砌块夹心保温墙抗火性能试验研究*

王建军， 李 磊

(中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

混凝土砌块夹心保温墙是集保温、装饰、围护等功能于一体的节能墙体，由外页墙、保温层、内页墙以及拉结筋构成(图1)。与传统的内保温、外保温方式相比，砌块夹心保温墙保温材料受内、外页墙体防护作用，不易脱落，防火性能以及耐久性更好，在严寒地区应用广泛，大庆、辽宁葫芦岛、哈尔滨等地相继建设了一批以夹心保温为主要保温方式的砌块建筑。

图1 砌块夹心保温墙构造

墙体的抗火性能是建筑防火研究的重要部分。Woltman等[1]研究了混凝土夹心墙的耐火性能，发现保温材料的导热系数对墙体的耐火性能有较为显著的影响。Whatham等[2]对预制混凝土夹心保温墙进行了抗火性能试验研究，试验墙体保温层为厚度100mm的聚苯乙烯板，内、外页墙体使用FRP连接件连接，墙体受火240min后仍保持完整，无裂隙产生，保温层未发生燃烧，整体性和隔热性均满足规范BS-EN-1364-1∶1999[3]中的相关要求。朱筱俊等[4]对预制复合保温墙体进行了单面受火的试验研究，研究表明一定的轴压比能减小墙体受火后的面外挠度，高温后保温材料XPS以及EPS板呈融化状态。

目前，对砌块夹心保温墙的研究主要集中在保温性能及常温下的力学性能，对其抗火性能的研究甚为不足。因此，本文对砌块夹心保温墙抗火性能开展研究，旨在弥补砌块夹心保温墙抗火性能研究的不足，为既有建筑的安全评估以及新建建筑的抗火设计提供依据。

1 试验概况

1.1 试验设计

砌块夹心保温墙抗火性能试验共设计2个试件记为W1，W2，试件采用双排孔块型的普通混凝土小型空心砌块砌筑[5]。使用的主砌块规格为：内页墙390mm×190mm×190mm，外页墙390mm×90mm×190mm，辅助砌块190mm× 190mm×190mm。砌块强度等级为MU10，砂浆强度等级为Mb7.5。试件W1保温层为岩棉板，试件W2保温层为苯板(EPS)，保温材料物理性能见表1。为验证砌块夹心保温墙是否满足《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)[6]规定的非承重墙耐火极限要求，试件受火时间均为61min。试件内、外页墙及保温层采用Z形拉结筋连接，拉结筋沿竖向梅花形布置[7]。如图2所示试件W1，W2尺寸一致，墙体试件在实验室现场砌筑，如图3，4所示。

保温材料物理性能 表1

图2 试件W1，W2几何尺寸

图3 试件W1现场砌筑

图4 试件W2现场砌筑

1.2 试验装置

砌块夹心墙抗火试验在中国建筑科学研究院国检中心葛渠防火实验室进行，试验仪器采用垂直构件耐火试验炉(图5)，主要由燃烧炉和数据采集系统两大部分组成。

图5 垂直构件耐火试验炉

试验按照《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.1—2008)[8]进行，试件竖直放置，受火方式为单面受火，夹心墙外页墙设为迎火面，受火时间为61min，试验升温曲线采用国际标准升温曲线(ISO 834-1[9]曲线)。

1.3 测量内容及测点布置

砌块夹心保温墙抗火试验主要量测内容包括炉内温度、试件内部温度、试件背火面温度以及墙体的平面外挠度。

试验炉炉内温度以及试件温度通过热电偶进行测量，热电偶采用北京某公司生产的铠装热电偶，型号为wrnk-191，量程为0～1 100℃。试验炉内部布置了6个热电偶用于测量炉内温度。为判别试件的隔热性能，在试件W1，W2背火面布置了11个热电偶，其中6个最高温升测温热电偶(T6～T11)、5个平均温升测温热电偶(T1～T5)。同时为了测量试件平面外挠度，在试件背火面中部布置了一个位移计(D)。背火面热电偶及位移计具体位置如图6所示。

图6 试件W1，W2背火面热电偶及位移计布置

为了获得试件内部温度变化规律，砌筑试件时提前在内、外页墙砌块中部从下往上布置了一系列热电偶，竖向间距800mm、水平间距1 200mm，此外还在试件W2保温材料内侧放置了相应的热电偶，以便获得苯板表面温度。试件W1，W2内部热电偶布置如图7，8所示，其中WT，MT，NT分别表示外页墙、保温层、内页墙处热电偶。

图7 试件W1内部热电偶布置

图8 试件W2内部热电偶布置

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

由于试验条件限制，试验过程中只能观察背火面的相关现象，试件W1，W2均在开始点火30min后开始有明显内凹变形，试件W2上部略有烟气溢出，可推测此时保温层的苯板开始熔化；受火40min后试件W1，W2上部逐渐有水分析出(图9)，试件W2烟气量增大；受火60min后试件W1外观无明显变化，试件W2溢出大量烟气，且有明显异味。

图9 墙体上部析出水分

受火面以及保温材料的受火变化情况无法在试验中观察，试验结束后观察试件的情况如下：

试件W1，W2受火面部分砌块呈现暗红色，未见有明显开裂，部分砂浆呈现灰白色，质地疏松，但没有剥落现象(图10)；拆除部分外页墙砌块后，可见试件W1保温层比较完整，岩棉板仅部分表面有灼黑迹象(图11)，试件W2保温层苯板已经部分融化(图12)。

