软木复合结构建筑柱体耐火性能研究

蒋 瞻 谢文博 王 正 刘中洋 赵天长

(1. 南京林业大学，江苏 南京 210037；2. 江苏森之虎建筑工程有限公司，江苏 南京 210000)

多年来，国内外相关研究人员一直致力于建筑物的防火研究[1-2]。20世纪80年代，英国出台了世界上第一部建筑防火性能规范。其后的30多年来，英国、澳大利亚、美国等国积极推动建筑防火性能的设计与研究工作，并取得了诸多成果[3-6]。我国从20世纪90年代才开始着手开展建筑防火性能研究，但因受研究人员局限、教育研究机构不健全等因素制约，使这项对建筑物关键性能的研究工作进展缓慢，如对木结构建筑的防火措施仅局限于在建筑表面上涂上防火材料[7]，或通过隔火焰、防热辐射、隔氧等手段提高其耐火性能，这些方法对建筑构件的防火保护作用十分有限。

现代木结构房屋中的梁、柱、墙、楼板、门、窗等是其关键的建筑部件。为了提升现代木结构建筑的柱体等结构的耐火能力[8-9]，本研究针对工程应用中常用的木柱、钢柱结构件，通过选用葡萄牙软木板与木柱和钢柱复合制成的防火复合结构柱部件，开展阻燃效果测试与对比研究，以期对进一步提高我国现代木结构建筑的防火性能技术水平提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

葡萄牙软木板由AMORIM ICB集团公司生产，厚度为10、30 mm，密度为0.118 g/cm3，导热系数为0.04 W/(m·K)，比热 ≥ 2.0 J/(g·℃)，其使用温度范围为-180～140 ℃，且在高温或冷冻条件下性能保持稳定，是一种很好的工程隔热材料。

GT-bond 186型改性硅烷树脂型密封胶，由美国格林里奇公司生产，密度为1.41 g/cm3，剪切强度为0.8 MPa，固化时间为0.3 h，伸长率为250%，VOC含量为0.02‰，甲醛含量为3.11 mg/kg。

实验仪器为：1) ET1120型红外测温仪。其精度为0.1 ℃；2) 丁烷燃烧器。其火焰方向与垂直方向夹角为45°，火焰温度 (1 000 ± 200) ℃，火焰长度约12 cm；3) 不锈钢燃烧架1只、秒表1只、钢直尺1把 (精度1 mm)、打火机1只。

1.2 实验试样的制备

本测试对象为6种木建筑柱体试件：

1) 未加葡萄牙软木保护的木柱 (M1，图1a)。其木柱材料为SPFⅡ级材、截面尺寸为65 mm × 65 mm。

2) 木柱单面加厚度为10 mm、密度为0.118 g/cm3葡萄牙软木板而制作的防火复合结构木柱 (M2，图1b)；其木柱材料为SPFⅡ级材、截面尺寸为65 mm × 65 mm。

3) 木柱单面加厚度为30 mm、密度为0.118 g/cm3葡萄牙软木板而制作的防火复合结构木柱 (M3，图1c)；其木柱材料为SPFⅡ级材、截面尺寸为65 mm × 65 mm。

4) 未加葡萄牙软木板保护的钢柱 (S1，图1d)；其钢柱材料为截面尺寸为100 mm × 100 mm，厚度为3 mm的Q235碳素钢无缝方钢管。

图1 6种木建筑柱体试件Fig.1 Six specimens with wooden column

5) 钢柱单面加厚度为10 mm，密度为0.118 g/cm3葡萄牙软木板而制作的防火复合结构钢柱 (S2，图1e)；其钢柱材料为截面尺寸为100 mm × 100 mm，厚度为3 mm的Q235碳素钢无缝方钢管。

6) 钢柱单面加厚度为30 mm，密度为0.118 g/cm3葡萄牙软木板而制作的防火复合结构钢柱 (S3，图1f)；其钢柱材料为截面尺寸为100 mm × 100 mm，厚度为3 mm的Q235碳素钢无缝方钢管。

