不同构造下轻质底层抹灰石膏耐火性能试验研究

姜民，陈勇敢，蒋首超

（1.杭萧钢构股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.同济大学 土木工程学院，上海 200092）

0 前言

钢结构住宅具有工业化生产程度高、抗震性能优越、建筑能耗低、环境污染少、建筑垃圾可回收利用等优点，是建筑业发展的一大热点和趋势。然而，由于钢材自身耐火性能较差的特点，往往需要在钢构件表面喷涂防火涂料，而防火涂料表面较为粗糙，整体建筑不够美观，与钢结构基材粘结强度低，容易出现空鼓、开裂等质量问题，达不到住宅建筑的使用要求，急需一种质量可靠、经济合理、对钢结构住宅适用性强的防火保护做法。

轻质底层抹灰石膏由半水石膏、轻集料及外加剂等复合而成[1]，其质量可靠、来源广泛、利废环保、施工方便，且具有良好的装饰装修功能，是建筑工程中广泛使用的建筑材料[2-3]。轻质底层抹灰石膏作为A1 级不燃材料，导热系数低，与钢基层粘结性能良好[4]，同时具有良好的防火功能。为了克服现有钢结构防火涂料与钢结构基材粘结强度低、容易出现空鼓、开裂等缺陷，探索采用不同构造轻质底层抹灰石膏钢结构防火保护做法。开展不同构造下轻质底层抹灰石膏高温下的等效热传导系数和钢管混凝土束构件的耐火性能试验研究，为理论计算钢管混凝土束构件防火保护层厚度提供参考。

1 石膏防火原理

轻质底层抹灰石膏是以半水石膏（CaSO4·1/2H2O）作为主要胶凝材料，在施工过程中，轻质底层抹灰石膏与水反应生成二水石膏（CaSO4·2H2O）。

轻质底层抹灰石膏遇火时，随着温度升高，石膏中的游离水先蒸发，接着二水石膏中的结晶水开始脱去，在107～170 ℃状态变成半水石膏[5]，继续加热到170～300 ℃时，再次脱水依次变成Ⅲ型和Ⅱ型CaSO4，轻质底层抹灰石膏施工水化形成的二水石膏含量一般在60%～85%[6]，二水石膏中含有2 个分子的结晶水，由于水的比热容较大，逐渐失去2 个结晶水的过程中会吸收大量的热量[7-8]，会在100 ℃左右形成较长的升温平台段，大大延缓被保护结构的升温，受火过程中整体性良好，不产生有害气体。

2 耐火性能试验

2.1 试验材料

试验采用嘉兴来宝得新材料科技有限公司生产的轻质底层抹灰石膏，主要成分为半水石膏、玻化微珠和外加剂等，主要性能指标见表1，其中石膏质量占比不小于60%，符合GB/T 28627—2012《抹灰石膏》和GB 18528—2008《室内装修材料、内墙涂料中有害物质限量》的要求。玻璃纤维采用直径10～15 μm，长度6 mm 规格。钢丝网采用直径1.2 mm，网孔尺寸30 mm×30 mm 规格。

表1 轻质底层抹灰石膏的主要性能指标

2.2 试验试件

试件编号规则如下：shb——轻质底层抹灰石膏+玻璃纤维；shg——轻质底层抹灰石膏+挂网；shgb——轻质底层抹灰石膏+挂网+玻璃纤维。玻璃纤维使用时掺入石膏中，搅拌均匀。被保护构件有钢板和钢管混凝土束2 种试件，试件规格见表2、表3。

表2 钢板试件参数

表3 钢管混凝土束试件参数

钢板试件共6 块，板件形状尺寸如图1 所示，钢板材质为Q345B。

图1 钢板试件正视图

钢管混凝土束试件1 个，包括外部保护层，中部钢管束以及内部混凝土，采用四面受火方式，上下用硅酸铝棉毡覆盖，构件尺寸如图2 所示。钢材材质为Q345B，混凝土强度等级为C40。

图2 钢管混凝土束试件

2.3 温度测点布置

构件温度测试采用K 型热电偶，对于钢板试件，在每个试块上设置有2 个测点，在钢板试件上的具体位置如图3 所示。

图3 钢板试件上温度测点布置

钢管混凝土束试件测点布置断面如图4 所示，测点共分为1、2 两层，断面上的测点如图5 所示，每个断面设置7 个测点，共有14 个测点。

图4 钢管混凝土束试件测点分层断面位置

图5 钢管混凝土束试件测点布置

2.4 加载方案

2.4.1 加载布置

试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室工程结构抗火试验室进行，采用钢筋吊钩勾住钢板试件吊环，将钢板试件悬挂在炉盖顶部，钢板试件完全暴露在试验炉内的高温烟气中，承受模拟火灾的作用，如图6、图7 所示。

