織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料橋梁構(gòu)件防火隔熱性能試驗(yàn)研究

曹茜

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司)

0 引言

隨著交通密度的大幅度提升，頻繁發(fā)生的交通類火災(zāi)使得交通基礎(chǔ)設(shè)施面臨著日益增多的風(fēng)險(xiǎn)。橋梁結(jié)構(gòu)作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，無論混凝土橋梁還是鋼結(jié)構(gòu)橋梁，遭遇火災(zāi)都將對橋梁構(gòu)件及結(jié)構(gòu)造成極大的損傷，包括混凝土剝落、鋼板屈曲等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，最近十年我國可見報(bào)道的橋梁火災(zāi)事故至少20 起。此外，統(tǒng)計(jì)分析表明火災(zāi)致橋梁垮塌的數(shù)量約為地震垮塌數(shù)量的3 倍[1]。

橋梁處于開放空間使得火災(zāi)與一般的房屋建筑火災(zāi)顯著不同，尤其受環(huán)境因素影響極大，具體而言橋梁火災(zāi)有如下特點(diǎn)[2-4]：

⑴可燃物復(fù)雜：橋梁火災(zāi)主要源自各類車輛及其運(yùn)載物，其可能包括為塑料及橡膠制品、危險(xiǎn)化工品、石油、天然氣等。

⑵火災(zāi)發(fā)生位置既可能是橋面上的任意位置，也可能是橋下，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性：對于跨江、跨海大橋而言，其危險(xiǎn)源主要為橋上行駛的車輛，火災(zāi)多發(fā)生于橋面；對于城市高架橋、立交橋而言，危險(xiǎn)源除了橋上行駛的車輛還有可能是橋下穿行的車輛。

⑶火災(zāi)大小：車輛及其運(yùn)載物品引發(fā)的火災(zāi)熱量釋放速率差異極大，從小汽車火災(zāi)的1.5MW 到油罐車火災(zāi)可能引起的300MW 熱釋放速率，其通常較房屋建筑火災(zāi)大、火勢更為猛烈。

⑷火災(zāi)受環(huán)境影響大：由于橋梁火災(zāi)處于開放環(huán)境下，氧氣供應(yīng)充足，同時(shí)受風(fēng)的作用，火焰傾角、火焰溫度等具有顯著區(qū)域特征。

⑸救援難度：當(dāng)橋梁火災(zāi)發(fā)生時(shí)，容易造成橋上交通堵塞，大型滅火設(shè)備較難很快到達(dá)滅火地點(diǎn)。一些遠(yuǎn)離城市的橋梁，救援途徑較為單一，消防人員到達(dá)的時(shí)間較長，有些甚至缺乏消防水源，更加增大了滅火救援的難度。

鑒于上述橋梁火災(zāi)事故的特點(diǎn)以及其可能對生命、財(cái)產(chǎn)和社會造成的后果，對橋梁結(jié)構(gòu)的防火措施開展研究是十分必要的，特別是干線公路上的大型橋梁結(jié)構(gòu)，其安全性尤為重要。本文以公路懸索橋主纜與吊桿、斜拉橋拉索等關(guān)鍵構(gòu)件的防火隔熱為應(yīng)用對象和目標(biāo)，針對以玄武巖纖維織物結(jié)構(gòu)為代表的新材料抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析該類材料作為橋梁防火隔熱措施基礎(chǔ)材料的可行性，為提高橋梁抵抗火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的能力。

1 復(fù)合材料織物的抗火性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 玄武巖纖維織物材料

玄武巖是巖漿噴發(fā)形成的火山巖，主要礦物是斜長石和輝石，呈古銅色。將玄武巖礦石破碎后在1450～1500℃下熔融紡后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制形成玄武巖纖維。玄武巖纖維材料性能同碳纖維相當(dāng)，而價(jià)格比碳纖維低幾倍甚至幾十倍，相對玻璃纖維和碳纖維等有較為明顯的綜合優(yōu)勢，此外玄武巖在我國分布廣泛，由其制成的纖維能夠在土木工程中成為玻璃纖維、碳纖維的替代品。

玄武巖纖維作為綠色材料，近年來成為防火隔熱的首選材料，其具備質(zhì)輕、防火、隔熱、美觀等特點(diǎn)。由玄武巖纖維織物層、耐高溫橡膠層、聚酯纖維膜層、氣相沉淀鋁反射層和阻燃黏膠組成的玄武巖纖維復(fù)合防火隔熱材料擁有良好的阻燃隔熱耐高溫性能，在高溫環(huán)境下，能夠吸收一部分熱量，隔熱效果更好，同時(shí)不會燃燒，可以起到很好的防護(hù)作用，被應(yīng)用于消防、石油化工、軍事和冶金等領(lǐng)域。

