四面受火木柱耐火性能试验研究

甄映红 王婷婷 邵建华 王展光，*

（1.凯里学院建筑工程学院，凯里 556011；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江 212003）

0 引 言

贵州黔东南州是传统村落的集中区域，到目前为止共有409个村寨入选中国传统村落，其传统村落数量大、类型多样，主要建筑为极具民族风格的干栏式木结构建筑，典型代表为吊脚楼、侗族鼓楼和风雨桥。火灾一直是黔东南传统村落最大威胁，近几年，每年都有村寨发生火灾，造成重大的人员和财产损失。

欧美木结构发展较为成熟，对木结构耐火性能研究较早，并在此基础上形成了较为完整的木结构规范和防火设计方法。Malhotra T等对木柱进行了耐火极限试验，发现木柱截面形状对耐火极限有很大影响［1］；Lie TT研究了木结构耐火极限时刻，提出了综合考虑安全储备、材性劣化和持荷水平等因素的木梁、木柱耐火极限的简化计算公式［2］；Young SA等考虑了受火过程中木柱截面减小引起的刚度减小、长细比增大等原因，分析了木柱的失稳破坏的临界点［3］；Janssens M对木材受火分解过程进行分析［4］；Ali F等进行了矩形截面长木柱耐火极限试验，发现随着长细比增大，木柱耐火极限显著降低；随着持荷比提高，耐火极限呈非线性降低［5］；Hugi E等对不同树种进行了炭化速度试验，发现木材炭化速度随氧气渗透率增加而加快［6］；Schnabl S等分析发现火灾下的木柱可能发生材料破坏或屈曲破坏两种破坏模式，受火木柱的耐火极限与持荷水平和长细比有关［7］。

在我国，中国古代建筑以木结构为主，学者对木结构耐火性能进行了研究关注。李帅希对木梁、木柱进行了耐火极限试验，发现随着受火时间增加，木构件承载力和刚度均显著降低［8］；李向民等通过四面受火木柱耐火极限的对比试验，发现四面受火木柱耐火极限随持荷水平提高而明显降低［9］；许清风等经过足量的木结构燃烧试验，总结归纳出木材燃烧的特点，微观上解释了木材的燃烧现象，分析了木柱剩余承载力、破坏形态和炭化速度等性能［10-12］；张晋等对花旗松木柱进行了受火试验研究，发现木柱极限承载力、刚度随着受火时间增加而减小［13］；张盛东等对落叶松进行了燃烧试验顺纹抗压试验［14-15］；陈玲珠等研究木柱截面尺寸、持荷水平、阻燃涂料等对中长柱耐火极限的影响规律［16-18］。

黔东南传统民族木结构一般采用本地生长的木材，主要为杉木和松木。本文采用项目组收集来的木柱和购买的木结构防火涂料，进行耐火试验研究，分析不同温度下的木柱碳化速度和剩余承载力，研究木柱性能变化和防火涂料影响，通过该研究为黔东南木结构防火设计和灾后维修提供参考。

1 试验研究

1.1 试件设计和制作

本次共进行了9组30根木柱四面受火后力学性能的对比试验，木柱采用两种木材，分别是黔东南本地生长的杉木和马尾松，杉木是实验室存放四年的干材，松木从黔东南村寨使用了超过20年的旧木屋中拆除下来的木柱。在常温情况下杉木的密度为364.1 kg/m3，含水率11.4%，马尾松木的密度为644.3 kg/m3，含水率10.4%，其中杉木柱为方形截面，尺寸为130 mm×130 mm×300 mm；松木柱为圆形截面，尺寸为Φ160 mm×300 mm，每种柱子制作15个构件，制作好的试件见图1。

图1 加工好的试件Fig.1 Processed specimen

本次试验是为相同受火时间、不同受火温度的试件进行加温，加温时间为60 min，其中升温30 min，到达预定温度后保存30 min。受火温度采用的是6种最高温度，分别是300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃，具体加温过程见图2。