上述木结构建筑防火复合结构的木柱M2、M3和防火复合结构的钢柱S2、S3的制作工艺为：在各2块基材为木柱和钢柱上均匀涂抹一层GT-bond 186型改性硅烷树脂型密封胶，1 min后将软木板粘贴在基材柱上，保持0.3 h时待其固化完成。依据GB/T 17657—2013 《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》 中4.19条款 《浸渍剥离性能测定》 对M2、M3、S2、S3防火复合柱试件进行检测，结果均合格。

1.3 实验方法

本实验参照GB/T 8626—2007 《建筑材料可燃性实验方法》 中规定的对用小火焰直接冲击垂直放置的试件，采用测定建筑制品可燃性的方法来测试木柱、钢柱，以及软木与基材柱 (木柱、钢柱) 的防火复合结构件的耐火性能。6种试件的耐火性能测试见图2。其中，采用锡箔制作收集盘，其面积为100 mm × 50 mm，厚度为10 mm。收集盘放在试样正下方，每次实验后更换收集盘；不锈钢支架置于收集盘上方；在点火处的正下方放置未经染色的崭新滤纸，其滤纸含灰量小于0.1%；燃烧器的燃料为丁烷，其火焰温度为 (1 000 ± 200) ℃、燃烧器角度为45°、燃烧器距试件水平距离为100 mm；实测环境温度为25.7 ℃，相对湿度为65%，符合环境温度为 (23 ± 5) ℃、相对湿度为 (50 ± 20) %的测试要求。

木柱和钢柱的测点位置见图3，其背火点为红外测温仪的测温点位置。测试过程为：点燃位于垂直方向的丁烷燃烧器，待火焰稳定后调节燃烧器微调阀，测量火焰高度；沿燃烧器的垂直轴线将丁烷燃烧器倾斜45°，水平推进，直至火焰抵达预设的点火处，开始计时；每隔30 s测一次背火面的2个测点温度，并详细记录。测试时，红外测温仪应对准火焰中心位置。每次测试时滤纸应及时更换并进行拍照取样。

图2 耐火性能测试Fig.2 Fire resistance test

图3 木柱和钢柱测点位置示意Fig.3 Measuring points of wooden and steel columns

2 结果与分析

2.1 M1、M2、M3测试结果与分析

实测木柱M1和防火复合木柱结构试件M2、M3的时间-温度曲线见图4。

由图4可知，当火焰喷射20 min后，试件M1的背火点1温度开始明显升高、背火点2则无明显升高。当火焰喷射至39 min时，试件M1的背火点2的温度急剧升高，并与背火点1温度处在同一水平，此时M1木柱试件已达到耐火极限。2个测点所测温度为火焰烧穿木柱后穿过木柱背火面的火焰温度。

试件M2在火焰喷射22 min时的背火点1的温度开始升高，而背火点2处的温度则无明显变化。当火焰喷射至43 min后，M2试件的背火点1处的温度开始急剧升高。由于试件已达到耐火极限，火焰已经蔓延到背火点2，背火点2附近的温度为火焰温度。

试件M3在火焰喷射26 min时的背火点1的温度开始升高，而背火点2处的温度则无明显变化。当火焰喷射至48 min后，M3试件的背火点1处的温度开始急剧升高，由于试件已经达到耐火极限，火焰已经蔓延到背火点2，背火点2附近的温度为火焰温度。

耐火性能检测实验后的2种木柱对比发现，M1木柱的状态明显比M3木柱差 (图5)。

木柱M1和防火复合木柱结构试件M2、M3耐火极限见图6。

由图6可知，木柱M1和防火复合木柱结构试件M2、M3的耐火极限值分别为39、43、48 min。显然，M3试件的耐火极限明显高于未加葡萄牙软木板保护的M1试件。M1试件在20 min时的背火面开始有明显的温度升高，而M2试件23 min后才开始有明显升高，M3试件30 min后才有明显升高。由此可得，10 mm厚的葡萄牙软木板可提高木柱的耐火极限4 min左右，30 mm厚的葡萄牙软木板可提高木柱的耐火极限9 min左右。

