裝配式輕鋼房屋防火設計探究

王仁壘，陳振益，許世華

五邑大學，廣東 江門 529000

0 引言

從20 世紀80 年代我國引入冷彎薄壁輕鋼，輕鋼結構在低層建筑中展現出旺盛的生命力，輕鋼結構相比傳統磚混結構和框架結構在建構效率、空間適應性等方面具有巨大優勢。同其它鋼結構建筑一樣，低層輕鋼房屋在耐火性能方面有所欠缺，尤其是農村自建輕鋼別墅，由于缺乏相應的監管，防火性能遠遠達不到相關規范要求。針對輕鋼房屋防火，一些專家學者提供了相應意見，郝愛玲［1］對比中外各國輕鋼防火規范，提出增加防火石膏板的厚度和增設水泥基外墻板來提高輕鋼墻體耐火極限，王曉磊［2］則提到采用石棉進行建筑外墻的防火，張明［3］以實際工程為例，針對樓板、柱和非承重墻防火分別做了三組試驗，根據不同的耐火極限要求，給出了相應的輕鋼防火構造。

輕鋼墻體的耐火性能涉及輕鋼房屋結構的穩定性，是客戶和企業共同關注的一個問題。屈服強度是鋼材力學性能的一個重要指標，一般來說，鋼材的屈服強度隨著溫度的升高而降低。當溫度＞300℃時，屈服平臺已經不明顯，當溫度＞400℃時，鋼材的強度會迅速降低，當溫度達到600℃時，鋼材幾乎完全喪失承載力［4］。實際使用過程中，一般火場溫度在800～1000℃，沒有防火設計的輕鋼墻體，十幾分鐘會發生坍塌［5］。

1 輕鋼墻體防火措施

目前我國鋼結構主要的防火措施大致有三大類：截留法、疏導法和消防噴淋［6］。截流法的基本原理是阻滯火災產生的熱量傳導到輕鋼龍骨上，使得輕鋼龍骨在一定時間內溫升不超過規范要求；疏導法是將火災產生的熱量疏導到別的介質上，例如充水冷卻，即在空性方柱中注滿水，火災發生時，水蒸發吸熱，溫度在水消耗前維持在100℃；消防噴淋就是安裝自動噴淋系統，在火災即將發生之初，消滅火源。截留法又可分為噴涂法、包封法、澆筑法等。其中噴涂法就是將防火涂料噴涂在輕鋼表面，以達到耐火的作用；包封法是指在輕鋼骨架上外掛防火板材，通過包裹輕鋼的方式達到防火效果。

2 輕鋼墻體防火措施對比分析

截流法和疏導法都是為了使輕鋼龍骨在規定時間內，溫升不超過閾值，不同的是截流法采用的是阻滯的方式使得溫度不能輕易傳導到輕鋼龍骨上，而疏導法采用的是吸收的方式，即便熱量傳導到輕鋼龍骨上，也能被構件里面的水吸收［7］。兩者相比較，疏導法更可靠、更科學。不過，疏導法要防止輕鋼銹蝕以及水冷凍，在工程技術上難度更高，且安裝不便。因此，目前我國輕鋼房屋主要采取截流法防火措施。

截流法中噴涂法和包封法是使用較多的兩種措施。噴涂法相對于包封法而言操作更加簡便，且短時間內成本更低，不過，噴涂法存在許多問題：防火涂料組成物質大多數是有機物在日照、風吹等環境下容易老化，耐久性不好；涂料燃燒會釋放NH3、HCL 等有毒有害氣體，危害人體健康，膨脹型的涂料壽命遠低于輕鋼龍骨，一段時間后完全失去了防火性能［8］。包封法在耐火極限、耐久性、穩定性和安全性上都比噴涂法好，且從建筑全壽命周期看，經濟效益表現更好［7］。輕鋼結構外使用石膏板等防火板材，不僅具有防火功能，同時還有裝飾作用，而且通過高強螺釘固定在輕鋼龍骨上，具有增強蒙皮效應，加強輕鋼墻體 整體結構性能。當然，在實際工程中，通常三種措施可以組合使用，本論文采用的是包封法。

3 防火板材的種類

常用的防火板材有防火石膏板、纖維水泥板、硅酸鈣板、玻鎂板等。防火石膏板由傳統紙面石膏板發展而來，紙面石膏板芯材主要成分是建筑石膏與水化合而成的二水石膏晶體，即二水硫酸鈣晶體，其主要防火原理是石膏板二水硫酸鈣中兩個結晶水遇熱脫離蒸發帶走大量熱量以及其遇熱整體性較好，不會發生脫落。其防火時間＞60min［9］。硅酸鈣板由硅質材料、鈣質材料、增強纖維材料等按一定比例，模壓制成。論文實驗擬選的防火板材是防火石膏板和纖維水泥板。

4 實驗概況

實驗檢驗墻體的隔熱性和完整性，根據（GB/T9978.1-2008），當承重分隔構件背火面平均溫度大于初始平均溫度140℃或者任一位置溫升大于初始溫度180℃，均判定該試件喪失隔熱性；當非承重構件達到下列條件之一，均判定該試件喪失完整性：