图2 升温曲线Fig.2 Heating curves

1.2 试验过程

本次试验包括加温试验和加载试验。加温试验在加温试验电炉中进行，采用智能曲线控温按照升温曲线进行加热。将加工好的试件放入加温电炉中进行四面加热，加温结束后立即取出试件进行浇水冷却。

表1 试件尺寸Table 1 Specimen size mm

本次试验采用两种试件，一种是没有进行防火处理的构件，一种是四面进行防火处理的构件。为了研究防火涂料对木柱防护性能影响，采用厦门众知化工科技有限公司的降火神牌XHS-02-2饰面型防火涂料，该防火涂料为水性涂料，无毒无味，涂刷后无色透明，主要用于古建筑、木质结构和木质材料的防火保护。在遇到明火燃烧，防火涂料能迅速膨胀形成隔火层，阻止火焰直接燃烧木质材料。

防火涂料按照说明书的要求进行配制，采用刷涂的方式对木柱进行防护，对涂刷了防火涂料的木柱采用最高温度800℃、700℃和600℃三种加温温度进行加温，涂刷厚度采用涂刷3层和5层来进行比较。

木柱加载试验在WDW-2000E型微机控制电子万能试验机上进行，试验数据由IMP数据采集系统进行采集。试验采用控制位移的连续均匀加载，加载速度为1 mm/min，直至整个构件破坏或承载力下降到峰值荷载的85%。

2 结果与分析

2.1 试验过程

本次试验分为两个阶段，分别为受火试验和加载试验。

2.1.1 受火试验

木材属于固体可燃物质，在火灾情况下，随着温度的升高，木材依次发生水分蒸发、木材分解和表面碳化等现象，最后构件截面形成碳化层、高温分解区和正常区域。

木柱在高温后形态见图3和图4。从图中可以看出，木柱随着加温温度的升高，表面的碳化越来越严重，方形截面的棱角发生损坏，趋近于圆形截面；根据前期对木枋耐火性的研究，当加温温度超过350℃的时候，木柱表面碳化层纵横向裂缝会加快发展形成鳄鱼皮式的纹理。

图3 杉木柱高温后的形态Fig.3 Morphology of Chinese fir columns after high temperature

图4 松木柱高温后的形态Fig.4 Morphology of pine columns after high temperature

在加温300℃后，木柱表面几乎没有变化。当加温温度为400℃时，木柱表面已经完全碳化变黑，截面外表面出现碳化层，局部外层炭化层开始分解，其中杉木柱的分解程度要大于松木柱；表现为杉木柱截面棱角已经完全碳化，杉木柱碳化层由于分解而形成的裂缝十分明显，松木柱依然完整，碳化层没有出现明显的裂缝。当加温温度达到500℃以上时，外表面木材基本已经热解气化完成，木柱表面充分碳化，外表层的碳化将内部木材与火焰隔开，形成保护层，该阶段对木材纤维素中炭的利用更为完全，在截面上表现为碳化层厚度增加，外表面由于加温收缩，出现鳄鱼皮式的裂缝纹理，木柱外表面局部会出现破损断裂现象，从木柱截面图看，杉木柱和松木柱都有不同程度的变形，同时杉木柱外表面在高温作用下会出现泛白现象，证明杉木碳化更加充分。

XHS-02-2饰面型防火涂料在遇到明火燃烧，防火涂料能迅速膨胀形成隔火层，见图5。从图中可以看出，随着加温温度升高，防火涂料发泡越充分，发泡形成的保护层能对木柱起到很好的保护作用。以杉木柱为例，在加温为600℃时，在没有防火涂料的情况下，其截面尺寸由130 mm缩小到80 mm，而涂刷了三层防火涂料的情况下，其火灾后的截面尺寸为105 mm。

