装配式轻钢房屋防火设计探究

王仁垒，陈振益，许世华

五邑大学，广东 江门 529000

0 引言

从20 世纪80 年代我国引入冷弯薄壁轻钢，轻钢结构在低层建筑中展现出旺盛的生命力，轻钢结构相比传统砖混结构和框架结构在建构效率、空间适应性等方面具有巨大优势。同其它钢结构建筑一样，低层轻钢房屋在耐火性能方面有所欠缺，尤其是农村自建轻钢别墅，由于缺乏相应的监管，防火性能远远达不到相关规范要求。针对轻钢房屋防火，一些专家学者提供了相应意见，郝爱玲［1］对比中外各国轻钢防火规范，提出增加防火石膏板的厚度和增设水泥基外墙板来提高轻钢墙体耐火极限，王晓磊［2］则提到采用石棉进行建筑外墙的防火，张明［3］以实际工程为例，针对楼板、柱和非承重墙防火分别做了三组试验，根据不同的耐火极限要求，给出了相应的轻钢防火构造。

轻钢墙体的耐火性能涉及轻钢房屋结构的稳定性，是客户和企业共同关注的一个问题。屈服强度是钢材力学性能的一个重要指标，一般来说，钢材的屈服强度随着温度的升高而降低。当温度＞300℃时，屈服平台已经不明显，当温度＞400℃时，钢材的强度会迅速降低，当温度达到600℃时，钢材几乎完全丧失承载力［4］。实际使用过程中，一般火场温度在800～1000℃，没有防火设计的轻钢墙体，十几分钟会发生坍塌［5］。

1 轻钢墙体防火措施

目前我国钢结构主要的防火措施大致有三大类：截留法、疏导法和消防喷淋［6］。截流法的基本原理是阻滞火灾产生的热量传导到轻钢龙骨上，使得轻钢龙骨在一定时间内温升不超过规范要求；疏导法是将火灾产生的热量疏导到别的介质上，例如充水冷却，即在空性方柱中注满水，火灾发生时，水蒸发吸热，温度在水消耗前维持在100℃；消防喷淋就是安装自动喷淋系统，在火灾即将发生之初，消灭火源。截留法又可分为喷涂法、包封法、浇筑法等。其中喷涂法就是将防火涂料喷涂在轻钢表面，以达到耐火的作用；包封法是指在轻钢骨架上外挂防火板材，通过包裹轻钢的方式达到防火效果。

2 轻钢墙体防火措施对比分析

截流法和疏导法都是为了使轻钢龙骨在规定时间内，温升不超过阈值，不同的是截流法采用的是阻滞的方式使得温度不能轻易传导到轻钢龙骨上，而疏导法采用的是吸收的方式，即便热量传导到轻钢龙骨上，也能被构件里面的水吸收［7］。两者相比较，疏导法更可靠、更科学。不过，疏导法要防止轻钢锈蚀以及水冷冻，在工程技术上难度更高，且安装不便。因此，目前我国轻钢房屋主要采取截流法防火措施。

截流法中喷涂法和包封法是使用较多的两种措施。喷涂法相对于包封法而言操作更加简便，且短时间内成本更低，不过，喷涂法存在许多问题：防火涂料组成物质大多数是有机物在日照、风吹等环境下容易老化，耐久性不好；涂料燃烧会释放NH3、HCL 等有毒有害气体，危害人体健康，膨胀型的涂料寿命远低于轻钢龙骨，一段时间后完全失去了防火性能［8］。包封法在耐火极限、耐久性、稳定性和安全性上都比喷涂法好，且从建筑全寿命周期看，经济效益表现更好［7］。轻钢结构外使用石膏板等防火板材，不仅具有防火功能，同时还有装饰作用，而且通过高强螺钉固定在轻钢龙骨上，具有增强蒙皮效应，加强轻钢墙体 整体结构性能。当然，在实际工程中，通常三种措施可以组合使用，本论文采用的是包封法。

3 防火板材的种类

常用的防火板材有防火石膏板、纤维水泥板、硅酸钙板、玻镁板等。防火石膏板由传统纸面石膏板发展而来，纸面石膏板芯材主要成分是建筑石膏与水化合而成的二水石膏晶体，即二水硫酸钙晶体，其主要防火原理是石膏板二水硫酸钙中两个结晶水遇热脱离蒸发带走大量热量以及其遇热整体性较好，不会发生脱落。其防火时间＞60min［9］。硅酸钙板由硅质材料、钙质材料、增强纤维材料等按一定比例，模压制成。论文实验拟选的防火板材是防火石膏板和纤维水泥板。

4 实验概况

实验检验墙体的隔热性和完整性，根据（GB/T9978.1-2008），当承重分隔构件背火面平均温度大于初始平均温度140℃或者任一位置温升大于初始温度180℃，均判定该试件丧失隔热性；当非承重构件达到下列条件之一，均判定该试件丧失完整性：

