重組竹材三面和四面受火炭化性能試驗

崔兆彥,徐 明,陳忠范,惠勃濤

(1.東南大學 土木工程學院,南京 210096； 2.混凝土及預應力混凝土結構教育部重點試驗室(東南大學),南京 210096)

竹木結構因施工簡便、節能環保、抗震性能優越等優點得到越來越多的關注和發展.中國竹林資源豐富而木材相對匱乏，大力發展建筑竹材產業意義重大[1].重組竹作為一種竹纖維束膠結復合材料，材質均勻且力學性能穩定，經過30多年發展制作工藝趨于成熟，在建材領域替代木材具有廣闊的應用空間[2].2009年，張齊生院士團隊在南京林業大學建造了首幢兩層重組竹民宅安居示范工程[3]，進一步推動了重組竹在現代竹木結構工程中的應用.

但重組竹與木材相似的可燃性導致結構安全性問題始終制約現代竹結構大規模推廣應用.以重組竹為建筑材料的現代竹結構為近年來新興結構體系，研究焦點主要集中于基本的力學特性[4-6]及螺栓節點承載力方面[7]，對于抗火研究相對匱乏.

目前，已有一些國內外學者對木材及膠合竹的炭化性能進行了研究，部分研究成果收錄于各國規范，如Eurocode 5[8]，CSA-O86-09[9]，NDS-1997[10]，Australian standard 1720.4[11]等.在結構工程中火災作用關鍵控制因素為炭化速度[12].目前，國內外常用的炭化速度測量方法主要有3種：1)基于ISO 834或者ASTM E 119溫度曲線傳統的火災試驗爐測量方法[13];2)一種采用恒定熱通量測試的小型縮尺試驗[14]，如錐形量熱儀等;3)以整個房屋為對象的足尺火災試驗方法[15].White等[16]通過ASTM E 119小型水平爐試驗測試了5種木材的炭化速度，建立了炭化速度和含水率、密度、炭化因子的計算方法；Njankouo等[17]基于ISO 834曲線測試了20種熱帶硬木(密度為421～1 018 kg/m3)在單面受火條件下的炭化規律，得出炭化深度與時間呈線性相關，且木材的密度對炭化速度影響顯著的結論；許清風等[18]采用錐形熱量儀的方法測試了多種木材及工程竹材的炭化速度，并與標準火災爐試驗作對比，建立了兩者轉化相關關系；肖巖等[19]對一足尺輕型膠合竹框架房屋進行火災試驗研究了房屋整體結構火災表現及構件災后損傷情況，并采用FDS進行數值模擬，其結果與火災試驗吻合良好，此外，還開展了膠合竹墻體抗火性能及單面炭化性能研究，為現代竹結構發展奠定了基礎.

竹材與木材的化學組分相似，可以參照木材炭化性能的研究方法對重組竹材進行研究.在真實火災作用下，除樓板為單面受火外，梁、柱構件基本處于三面或四面受火狀態.因此，本文以重組竹材為研究對象，采用ISO 834標準火災試驗方法開展三面及四面受火炭化性能試驗研究，分析截面尺寸、受火時間以及不同受火面對炭化深度和炭化速度的影響規律，為合理進行現代竹結構抗火設計提供參考.

1 試 驗

1.1 試驗材料、設備

本研究涉及重組竹主要由4～5年生毛竹及膠黏劑加工制作而成，重組竹中膠黏劑體積比約為10%.其中，膠黏劑為一種工業用水溶性浸漬酚醛樹脂(PF16L510，北京太爾化工有限公司)，其固體含量為46%～49%，pH為10.5～11.5，其玻璃化溫度約為150 ℃.按照《建筑用竹材物理力學性能試驗方法標準試驗方法》[20]測試，重組竹含水率平均值為8%，氣干密度平均值為1 050 kg/m3.重組竹順紋抗壓強度為66.5 MPa，抗拉強度為110.6 MPa.

火災試驗主要在東南大學土木學院實驗中心的小型多用途耐火試驗爐(圖1)中進行，爐腔尺寸為1 800 mm×1 200 mm×500 mm，爐內兩端分別裝有熱電偶自動采集試驗過程中爐溫變化，為保證試驗的準確性，每次試驗爐內中間外接一個熱電偶實時測量爐溫，并與水平爐兩側爐溫作對比.由于試驗爐體積較小，爐內天然氣的燃燒過程更易控制，使得爐內溫度與控制溫度更吻合，有利于得到更合理的試驗結果.火災爐升溫曲線采用國際標準化組織建議的建筑構件抗火試驗曲線ISO 834，不同受火時間下典型爐溫曲線見圖2.