图4 木柱M1和防火复合木柱结构试件M2、M3的时间-温度曲线Fig.4 Time-temperature curve of M1, M2 and M3

图5 耐火性能检测实验后的2种木柱Fig.5 Two kinds of wooden columns after fire resistance test

图6 木柱M1和防火复合木柱结构试件M2、M3耐火极限Fig.6 Fire resistance limit time of M1, M2 and M3

2.2 S1、S2、S3测试结果与分析

实测钢柱S1和防火复合钢柱结构试件S2、S3的时间-温度曲线见图7。

由图7可知，试件S1背火点1的温度从计时开始便随时间不断升高，0.5 min时的背火点1的温度达到217.2 ℃；6.5 min后背火点1处的温度已接近火焰温度；背火点2处的温度随时间缓慢升高。

防火复合钢柱结构试件S2背火点1处温度从计时开始缓慢升高；14 min后葡萄牙软木板失去对钢柱的保护作用，背火点1处的温度开始急剧升高，背火点2处的温度变化较缓慢；17.65 min时的背火点1的温度达到217.2 ℃。

防火复合钢柱结构试件S3背火点1处温度从计时开始缓慢升高；20 min后葡萄牙软木板失去对钢柱的保护作用，背火点1处的温度开始急剧升高，背火点2处的温度变化较缓慢；23.22 min时的背火点1的温度达到217.2 ℃。

图7 钢柱S1和防火复合钢柱结构试件S2、S3的时间-温度曲线Fig.7 Time-temperature curve of S1, S2 and S3

钢柱S1和防火复合钢柱结构试件S2、S3耐火极限见图8。

图8 钢柱S1和防火复合钢柱结构试件S2、S3耐火极限Fig.8 Fire resistance limit time of S1, S2 and S3

从图8中可知，S1试件从点火开始背火面温度就不断升高；S2试件在点火14 min后背火面的温度才开始明显急剧增加，此时的葡萄牙软木板丧失对钢柱的保护作用；而S3试件在20 min后背火面温度才开始有明显急剧增加。由此可知，10 mm厚的葡萄牙软木板可增加钢柱的耐火极限值14 min左右，30 mm厚的葡萄牙软木板可增加钢柱耐火极限值20 min左右。

2.3 测试实验后滤纸情况

测试后检查放置在试件正下方的滤纸 (图9)，发现有葡萄牙软木保护的M2、M3、S2、S3防火复合结构件在燃烧实验中产生的滴落物均未引燃滤纸；而没有葡萄牙软木保护的M1、S1试件则在燃烧实验中产生的滴落物引燃了滤纸。由此推断，有葡萄牙软木板保护的柱结构件在火灾中不会掉落高温滴落物，以免对人身财产造成的进一步伤害。

图9 耐火性能检测实验后的滤纸Fig.9 Filter paper after fire resistance test

3 结 论

葡萄牙软木板越厚，其与木柱的复合结构件的耐火极限时间则越长。对于同规格的木柱，10 mm厚的葡萄牙软木板可提高木柱耐火极限值时间约4 min，30 mm厚的葡萄牙软木板可提高约9 min。而对于同规格的钢柱，10 mm厚的葡萄牙软木板可提高钢柱耐火极限值时间约14 min，30 mm厚的葡萄牙软木板可提高约20 min。

在相同厚度的葡萄牙软木板保护下，软木板与钢柱结合的复合结构件的防火作用优于与木柱结合的复合结构件。有葡萄牙软木板保护的防火复合结构柱件在火灾中不会产生高温滴落物，可防止其对人身财产造成危害。