數(shù)為20%的磷酸二氫銨(MAP)溶液浸泡竹絲1 h后,浸膠、熱壓重組竹單板二次加工而成.除R組試件外,其余各組中的3個試件分別進行45、60、75 min時長的單面火損試驗.

表1 CLB板試件詳情

所有CLB板件的幾何尺寸均為1 500 mm×430 mm×100 mm,由5層20 mm厚的重組竹單板正交膠合而成.如圖1所示,其順紋層是一塊完整的重組竹單板,而橫紋層由多塊重組竹單板拼合而成.重組竹單板的原料取自于安徽黃山的毛竹,其平均體積密度為1 180 kg/m3,采用?，擜S981水分測試儀測得其含水率為8%.

圖1 CLB構(gòu)造分解圖(單位:mm)

重組竹單板中基體和重組竹單板之間的膠粘劑在高溫下的性能將影響CLB板的抗火性能及其火損后的殘余承載力.重組竹單板中的基體采用脲醛樹脂,其熱解溫度范圍為200～300 ℃[16-17].重組竹單板之間的膠粘劑為日本艾克結(jié)構(gòu)膠,其主要成分為間苯二酚樹脂.

1.2 單面火損試驗

CLB板單面火損試驗在東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室內(nèi)的小型多用途耐火試驗爐中進行,燃料為天然氣.小型多用途耐火試驗爐如圖2所示,內(nèi)壁尺寸為1 800 mm×1 200 mm×500 mm,爐底鋪滿耐火磚,爐四周包裹耐火棉,爐頂則根據(jù)需要使用包裹著耐火棉的厚鋼板進行密封.CLB板水平放置于爐內(nèi),其短邊擱置于耐火磚上,擱置長度以及支座間凈距分別為150和1 200 mm.并采用ISO 834-1標準升溫曲線作為爐溫的升溫曲線.如圖3所示,為避免板側(cè)面受火,形成多面受火,采用耐火棉包裹CLB板側(cè)面及底面邊緣,用耐熱鐵絲環(huán)繞并用螺絲釘固定.

圖2 小型多用途耐火試驗爐(單位:mm)

圖3 耐火棉包裹方式

1.3 殘余承載力試驗

如圖4所示,通過四點彎曲加載試驗對火損后的N、J、M三組試件以及對照組試件進行CLB板殘余承載力分析.正式加載前,對試件進行3 kN的預(yù)加載,以檢驗設(shè)備的工作性能是否完好.然后,以5 kN/min的加載速度開始加載,直至CLB試件破壞.所有試件的凈跨長度為1 400 mm,剪跨長度為467 mm.

(a) 試驗加載裝置

(b) 位移計布置圖

如圖4(b)所示,在CLB板跨中和支座處設(shè)置位移計,用于測量CLB板跨中豎向位移以及支座豎向位移,板中撓度取跨中位移與支座位移平均值之差.使用KD7024型靜態(tài)應(yīng)變儀自動采集位移,作動器施加的荷載從傳力梁傳遞到CLB板,荷載由試驗機直接記錄.

在加載過程中,部分火損后的CLB板存在跨中撓度過大的現(xiàn)象.針對撓度過大的CLB板,將ISO 834-1規(guī)范中的極限撓度作為試件破壞的判定指標,即

(1)

式中,Δ為板的跨中撓度；Lc和T分別為板的凈跨長度和板的厚度.CLB板的Lc和T分別為1 400和100 mm,因此Δ=49 mm.

由此可知,CLB板的極限承載力等于板的破壞荷載或者板的極限撓度所對應(yīng)的荷載.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 炭化現(xiàn)象

部分CLB板單面火損后的炭化現(xiàn)象如圖5所示.受到耐火棉的保護,CLB火損面達到了單面火損的目標.

(a) N60受火面

(c) J60受火面

(e) M60受火面

對比無阻燃處理、火損時長不同的試件,N45火損面部分炭化至第2層表面；N60火損面部分炭化至第3層,第2層部分脫落并且發(fā)生翹曲現(xiàn)象(見圖5(a)和(b))；N75火損面完全炭化至第3層,第2層完全脫落.因此,隨著火損時長的增長,CLB板的炭化程度也逐漸加深.