图10 受火面试验现象

图11 试件W1岩棉受火后表面有灼黑

图12 试件W2苯板受火后部分融化

2.2 温度场分析

2.2.1 炉内升温曲线

试件W1，W2先后分两次进行试验，炉内升温自点火开始持续了61min，两次试验测得的炉内升温曲线与ISO 834-1标准升温曲线对比见图13，可见炉内升温与ISO 834-1标准曲线基本一致。

图13 炉内升温曲线

2.2.2 截面温度场

试件W1距离受火面45mm处温度选取标号为WT1～WT6的热电偶温度平均值，距离受火面285mm处温度选取标号为NT1～NT6的热电偶温度平均值，距离受火面380mm处(即背火面)温度选取标号为T1～T5的热电偶温度平均值，各处热电偶测量温度随时间变化曲线如图14所示，其中d表示距离受火面的距离。试件W2热电偶选取与W1类似，增加了距离受火面190mm处的热电偶温度，其温度随时间变化曲线如图15所示。

由图14，15可以看出，两试件温度变化趋势基本一致：点火后，受火面一侧砌块截面温度迅速升高。而背火面砌块截面温度变化缓慢，基本保持常温，受火30min左右温度开始有明显升高。当温度升高到100℃左右时，升温曲线出现了明显的“台阶”，这种现象是墙体内部水分蒸发以及水蒸气在内部迁移导致的[10]。试件W1，W2背火面温度有着显著的差异，在d=285mm处，试件W2温度在100℃以上，而试件W1则明显低于100℃，原因在于两者保温材料不同，试件W1保温材料为岩棉，而试件W2保温材料为苯板，岩棉的保温隔热性能明显优于苯板；且受火35min左右，两试件在d=285mm处升温曲线出现明显差异，试件W1温度曲线变化平缓，试件W2温度曲线出现一个极速上升的坡段，根据试件W2在d=190mm处(保温层处)升温曲线可以判断，此时苯板已经开始融化，这也与试件在此时出现烟气的现象相互印证，表明热电偶所测温度变化趋势是正确的。

图14 试件W1截面温度变化曲线

图15 试件W2截面温度变化曲线

2.3 挠度分析

试验升温过程中，由于墙体单面受火，受火面温度较高，与背火面有着极大温差，受火面产生较大的膨胀变形，因而墙体整体变形凸向受火面。通过位移计记录了升温过程中试件的跨中挠度，如图16所示。由图中曲线可以看出，两试件挠度变化规律基本一致，可以按照变化速率分为三个阶段：1)开始点火至10min左右，挠度迅速增加，此阶段墙体受火面升温较快，而墙体内部温度变化缓慢，背火面基本处于常温状态，产生了极大的温度梯度，从而使挠度增加较快。2)受火10～40min时，挠度增加速度放缓，此阶段墙体内部升温更为均匀，背火面温度开始显著上升。3)受火40min至试验结束，墙体内部及背火面升温速度加快，墙体挠度增加速度进一步减慢。

图16 挠度-时间曲线

试验过程中，试件W1，W2挠度相差不大，初始阶段两者挠度曲线基本重合，但此后试件W2挠度曲线总是位于试件W1下方，表明保温材料对试件受火后的挠度有着一定的影响，这是由于岩棉的线膨胀系数比苯板大，在同样的试验升温条件下，热膨胀变形更大。停火时保温材料为岩棉的试件W1最终挠度为14mm，保温材料为苯板的试件W2最终挠度为13mm。

2.4 抗火性能分析

根据文献[4]的相关规定，本试验中的砌块夹心墙应满足承载力、完整性以及隔热性的要求。

(1)承载力

试验过程中墙体均未出现垮塌，且试件W1，W2的跨中挠度分别为14，13mm，均小于墙体极限弯曲变形L2/400b=59.2mm(其中L为试件的跨度，b为试件厚度)。因此，在受火60min条件下，砌块夹心保温墙满足文献[4]有关承载力的要求。

(2)完整性

试验过程中墙体均未出现裂缝，也未见背火面有火苗窜出的现象。因此在受火60min条件下，试件W1，W2墙体均满足完整性。

(3)隔热性

试件W1背火面最高温升为32.3℃、平均温升为8.8℃，试件W2背火面最高温升为42.9℃、平均温升为24.4℃，均满足文献[4]中最高温升不超过180℃、平均温升不超过140℃的规定，试件隔热性良好。

3 结论

(1)试验过程中，墙体背火面有少量水分析出，试件W2出现带异味烟气；试件未出现裂缝以及爆裂现象，火灾后受火面部分砌块呈现暗红色。

(2)砌块夹心保温墙截面温度场呈非线性分布，外页墙作为受火面温度变化较大，而内页墙与保温层内部温度变化较小。

(3)试件W1受火过程中挠度-时间曲线平缓稳定，最大挠度为14mm，远小于墙体极限弯曲变形量，表明砌块夹心保温墙有良好的整体性。

(4)保温层为岩棉的试件W1和保温层为苯板的试件W2在受火60min条件下，均满足《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.1—2008)关于承载力、完整性以及隔热性的要求，达到了《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)对非承重外墙耐火极限60min的要求。

(5)选择岩棉或者苯板做为砌块夹心墙体保温材料均能满足1h耐火极限要求，但试验后苯板呈融化状态，而岩棉仅有部分表面灼黑，考虑到火灾后的墙体功能修复，建议在工程中选择岩棉做为该墙体的保温材料。