图5 防火涂料受热后形态Fig.5 Morphology of pine columns after high temperature

2.1.2 加载试验

本次试验采用都是短柱，试件破坏为典型的轴心受压破坏，并伴随局部的压缩变形。

在加载早期，木柱发生局部压缩变形，并伴随着发出轻微响声，表明木柱内部发生局部破坏；随着荷载不断增大，木柱的变形不断增大，受压木柱外边面的纵向裂纹不断增大，并伴随在加载过程中碳化层不断脱落；当荷载达到极限荷载时，木柱的受压裂缝不断发展，形成贯通性裂缝，木柱的压缩变形十分明显，木柱试件发生破坏，承载力出现下降，具体破坏形态见图6。

图6 木柱受压后破坏形态Fig.6 Compression failure diagram of timber columns

2.2 主要试验结果

2.2.1 荷载位移曲线

杉木柱和松木柱压缩荷载位移曲线，见图7。从图中可以看出，两种类型短柱在轴向压缩情况下，压缩曲线类似，木柱荷载位移曲线在开始为弹塑性屈服阶段，屈服点随着荷载增大而上升，当荷载达到极限荷载后，曲线出现下降段而发生破坏，但松木柱出现较为明显的塑性平台阶段，而杉木柱的塑性平台阶段不明显，曲线达到峰值后迅速下降。两种木柱的屈服强度和抗弯刚度都随着加温温度的升高而降低，松木柱的剩余强度要高于杉木桩，且最终的压缩变形量也明显大于杉木柱。

图7 木柱压缩荷载位移曲线Fig.7 Compression load displacement curve of wood columns

2.2.2 剩余承载力变化分析

为了对两种截面形式的木柱进行比较，取单位面积剩余极限承载力进行比较，即分别取试验的剩余极限承载力除以火灾后木柱构件剩余截面面积N/A，单位面积剩余极限承载力与温度的关系见图8，从图中可以看出，木柱的单位面积剩余极限荷载随温度升高而降低，松木柱的单位面积剩余极限承载力要高于杉木柱。

图8 木柱剩余极限荷载与温度关系Fig.8 The relationship between the residual ultimate load and temperature of wood columns

为了比较防火涂料对木柱性能的影响，其中杉木柱采用三种试件，分别是加温温度600℃时涂刷三层涂料、加温温度700℃时涂刷三层和五层涂料；松木柱也采用三种试件，分别是加温温度600℃时涂刷三层涂料、加温温度700℃时涂刷三层和加温温度800℃涂刷五层涂料，相关结果见表2，从表中可以看出，防火涂料对两种材料木柱起到防护作用，提高其火灾后的剩余承载力，且温度越高提高越明显，涂刷层数越多提高越明显。

表2 试件残余强度Table 2 Residual strength of specimens

2.2.3 碳化速度对比分析

将加温后的松木柱的碳化层敲掉，测量其剩余截面，通过截面尺寸变化来计算木柱的碳化速度；木柱的碳化速度为V，其公式如下：

式中：D为常温情况下圆柱直径；d为高温后圆柱直径；A为方柱边长；a为高温方柱边长；t为碳化时间。

龙卫国在《木结构设计手册》认为木材在加温温度较低时主要发生水分蒸发和吸热，在270℃才开始碳化，因此取温度到达270℃以上时间来作为碳化时间，而不是整加温过程时间［19］。

木柱截面碳化速度与温度关系见图9，从图中可以看出，木柱截面的碳化速度随加温温度的升高而增加，且杉木柱的碳化速度要高于松木柱。

图9 木柱碳化速度与温度关系Fig.9 Relationship between the charring rate of wood columns and temperature

3 结语

通过对杉木柱和松木柱进行高温后的碳化速度和轴向压缩试验，可以发现，木柱碳化速度随着温度的增加而增加，木柱剩余极限荷载随温度升高而降低；木材防火涂料能改善松木柱的耐火性性能，降低其碳化速度和提高剩余承载力。