圖2 典型爐溫與標準升溫曲線

Fig.2 Typical temperature curves of furnace and standard temperature curve

1.2 構件編號、布置

重組竹材三面及四面受火條件下構件尺寸均采用150 mm×150 mm×1 500 mm和150 mm×75 mm×1 500 mm兩種.考慮受火時間對炭化速度的影響，分別取10,20,30及40 min.試驗分為4組共16個構件，具體重組竹構件編號見表1.

對于三面受火構件，首先沿爐壁四周砌筑耐火磚，砌筑高度為150 mm，砌筑過程中預留兩個孔洞，然后，將重組竹構件沿水平爐寬度方向直接放置在孔洞處，四周用巖棉填充密實以防止煙霧溢出，在構件上部鋪設一層耐火巖棉，最后將爐蓋搭在耐火磚上(圖3).對于四面受火構件，首先在爐底兩側砌筑高為300 mm耐火磚作為重組竹構件的支座，然后將構件置入爐中，用于起吊的耐火鋼絲伸出爐外，最后將爐蓋搭在爐壁上(圖4).

表1 火災試驗構件設計

注:構件編號中AB-C中，A表示受火面，其中T表示三面受火，F表示四面受火；B表示構件高度，1表示150 mm，2表示75 mm；C表示受火時間

圖3 試驗裝置示意

圖4 試驗現場布置

1.3 測點布置

為了研究受火溫度及受火時間對重組竹材內部溫度場的影響，在構件不同位置布置熱電偶，以測量受火過程中構件內部的溫度變化.其中，為保證試驗的準確性，將重組竹構件分為3段，從左到右依次為A區域、C區域和B區域，每段為500 mm，每段區域內埋置4個熱電偶，其中，Ai、Bi和Ci埋置深度分別為h/4，h/2，3h/4，15h/16(i取1，2，3，4).A、B測點距相鄰一側受火面為50 mm，C位置處于構件中間，距兩側受火面均為75 mm，見圖5所示.

圖5 熱電偶布置

2 試驗結果及分析

2.1 炭化形態

當試驗達到預設的目標時間后，立即切斷天然氣，然后開爐將重組竹構件吊出，澆水熄滅.由多面受火后的炭化情況可知，表面沿紋理方向和垂直紋理方向出現很多縱橫裂縫．部分炭化層脫落明顯，角部區域由于承受雙向熱傳遞而由棱角變為圓角形.通過觀察截面發現，炭化后分層明顯，炭化層為漆黑色，高溫分解層為深灰色，正常層為重組竹原始顏色，各試驗工況下重組竹構件炭化形態見圖6,7.

2.2 炭化深度

圖6 三面受火后炭化形態

Fig.6 Charring patterns of specimens after exposure to three-side fire

圖7 四面受火后炭化形態

Fig.7 Charring patterns of specimens after exposure to four-side fire

圖8 炭化深度測量

表2 三面受火各種工況下炭化深度

表3 四面受火各種工況下炭化深度

Tab.3 Charring depth of bamboo scrimber exposed to four-side fire

mm

通過表2可以看出，對于三面受火構件，隨著受火時間增加，水平和豎直方向的炭化深度均呈非線性增加，同等條件下圓角區炭化深度約為非圓角區炭化深度的2倍，不同截面尺寸對炭化深度影響并不顯著.

通過表3可以看出，對于四面受火構件，炭化深度與受火時間的相關性與三面受火相似，但水平和豎直方向炭化深度差別不大，整體而言，四面受火構件炭化深度略大于三面受火構件.

2.3 測點溫度

如前文所述，不同受火時間下典型爐溫曲線見圖2，溫度曲線表明在試驗過程中實測爐溫與標準ISO 834升溫曲線符合良好.

圖9,10分別給出了三面和四面受火條件下受火時間為40 min時T1和F1組典型的溫度-時間曲線.