對比不同阻燃處理方式下N、J、M三組試件,無阻燃處理的N60試件火損面部分炭化至第3層；火損面涂刷JT-01防火涂料的J60試件的炭化程度與N45相似,其火損面部分炭化至第2層表面；浸漬MAP溶液阻燃劑的M60試件的炭化程度與N60相似,僅略低于N60.因此,不同阻燃處理方式、相同火損時長試件的炭化程度由高到低依次為:無阻燃處理的N組試件、浸漬MAP溶液阻燃劑的M組試件、火損面涂刷JT-01防火涂料的J組試件.其中,火損面涂刷防火涂料的J組試件的炭化程度明顯低于N組和M組試件；而浸漬MAP溶液阻燃劑的M組試件的炭化程度僅略低于N組試件.

2.2 殘余承載力

由四點彎曲加載試驗測得的3組火損后CLB板試件以及對照組R組試件的荷載-位移曲線如圖6所示.其中,R組試件的荷載-位移曲線取R組3個試件的荷載-位移曲線平均值.當試件N75、J75和M75的跨中撓度達到式(1)所計算得到的49 mm時,試件仍未發(fā)生脆性破壞.因此,其荷載-位移曲線中的失效點可由式(1)求得的極限撓度確定.其他試件的破壞模式均為脆性斷裂破壞,荷載-位移曲線中的失效點由試件脆性破壞點來決定,失效點所對應(yīng)的荷載即為極限承載力.

(a) R組試件與N組試件

對比未進行阻燃處理的N組試件與對照組R組試件,試件的極限承載力隨著火損時長的增加而減少.從圖6(b)和(c)中同樣可以發(fā)現(xiàn)J組試件和M組試件具有相同的規(guī)律.這主要是因為隨著火損時長的增加,試件炭化程度加深,導(dǎo)致試件的有效截面不斷減少,從而降低了其極限承載力.

為定量評估單面火損后CLB板的殘余承載力,將火損后CLB板的極限承載力與未火損CLB板的極限承載力的比值定義為殘余承載力系數(shù).各CLB板的極限承載力及殘余承載力系數(shù)見表2.未進行火損試驗的R組3個試件的平均極限承載力為69.50 kN,即為未火損CLB板的極限承載力.火損面部分炭化至第2層表面的N45試件的極限承載力和殘余承載力系數(shù)分別為37.12 kN和53.4%,而火損面部分炭化至第3層的N60試件和火損面全部炭化至第3層的N75試件的殘余承載力系數(shù)較低,均不足20%.

表2 極限承載力與殘余承載力系數(shù)

對比未進行阻燃處理的N組試件與火損面涂刷JT-01防火涂料的J組試件,試件J45和J60的極限承載力系數(shù)分別為72.6%和61.5%,為N45和N60的1.36和3.31倍.由此表明,當火損時長相同時,火損面涂有防火涂料的試件的極限承載力明顯高于未經(jīng)阻燃處理過的試件.然而,試件J75的極限承載力系數(shù)較低,僅為10.6%,這可能是由于試件在火損過程中局部膠層失效較為嚴重,破壞了試件的整體性.

浸漬MAP溶液阻燃劑的M組試件中,試件M45、M60和M75的極限承載力分別為24.32、8.70和7.63 kN,分別低于試件N45、N60和N75的極限承載力.然而,由2.1節(jié)中的炭化現(xiàn)象可知,M組試件的炭化程度略低于N組試件,即M組試件的剩余截面大于N組試件.這說明浸漬阻燃劑對CLB板承載力產(chǎn)生負面影響.究其原因在于,浸漬阻燃劑降低了竹絲的黏結(jié)性能,進而降低了CLB板的整體性和承載能力.已有研究表明,酸性阻燃劑會顯著降低木材的強度,并且高溫使得酸降解的速度加快,從而進一步降低木材的強度和剛度[18].因此,竹絲浸漬阻燃劑(磷酸二氫銨溶液)可能影響竹絲本身的力學(xué)性能,從而降低了CLB板的承載能力.阻燃劑對竹絲材性以及膠體(重組竹自身基體以及重組竹板之間的結(jié)構(gòu)膠)黏結(jié)性能的影響將在以后工作中進行研究.

綜上所述,涂刷防火涂料的CLB板單面火損后殘余承載力最高,這是因為防火涂料延緩了CLB板的炭化,并且涂刷防火涂料不影響材料本身的力學(xué)性能.浸漬阻燃劑雖然也能延緩CLB板的炭化,但同時對CLB板的材性產(chǎn)生了影響,反而使其殘余承載力低于未受任何阻燃方式處理的試件.

