棉花秸秆草砖墙体耐火性的试验研究

付彬彬，冯 勇，晋 强，史阳光

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)

新疆是我国主要的产棉大省［1］。但是大量的棉花秸秆在秋季棉花采摘完成以后，作为废弃物被焚烧或掩埋，使棉花秸秆可再利用价值没有得到充分发挥，且焚烧产生的浓烟污染环境［2－3］。若将棉秆经过加工制作成草砖作为填充墙的材料便能达到“变废为宝”的目的［4－5］。由于棉花秸秆墙体具有较好的保温性能，这对于广大农牧民节约冬季采暖燃煤和家庭开支，减少固体废弃物CO2和SO2等有害气体排放量，具有较好的研究意义和社会应用推广价值。但棉花秸秆本身作为燃烧材料，把棉秸秆草砖作为墙体的填充材料，其耐火性受到人们的广泛质疑。棉秆草砖墙体的耐火性到底如何呢?这是一个值得深入研究的问题。

在我国大部分学者都致力于将棉花秸秆粉碎，然后加化学粘结剂进行处理，把加压成型的纤维砌块作为研究对象，且主要研究其物理力学或环保保温等性能［6－8］，对其耐火性研究较少。到2011年，王礼，史毅等按照我国建筑构件耐火试验方法对3000 mm(宽)×3000 mm(高)×400 mm(厚)(360 mm稻草草砖双面加10 mm草泥找平，挂钢丝网片之后双面加10 mm混合砂浆找平)的草砖墙做耐火性试验，研究表明墙体可以耐火3 h［9］。在国外，2001年丹麦以抹灰面的草砖墙作为耐火试验对象，研究表明经过30 min的燃烧过程，向火面温度达到1000℃时，背火面的温度才升高了1℃ 。2006年美国以高为3 657.6 mm，宽为4 267.2 mm，厚度为508 mm(其中双面有25.4 mm的抹灰层)的草砖墙为研究对象，试验表明其耐火极限超过1 h［11］。这些试验表明构造合理的草砖墙满足耐火性的要求。由于国内外研究的墙体草砖大都是用稻草，麦秸秆压制成型的，且墙体的厚度较厚。本实验以棉花秸秆压制成型的草砖做成的非承重墙做为研究对象，并使墙体厚度减少到250 mm。

1 试验材料

1.1 试验构件的制作背景

现今大部分非承重墙体的填充材料一般都采用空心砌块或陶粒砌块，墙体的厚度为250 mm，但采用秸秆草砖制作的墙体厚度一般较大，主要是考虑墙体的承载能力和保温性能，然而如此一来墙体便会占有很大的空间，尤其是对于房屋的隔墙而言，墙体厚度越大，房间的使用面积就越小。研究表明秸秆草砖墙体的保温性能和承载能力与草砖的密度密切相关［12］。且试验结果说明要使棉秆草砖满足承载力要求，其平均密度应＞90 kg/m 。所以本实验的研究思路是在满足墙体承载能力的前提下尽可能减少墙体的厚度。然后选取非承重墙体的一部分进行耐火试验。

1.2 试验条件

1.2.1 基本信息

(1)草砖机:由旭田环保公司生产，最大压力为50 t。

(2)试验用的草砖尺寸为200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(宽)，密度为134.375 kg/m3。

1.2.2 构件的制作

(1)称取质量为2.15 kg的棉花秸秆，利用草砖机压制成尺寸为200 mm(高)×200 mm(厚)×400 mm(宽)的棉秆草砖。

(2)选取三块草砖利用钢丝将其固定住，再在两侧挂钢丝网片并用U型铁丝将其固定在草砖上。

(3)墙体两侧和顶部分别抹25 mm厚的水泥砂浆。最后制成的试验构件的尺寸为250 mm(厚)×450 mm(宽)×625 mm(高)。墙体构件的制作过程如图1(a)、图1(b)。

图1 草砖的制作过程图

2 试验设备和方法

试验设备采用苏州铁塔喷灯有限公司生产的QD25—1烤漆汽油喷灯，试验时将喷灯火焰对准墙体的中心位置并进行明火加热，火焰温度大于1 000℃。温度测量仪器采用香港泰克曼公司生产的Infrared Thermometer TM550红外线温度测量仪，仪器的量程为－50℃到500℃。试验步骤如下:

(1)由于墙体是对称结构任选一面作为墙体的受火面，另一面便作为背火面，试验前先在背火面选择温度监控点(如图2所示)。

(2)利用红外线温度仪测量墙体背火面各温测点的温度值并将其作为试验构件试验前各点的初始温度。

图2 构件背火面温度控点的布置图

(3)用汽油喷灯对准墙体受火面的中心位置进行明火加热，在实验过程中保证试验墙体的受火面暴露在汽油的外火焰里，且火焰温度保持在最高水平。

(4)明火加热每隔10 min用红外线温度测量仪量测各个监控点的温度并观测每一点的升温情况。若温测点的温度变化值突然增大时，测量时间间隔可以适当缩小。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