通過圖9(a)～(c)可以看出，除4#熱電偶外，其余曲線溫度隨時間均緩慢增加且不超過150 ℃，變化范圍不大.如圖9(d)所示，位于同一深度的A4、B4以及C4 3個測點對比發現，A4和B4具有相同的變化趨勢，且受火構件在12～15 min時，溫度發生突變，表明此時構件部分炭化層脫落，由于距兩側受火面較遠、熱量傳遞較慢導致C4構件突變點較為滯后，但三者最終趨于一致.

圖9 三面受火重組竹構件不同測點溫度曲線

圖10 四面受火重組竹構件不同測點溫度曲線

由前文可知，重組竹四面受火構件沿爐體長度方向放入爐內，測量爐溫的熱電偶有3個，爐體兩側自帶的熱電偶和爐內中間位置外接的熱電偶.A、B、C 3個位置分別對應爐內左側、爐內右側及中間位置，通過圖10(d)可以看出，爐內溫度相對穩定，保證了試驗的準確性.此外，四面炭化溫度-時間曲線與三面炭化規律相似.1#、2#、3#熱電偶處均未發生炭化，且由于重組竹熱傳導系數較低(橫紋方向常溫下為0.29 W/(m·K))[21]，構件內部溫度變化不大，均未超過150 ℃，這與實際炭化深度測量結果相符.與圖9三面炭化相同，4#熱電偶曲線在300 ℃左右出現緩慢平臺段，此時4#熱電偶處重組竹材達到炭化溫度，由于外部炭化層保護作用，溫度增加緩慢，隨著爐溫繼續升高，部分炭化層脫落導致隨后測點溫度快速增加.

3 炭化模型

3.1 炭化深度計算

基于前期單面受火試驗[21]，建立了炭化深度同受火時間、含水率以及紋理方向相關的非線性計算公式，即

xc=b(-2.87ω+1.22)t0.81.

(1)

式中:xc為炭化深度，mm；b為紋理系數，橫紋方向取1，順紋方向取1.23；ω為含水率，100%；t為受火時間，min.

如前文所述，本試驗重組竹構件含水率為8%，構件均為橫紋方向受火.通過重組竹單面受火試驗[21]可知，單面受火構件在相應條件下10,20,30以及40 min時實際炭化深度分別為6.5,11.3,15.2,19.3 mm.不同受火面下炭化深度對比可以發現，由于受火面熱量傳遞疊加，三面和四面受火構件非圓角區炭化深度明顯大于單面受火構件，需對公式進一步擬合分析.

以式(1)為基礎，通過引入多面炭化因子α回歸分析，可以得到多面受火非圓角區炭化深度的計算公式，即

xc=αb(-2.87ω+1.22)t0.81.

(2)

式中:α為多面炭化因子，多面取值為1.22，單面取值為1.

將多面炭化深度試驗值與計算值作對比(表4)可知，計算誤差較小，均未超過10%，說明公式具有較好的適用性.

為進一步分析多面受火炭化規律，將各工況下的炭化深度與擬合曲線對比分析，擬合效果良好，見圖11.

表4 各工況下炭化深度試驗值與計算值對比

Tab.4 Comparison of the experimental and calculations results of charring depth under different conditions

構件編號xb/mm誤差/%xh/mm誤差/%試驗計算試驗計算T1-108.47.87.138.57.88.22T1-2014.213.73.6813.213.7-3.62T1-3019.119.00.5518.519.0-2.68T1-4023.924.0-0.3323.124.0-3.81T2-108.47.87.138.17.83.69T2-2013.813.70.8914.013.72.30T2-3019.319.01.5818.519.0-2.68T2-4023.924.0-0.3323.524.0-2.04F1-108.37.86.017.87.8-0.02F1-2014.713.76.9614.413.75.02F1-3019.619.03.0919.019.00.03F1-4023.924.0-0.3323.524.0-2.04F2-108.17.83.698.57.88.22F2-2013.913.71.6014.513.75.67F2-3020.419.06.8918.519.0-2.68F2-4024.324.01.3223.524.0-2.04

圖11 各工況下重組竹材炭化深度擬合曲線

Fig.11 Fitting curves of the charring depth of bamboo scrimber under different conditions