（1）试件棉垫被点燃；

（2）缝隙探棒可以穿过试件裂缝；

（3）背火面出现火焰并持续时间＞10s［10］。

4.1 第一次轻钢墙体耐火试验

4.1.1 试件概括

试件的结构为：12mm水泥纤维板+100mm玻璃棉+89mm龙骨+9mmOSB 板+12mm 防火纸面石膏板，玻璃棉嵌在龙骨内，龙骨用的是型号为LQ550 的薄壁型轻钢，厚度为0.8mm，屈服强度为500MPa。试件迎火面采用竖向七块水泥纤维板以及横向两块水泥纤维板进行拼合，背火面是竖向七块防火纸面石膏板和横向两块防火纸面石膏板拼合，截面尺寸为2990mm×2870mm、厚度为122mm的墙体。接缝间隙约2mm，采用水泥基防火腻子填缝抹平。墙体构造详图如下：

图1 第一次试验墙体构造及参数

4.1.2 实验现象

标准火灾实验开始3min 左右，迎火面水泥纤维板受热炸裂，玻璃棉受热收缩，背部轻钢失去保护，实验进行到27min，背火面OSB 板燃烧，背火面出现火焰且持续时间＞10s，实验结束。

4.2 第二次轻钢墙体耐火试验

4.2.1 试件概括

根据第一次的实验现象及其实验结果分析，进行改进，首先将12mm 水泥纤维板取消，用40mm 岩棉代替，岩棉外用钢带固定，防止岩棉脱落，用1mm 厚钢板代替OSB 板。其结构为：40mm岩棉+9mm玻璃棉+89mm龙骨+1mm钢板+12mm防火石膏板+12mm 防火石膏板。岩棉容重为120kg/m3，防火石膏板用长为35mm 自攻螺钉固定在轻钢龙骨上，螺钉间距为200mm。石膏板与石膏板之间的缝隙以及石膏板上打螺栓处涂抹水泥基防火腻子。墙体构造详图如下：

图2 第二次实验墙体构造及参数

4.2.2 实验现象

实验开始5min 后，燃烧炉内有烟溢出，实验场地有刺激性气味；实验开始20min，刺激性气味逐渐变淡，背火面石膏板用手触摸，有温热感；实验开始40min，墙面整体从中间内凹，左上角拼缝处防火纸面石膏板逐渐变焦黑；实验开始80min，左上角接缝处缝隙变大，可以看见被烧红的轻钢；实验开始90min，墙体整体完整性良好，隔热性指标均稳定，满足相关规范要求，试验终止。

4.3 第三次轻钢墙体耐火试验

4.3.1 试件概括

本次实验构件结构同第二次实验相同，构件结构为：40mm岩棉+9mm 玻璃棉+89 龙骨+1mm 钢板+12mm 防火石膏板+12mm 防火石膏板，纸面石膏板防水性能不足，通常做内墙装饰板材。本次实验迎火面为防火纸面石膏板一侧，因此，构件石膏板一侧为内墙，岩棉一侧为外墙，即本次为内墙防火实验。

图3 第三次实验墙体构造及参数

4.3.2 实验现象

点火后1min 左右，背火面顶部有少许烟气冒出，是石膏板表面纸面燃烧产生的烟；5 分钟左右，背火面顶部和侧边缝隙处有水汽冒出，是石膏板内结晶水蒸发；30min 左右，构件整体向中间凹陷，并随温度上升凹陷程度不断加剧，此时，构件左上角接缝处有短暂性火苗冒出；45min 左右，构件缝隙不断变大，可以看到炉内红色高温火焰；60min 时，背火面岩棉不断变黑，背火面热电偶的单点温度超过初始温度180℃。墙体吊出冷却后，引火面的纸面石膏板有部分脱落，石膏板变脆，一碰便碎，龙骨受损严重。

试件背火面温度随时间变化曲线如下图所示，曲线温度平台持续到35min 左右，该平台持续时间较长，主要是本次迎火面为双层石膏板而石膏分子中有大量的结晶水，受热过程中释放大量的水蒸气。石膏板在高温下强度较低，实验后期有局部脱落现象，当炉内温度到达1000℃左右时，背火面单点温度升温超过180℃，试件失去隔热性。

图4 背火面温升曲线

4.4 试验小结

表1 试件结构方案及结果

通过对当下轻钢房屋墙体结构进行改进，由相应的耐火试验验证改进后的方案是否满足规范要求，若不满足，再根据试验现象和试验结果，继续改进方案，再通过试验验证，直至满足防火规范要求。三次试验结果见表1。

第二次和第三次试验的试件结构一样，实验结果不一样，是因为两面的防火材料防火性能不一样导致的。根据试验过程和试验结果，在后续的试验和实际工程中，需要注意以下几点要求：

（1）实际施工时，要保证轻钢钢材和高强螺钉的质量；

（2）OSB 板、石膏板要用高强螺钉固定在轻钢龙骨上，即便是多层板，最外层的板也要直接固定在轻钢龙骨上；

（3）各板材之间应该错缝搭接，并尽量减少接缝，拼缝处以及螺钉表面必须采用防火水泥腻子或其他防火涂料填缝抹平。

5 结语

论文聚焦农村冷弯薄壁轻钢自建房墙体防火问题，梳理了轻钢墙体防火设计方法以及外挂防火板材种类。本文针对水泥纤维板受热易炸裂特点，利用岩棉代替水泥纤维板；针对OSB板易燃特点，利用1mm 钢板取代OSB 板，从而可将轻钢房的耐火极限提高到1～1.5h，满足了房屋防火规范要求。