试验中，用汽油喷灯燃烧大约2 min受火面墙体的水泥砂浆表面就开始发黑，8 min左右水泥砂浆墙体表面就出现白色区域，紧接着在白色区域里出现了许多细小的裂缝。随着时间的推移，裂缝越来越多并逐渐向四周延伸扩散。在试验进行到50 min时，试验构件的顶部由于水泥砂浆硬化收缩产生的微小裂缝里出现少量的水汽。此时便在试验构件的顶部再选取3个温度测定点(如图3)来观察顶部温度的变化。试验进行70 min左右时顶部裂缝的宽度大约1mm左右，但并没有其他明显现象。在整个试验过程中，墙体构件的背火面和试验前相比没有出现明显变化。

图3 图构件顶部温度控点的布置图

3.2 背火面温度变化

墙体构件背火面的温度变化值如表1所示。根据表1中的数据绘制温升曲线如图4所示。温升值是指各个时刻的温度值减去初始平均温度得到的差值。试验开始前构件的表面温度为试验前各测点温度的平均值35.2℃。

表1 墙体构件背火面各测点温度变化 单位:℃

图4 墙体背火面温升曲线

从墙体背火面各测点温升曲线中的数据可知，在汽油喷灯的燃烧下(火焰温度大于1 000℃)，30 min后，墙体背火面的平均温升只有1.45℃。到60 min时也是墙体背火面温升的最大值只有2.77℃。由温度变化表1中的数据可知，在整个试验过程中，背火面测点最大的温度值是39.7℃。根据规范［14］若在试验过程中出现以下情况时试验构件便达到耐火极限。具体的破坏特征如下:

(1)构件隔热性被破坏:试件背火面平均温度温升超过初始温度140℃。试件背火面任一点的温度温升超过180℃。

(2)构件耐火完整性被破坏:将样垫贴近构件背火面出现裂缝或窜出火焰等可疑位置，棉垫被点燃。或将直径为6 mm的探棒穿过裂缝并且可沿着裂缝长度方向移动不小于150 mm。或将直径为25 mm的探棒可以穿过裂缝。

(3)失去稳定性:构件出现坍塌现象。

由此可知墙体背火面的温升情况远低于耐火极限的判定标准。

3.3 墙体构件顶部的温度变化

由于在实验过程中，大概50 min左右，墙体构件的上部裂缝出现了少量水汽，且顶部温度高于背火面的温度值。为了准确测定棉秆草砖非承重墙体的耐火极限，特将构件顶部的温度变化值进行整理如表2。其各测点的温升曲线如图5。

表2 墙体构件顶部各测点温度变化 单位:℃

图5 墙体顶部温升曲线

从构件顶部温度变化表2可知，试验结束时，构件顶部测点温度的最高值是68.0℃。虽然较墙体背火面的温度高一些，但距离耐火极限的判断标准值还相差较远。从温升曲线来看，各测点最大的温升值是29.76℃，仍然没有达到耐火极限的临界值140℃的要求。

试验构件顶部棉花秸秆草砖并没有燃着的原因主要是由于试验构件外侧的水泥砂浆表层有效的阻挡了外界火焰初期对墙体的燃烧破坏;钢筋网片的加入不但能很好的固定棉秆草砖，还能使外层水泥砂浆与棉秆草砖有较好的连接作用，从而减少了内部空气的含量;利用草砖机压制的棉秆草砖具有良好的密实性，使得内部没有可以助燃的氧气，且墙体表层暴露在火焰中形成的碳化层有效的阻止了火焰向内部蔓延。

3.4 试验后草砖的情况

试验结束后，墙体构件的背火面并没有明显变化。其受火面的水泥砂浆面层变白并已脱落，表面的裂缝大约有3 mm。构件顶部有微小裂缝的出现。将试验构件在受火点中心割开，可以清楚的看到棉秆草砖被烧过的碳化层，碳化层的直径大约是10 cm，并且向火面碳化层并不是沿着着火点均匀向四周扩散，而是呈现偏斜的趋势，其中最长的碳化层尺寸为20 cm左右(如图6(a)、图6(b)所示)。

图6 试验后的墙体

4 结论

通过对内填棉秆草砖的非承重墙在70 min火焰温度大于1 000℃的燃烧下，可以得出以下结论:

(1)经机械高压制成的高密度草砖可以作为非承重墙体的填充材料，并且草砖厚度可以缩小到200 mm，如此可以增大住房的使用面积。

(2)试验墙体构件的耐火极限超过70 min，达到《建筑设计防火规范》［15］(GB50016－2006)对民用建筑非承重墙体的耐火极限要求;同时可以判定用棉秆草砖做成的非承重墙体的耐火等级为二级。

［1］刘 健.棉花秸秆草砖的试制及草砖房屋的设计研究［D］.乌鲁木齐:新疆农业大学，2011.

［2］冯 勇，何金春，晋 强，等.浅谈棉花秸杆草砖在新疆“抗震安居”工程墙体中的应用［J］.建筑科技与经济，2010，(12):34-35.

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［4］晋 强，胡向红，母俊景，等.抗震民居建筑材料的类型［J］.建筑，2009，(4):63-64.

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［14］全国消防标准化技术委员会建筑构件耐火性能与技术委员会.GB/T9978.1—2008.建筑构件耐火试验方法［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［15］中华人民共和国建设部.GB50016－2006.建筑设计防火规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.