（1）試件棉墊被點燃；

（2）縫隙探棒可以穿過試件裂縫；

（3）背火面出現火焰并持續時間＞10s［10］。

4.1 第一次輕鋼墻體耐火試驗

4.1.1 試件概括

試件的結構為：12mm水泥纖維板+100mm玻璃棉+89mm龍骨+9mmOSB 板+12mm 防火紙面石膏板，玻璃棉嵌在龍骨內，龍骨用的是型號為LQ550 的薄壁型輕鋼，厚度為0.8mm，屈服強度為500MPa。試件迎火面采用豎向七塊水泥纖維板以及橫向兩塊水泥纖維板進行拼合，背火面是豎向七塊防火紙面石膏板和橫向兩塊防火紙面石膏板拼合，截面尺寸為2990mm×2870mm、厚度為122mm的墻體。接縫間隙約2mm，采用水泥基防火膩子填縫抹平。墻體構造詳圖如下：

圖1 第一次試驗墻體構造及參數

4.1.2 實驗現象

標準火災實驗開始3min 左右，迎火面水泥纖維板受熱炸裂，玻璃棉受熱收縮，背部輕鋼失去保護，實驗進行到27min，背火面OSB 板燃燒，背火面出現火焰且持續時間＞10s，實驗結束。

4.2 第二次輕鋼墻體耐火試驗

4.2.1 試件概括

根據第一次的實驗現象及其實驗結果分析，進行改進，首先將12mm 水泥纖維板取消，用40mm 巖棉代替，巖棉外用鋼帶固定，防止巖棉脫落，用1mm 厚鋼板代替OSB 板。其結構為：40mm巖棉+9mm玻璃棉+89mm龍骨+1mm鋼板+12mm防火石膏板+12mm 防火石膏板。巖棉容重為120kg/m3，防火石膏板用長為35mm 自攻螺釘固定在輕鋼龍骨上，螺釘間距為200mm。石膏板與石膏板之間的縫隙以及石膏板上打螺栓處涂抹水泥基防火膩子。墻體構造詳圖如下：

圖2 第二次實驗墻體構造及參數

4.2.2 實驗現象

實驗開始5min 后，燃燒爐內有煙溢出，實驗場地有刺激性氣味；實驗開始20min，刺激性氣味逐漸變淡，背火面石膏板用手觸摸，有溫熱感；實驗開始40min，墻面整體從中間內凹，左上角拼縫處防火紙面石膏板逐漸變焦黑；實驗開始80min，左上角接縫處縫隙變大，可以看見被燒紅的輕鋼；實驗開始90min，墻體整體完整性良好，隔熱性指標均穩定，滿足相關規范要求，試驗終止。

4.3 第三次輕鋼墻體耐火試驗

4.3.1 試件概括

本次實驗構件結構同第二次實驗相同，構件結構為：40mm巖棉+9mm 玻璃棉+89 龍骨+1mm 鋼板+12mm 防火石膏板+12mm 防火石膏板，紙面石膏板防水性能不足，通常做內墻裝飾板材。本次實驗迎火面為防火紙面石膏板一側，因此，構件石膏板一側為內墻，巖棉一側為外墻，即本次為內墻防火實驗。

圖3 第三次實驗墻體構造及參數

4.3.2 實驗現象

點火后1min 左右，背火面頂部有少許煙氣冒出，是石膏板表面紙面燃燒產生的煙；5 分鐘左右，背火面頂部和側邊縫隙處有水汽冒出，是石膏板內結晶水蒸發；30min 左右，構件整體向中間凹陷，并隨溫度上升凹陷程度不斷加劇，此時，構件左上角接縫處有短暫性火苗冒出；45min 左右，構件縫隙不斷變大，可以看到爐內紅色高溫火焰；60min 時，背火面巖棉不斷變黑，背火面熱電偶的單點溫度超過初始溫度180℃。墻體吊出冷卻后，引火面的紙面石膏板有部分脫落，石膏板變脆，一碰便碎，龍骨受損嚴重。

試件背火面溫度隨時間變化曲線如下圖所示，曲線溫度平臺持續到35min 左右，該平臺持續時間較長，主要是本次迎火面為雙層石膏板而石膏分子中有大量的結晶水，受熱過程中釋放大量的水蒸氣。石膏板在高溫下強度較低，實驗后期有局部脫落現象，當爐內溫度到達1000℃左右時，背火面單點溫度升溫超過180℃，試件失去隔熱性。

圖4 背火面溫升曲線

4.4 試驗小結

表1 試件結構方案及結果

通過對當下輕鋼房屋墻體結構進行改進，由相應的耐火試驗驗證改進后的方案是否滿足規范要求，若不滿足，再根據試驗現象和試驗結果，繼續改進方案，再通過試驗驗證，直至滿足防火規范要求。三次試驗結果見表1。

第二次和第三次試驗的試件結構一樣，實驗結果不一樣，是因為兩面的防火材料防火性能不一樣導致的。根據試驗過程和試驗結果，在后續的試驗和實際工程中，需要注意以下幾點要求：

（1）實際施工時，要保證輕鋼鋼材和高強螺釘的質量；

（2）OSB 板、石膏板要用高強螺釘固定在輕鋼龍骨上，即便是多層板，最外層的板也要直接固定在輕鋼龍骨上；

（3）各板材之間應該錯縫搭接，并盡量減少接縫，拼縫處以及螺釘表面必須采用防火水泥膩子或其他防火涂料填縫抹平。

5 結語

論文聚焦農村冷彎薄壁輕鋼自建房墻體防火問題，梳理了輕鋼墻體防火設計方法以及外掛防火板材種類。本文針對水泥纖維板受熱易炸裂特點，利用巖棉代替水泥纖維板；針對OSB板易燃特點，利用1mm 鋼板取代OSB 板，從而可將輕鋼房的耐火極限提高到1～1.5h，滿足了房屋防火規范要求。