3.2 名義炭化速度

由于多面受火條件下角部區域和非角部區域炭化深度差別較大，受火后重組竹剩余截面計算不能忽略角部區域影響.在實際應用中，炭化后確定角部影響區域比較麻煩，進而計算炭化后剩余截面也比較麻煩，為方便起見將剩余截面面積等效為矩形，得到名義炭化深度.由Eurocode 5[8]可知，單面炭化深度為dchar,0，名義炭化深度為dchar,n，見圖12.各工況下重組竹構件剩余炭化面積和名義炭化深度如表5，6所示.對于三面受火構件，隨著受火時間的增加，名義炭化深度逐漸增加，對于不同截面尺寸構件，其名義炭化深度相差不大.對于四面受火構件，同樣，截面尺寸對炭化深度的影響并不顯著.

圖12 木材多面受火炭化速度

表5 三面受火構件名義炭化深度

Tab.5 Notional charring depth of specimens exposed to three-side fire

構件編號示意圖剩余炭化面積/mm2名義炭化深度/mmT1-1018 8228.5T1-2016 58014.0T1-3014 61619.1T1-4012 87223.9T2-108 8848.4T2-207 40014.2T2-306 20619.3T2-405 18024.1

表6 四面受火構件名義炭化深度

Tab.6 Notional charring depth of specimens exposed to four-side fire

構件編號示意圖剩余炭化面積/mm2名義炭化深度/mmF1-1017 8728.2F1-2014 46014.9F1-3012 20419.8F1-4010 26024.4F2-107 1848.1F2-204 78814.2F2-302 91219.2F2-401 94024.5

本文將名義炭化深度與受火時間比值定義為名義炭化速度βn，而β0為標準火災下半無限木板單面受火時的炭化速度.表7，8給出了三面和四面在不同受火時間下名義炭化速度的平均值，經計算可知，對于多面受火構件名義炭化速度可取0.7 mm/min.

表7 三面受火構件名義炭化速度

Tab.7 Notional charring rate of specimen exposed to three-side fire

構件編號名義炭化速度/(mm·min-1)平均值/(mm·min-1)T1-100.85T1-200.700.70T1-300.64T1-400.60T2-100.84T2-200.710.70T2-300.64T2-400.60

表8 四面受火構件名義炭化速度

Tab.8 Notional charring rate of specimen exposed to four-side fire

構件編號名義炭化速度/(mm·min-1)平均值/(mm·min-1)F1-100.82F1-200.740.71F1-300.66F1-400.61F2-100.81F2-200.710.69F2-300.64F2-400.61

3.3 木材對比分析

Eurocode 5考慮實際應用，對于密度為290 kg/m3的針葉木和密度為450 kg /m3的闊葉木，把炭化速度簡化為一個常數(表9)，比較木材與重組竹單面炭化速度β0和名義炭化速度βn不難發現，由于重組竹材料密度較大，單面炭化速度β0相對較小，僅為0.55 mm/min，而名義炭化速度βn與膠合木材料相同，均為0.7 mm/min，說明重組竹構件圓角效應顯著.文獻[22]給出了花旗松(450 kg/m3)在四面受火下的平均炭化速度為0.827 mm/min，同樣大于重組竹名義炭化速度.這說明與普通木材相比，重組竹是一種具有良好抗火性能的材料.

表9 對比木材及重組竹炭化速度βn取值

Tab.9 Comparison of the charring rateβnof timber and bamboo scrimber

木材類型ρ(/kg·m-3)β0/(mm·min-1)βn/(mm·min-1)軟木膠合木≥2900.650.70實木≥2900.650.80硬木=2900.650.70≥4500.500.55層積材≥4800.650.70重組竹1 0500.550.70

4 結 論

1)重組竹材四面受火條件下水平和豎直方向炭化深度略大于三面受火構件，且由于炭化層的保護作用，隨著受火時間增加，炭化速度逐漸較小.

2)對于多面受火構件受火后，有效截面減小，由于雙向熱量傳遞矩形截面棱角變為圓角形，圓角區炭化深度明顯大于非圓角區.

3)由于受火面熱量傳遞作用疊加，多面受火構件非圓角區炭化深度明顯大于單面受火構件，通過引入多面炭化因子進一步修正，建立了重組竹材炭化深度的計算模型.

4)與普通木材相比，重組竹材炭化速度相對較小，多面受火條件下名義炭化速度為0.7 mm/min，具有較好的抗火性能.