3 炭化速度分析

在N組、J組和M組試件的殘余承載力試驗結(jié)束后,將試件在板跨中位置沿著板厚方向鋸開,測量其剩余截面高度(不包含膠層失效所產(chǎn)生的縫隙寬度),結(jié)果見圖7.單面火損后CLB板的炭化深度由板火損前的截面高度(100 mm)減去測量得到的剩余截面高度計算得到,而炭化速度通過炭化深度除以火損時長求得.CLB板的炭化速度計算結(jié)果見表3.

圖7 CLB板剩余截面高度測量示意圖

表3 CLB板的炭化速度

對比火損時長相同、阻燃處理方式不同的N組、J組和M組試件,無阻燃處理的N組試件炭化速度最高,浸漬MAP溶液阻燃劑的M組試件其次,而在火損面涂刷JT-01防火涂料的J組試件炭化速度最低.試件M45、M60和M75的炭化速度與相同火損時長下N組3個試件的炭化速度之比分別為0.875、0.913和0.883,因此浸漬阻燃劑可使CLB板的炭化速度降低10%左右.對比N組試件和J組試件的火損時長和炭化深度可以發(fā)現(xiàn),火損時長45 min的試件N45的炭化深度與火損時長60 min的試件J60相近,火損時長60 min的試件N60的炭化深度與火損時長75 min的試件J75相近.因此,在火損面涂刷3 mm厚的防火涂料可以將CLB板的炭化延遲15 min.

對比N組、M組試件中可以發(fā)現(xiàn),火損時長為45 min試件的炭化速度最低,火損時長為75 min試件的炭化速度其次,而火損時長為60 min試件的炭化速度最高.然而,J組試件呈現(xiàn)出與N組、M組試件不同的規(guī)律,在J組試件中,隨著火損時長的增加,試件的炭化速度反而增加,這是因為CLB板順紋層的炭化速度和橫紋層的炭化速度不同.不同于一整塊重組竹單板的順紋層,橫紋層由多塊重組竹單板拼合而成,這使得橫紋層在火損時更易發(fā)生翹曲、脫落等現(xiàn)象(見圖5(b)和(f)),導(dǎo)致其炭化速度較順紋層更高.由加權(quán)的概念可知,當CLB板炭化至順紋層時,板的炭化速度將減慢；而當CLB板炭化至橫紋層時,板的炭化速度將加快.因此,炭化至第2層(橫紋層)的N45試件火損15 min后,其炭化速度從0.56 mm/min加快到0.80 mm/min；而炭化至第3層(順紋層)的N60試件火損15 min后,其炭化速度減慢到0.77 mm/min.

4 結(jié)論

1) 相同阻燃處理方式下,CLB板的炭化程度隨火損時長的增加而加劇.當火損時長相同時,不同阻燃處理方式下CLB板的炭化程度由高到低依次為無阻燃處理試件、浸漬阻燃劑試件、火損面涂刷防火涂料試件.浸漬阻燃劑可使CLB板的炭化速度降低10%左右,火損面涂刷3 mm厚的防火涂料可以將CLB板的炭化延遲15 min.

2) 將單面火損后CLB板極限承載力與未火損CLB板極限承載力的比值定義為殘余承載力系數(shù).不同火損時長下的CLB板承載能力明顯降低,殘余承載力系數(shù)為10.6%～72.6%.

3) 相同阻燃處理方式下CLB板的殘余承載力隨火損時長增加而減小.當火損時長相同時,不同阻燃劑處理方式下CLB板的殘余承載力由高到低依次為火損面涂刷防火涂料試件、無阻燃處理試件、浸漬阻燃劑試件.浸漬阻燃劑雖然能夠提高CLB板的炭化性能,但同時也降低了CLB板的力學(xué)性能.考慮到不同阻燃處理方式對CLB板的抗火性能以及承載能力的影響,建議將CLB板火損面涂刷防火涂料的方式作為CLB板的阻燃方式.

4) 無阻燃處理的CLB板在火損時長45、60、75 min時的炭化速度分別為0.56、0.80、0.77 mm/min.由于本文所研究的CLB板的順紋層為一整塊重組竹單板,而橫紋層由多塊重組竹單板拼合而成,故其橫紋層炭化速度高于順紋層.