图6 钢板试件现场布置

图7 钢板试件布置示意

钢管混凝土束试件被放置在试验炉中，试件底部垫硅酸铝棉毡，顶部盖有硅酸铝棉毡，模拟试件两端为绝热边界条件，试验时试件四面承受模拟火灾的作用。

2.4.2 加载制度

本次试验采用GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验办法》中给出的升温制度，试验炉内的升温曲线为ISO834 标准升温曲线，该制度能使试件受到与一般建筑的纤维类火灾作用相似，试验炉内温度随时间变化满足式（1）。

式中：Tg——升温到t 时刻的平均炉温，℃；

T0——炉内的初始温度，℃；

t——试验所经历的时间，min。

采用标准升温曲线ISO834 曲线，如图8 所示。

图8 标准升温曲线

2.5 试验分析和等效热传导系数计算

2.5.1 钢板试件现象分析

钢板试件耐火后的整体现象如图9 所示，温度曲线如图10 所示。

图10 钢板试件的升温曲线

试件shb-1，shb-2 对比来看，两者性能相近，受火140 min 后温度在550～620 ℃左右，表明在受火过程中试件能保持完整，试验后观察到发生保护层单面脱落现象（图9），认为是降温收缩的原因，这2 个试件虽然没有进行挂网，但是存在的纤维同样使试件整体性较强；对于试件shg-1、shg-2、shgb-1、shgb-2 试验140 min 后，温度基本保持在500 ℃以下，试验过程中及试验后试件完整性良好。

图9 耐火试验后试件整体现象

由图10 试件升温曲线可以看出，试件升温分为3 个阶段：第1 阶段0～100 ℃升温段认为是防火保护层中游离水蒸发阶段；第2 阶段为100 ℃左右较长的平台段中保护层内的结晶水逐步脱掉，水蒸发吸热，维持钢板温度在100 ℃左右一段时间，延缓了钢板的升温，表明石膏中的结晶水对隔热层的有利影响；第3 阶段100 ℃以后升温段认为石膏本身的隔热效应发挥作用阶段。

总体来说，在标准升温荷载下本次试验的钢板试件在受火过程中能保持完整性，升温缓慢，试验140 min 后，温度基本保持在500 ℃左右，隔热效果良好，试件保护层防火性能优良。

2.5.2 钢管混凝土束试件现象分析

本次试验钢管混凝土束试件中共有14 个测点，上下2 层测点温度趋势一致，此处仅列出上层测点随时间的升温曲线如图11 所示。

由图11 可以看出，受火过程中钢管混凝土试件能够保持完整性。开炉后现象观察，在试验完毕退火后，钢管混凝土束试件部分位置表面保护层与钢管混凝土束试件之间形成空腔脱开，分析认为是降温收缩或保护层中未施加挂网的原因。每一层的测点4、测点5，即最外层的测点，温度要明显高于内部的测点，说明钢管束内部的混凝土本身也具有较强的防火吸热作用。同时，外部测点在140 min 后温度仍然基本保持在200 ℃以下，耐火性能十分优异。

图11 钢管混凝土束试件上层测点1～测点7 的升温曲线

总体看来，钢管混凝土束试件整体的升温速率相较于钢板试件更加缓慢，认为有钢管束内混凝土吸收热量因素的影响，尤其是内部测点温度较低，相对于钢板试件，采用该种防火保护的钢管混凝土束试件具有很好的耐火性能。

2.5.3 等效热传导系数计算

计算等效热传导系数，需要采用描述钢构件升温过程中时间与温度关系的公式，由于本次试验中对应的钢构件有轻质保护层，一般在工程应用中通过曲线拟合，采用GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中公式，如式（2）所示。

式中：

Ts——钢构件温度，℃；

λeq——防火保护材料的等效热传导系数，W/（m·℃）；

d——保护层的厚度，m；

t——时间，s；

Tg（0）——火灾初始时刻的空气温度，℃。

通过式（2），结合本次试验钢构件的截面参数，钢板试件涂层厚度为35 mm，并选取升温段进行计算得本次试验试件采用的保护层等效热传导系数平均值λeq=0.11 W/（m·℃）。

3 结论

（1）采用轻质底层抹灰石膏加挂网的防火保护构造能够满足钢结构防火保护要求。在轻质底层抹灰石膏增加挂网或掺入一定量的玻璃纤维可以进一步提高防火保护层在火灾中的性能。

（2）通过等效热传导系数的计算发现：采用轻质底层抹灰石膏+挂网或轻质底层抹灰石膏+挂网+玻璃纤维进行防火保护，防火保护层的等效热传导系数为0.11 W/（m·℃）。

（3）在标准升温荷载下，钢板试件在受火过程中能保持完整性，升温缓慢，试验140 min 后，温度基本保持在500 ℃左右，隔热效果良好，试件保护层防火性能优良。

（4）采用轻质底层抹灰石膏+玻璃纤维（1.5%）保护的钢管混凝土束构件在受火140 min 后，截面所有测点的温度均不超过200 ℃，相对于钢板试件，钢管混凝土束构件具备较好的耐火性能。