玄武巖纖維一般可在-263～900℃溫度下使用，導(dǎo)熱系數(shù)低，在25℃下，玄武巖纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為0.04。在耐水性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維，吸濕能力0.2%～0.3%，而且其吸濕能力不隨時(shí)間變化，從而保證其在使用過程中的熱穩(wěn)定性、長壽性和環(huán)境協(xié)調(diào)性。以玄武巖纖維防火布為例，通常是用7～9μm 連續(xù)玄武巖纖維細(xì)紗編織而成的，其中有平紋布和緞紋布等，經(jīng)耐高溫、無毒害的涂層處理。其被廣泛地應(yīng)用于不同領(lǐng)域，包括造船業(yè)、大型鋼結(jié)構(gòu)和電力維修的現(xiàn)場焊接、氣割的防護(hù)用品紡織、化工、冶金、劇院、軍工等通風(fēng)防火和防護(hù)用品。此外，玄武巖纖維防火布為不燃材料，在1000℃火焰作用下，不變形、不爆炸、耐火在1 小時(shí)以上[5]。

1.2 試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

為探索玄武巖纖維織物作為橋梁防火隔熱措施的可行性，本研究對由玄武巖連續(xù)纖維制成的防火布進(jìn)行熱傳導(dǎo)性能測試。本文所采用的玄武巖纖維布如圖1，其厚度為6.55mm，包括6mm 的內(nèi)襯和0.55mm 的玄武巖布。

圖1 玄武巖纖維防火布樣品

按GB51249－2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》[6]進(jìn)行試驗(yàn)用試件的制作，以滿足相關(guān)規(guī)定的試驗(yàn)用試件。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》，防火布熱傳導(dǎo)系數(shù)測定的試件由鋼板底材表面包裹防火布而成，如圖2 所示。鋼板底材、熱電偶布置及試件厚度等應(yīng)符合下列規(guī)定：

圖2 抗火性能試驗(yàn)研究試件制作標(biāo)準(zhǔn)

⑴鋼板底材采用Q235B 鋼，規(guī)定尺寸為厚度16mm、長度300mm、寬度300mm，允許偏差為0.5mm；

⑵防火材料施工前，應(yīng)在鋼板底材上安裝2 個(gè)熱電偶，熱電偶熱端位于鋼板中間厚度處；

⑶非膨脹防火材料試件數(shù)量為3 個(gè)。

按上述流程，首先如圖2 制作鋼材底材并安裝2 個(gè)熱電偶，其中熱電偶布置位置如圖所示；其次用待測試的防火布包裹鋼板底材，并將四周縫起制成試件。

利用燃?xì)馐娇够鹪囼?yàn)爐進(jìn)行試件的受火實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)爐的爐膛尺寸為1000mm×1000mm×1200mm，燃燒介質(zhì)為液化燃?xì)猓ㄟ^2 個(gè)噴嘴提供火焰進(jìn)行燃燒，其燃燒能力為24Nm3/h。燃燒過程由上海紅電自動化科技公司的REDFCS 軟件根據(jù)指定升溫曲線（如ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線）進(jìn)行，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)爐的燃燒過程采用ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線：

T=T0+345log(8t+1) 式⑴

其中T0為環(huán)境溫度，t 為燃燒時(shí)間以分鐘計(jì)。試驗(yàn)執(zhí)行期間環(huán)境溫度為T0=35℃。置于爐膛內(nèi)的試件隨著受火時(shí)間的增加，熱能通過防火布傳導(dǎo)進(jìn)試件內(nèi)部的鋼板底材，由布置于鋼板上的熱電偶測量鋼板溫度變化并通過數(shù)據(jù)收集設(shè)備將其記錄，從而獲得防火布受火面內(nèi)側(cè)的溫度。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 織物材料受火后試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)過程中，由于試件置于抗火爐內(nèi)，試件表面及結(jié)構(gòu)的變化無法觀測。圖3 為試件在達(dá)到試驗(yàn)結(jié)束條件后打開抗火爐所觀測到的現(xiàn)象。從外觀上看，防火布除顏色從褐色變?yōu)樽厣蚪裹S色以外，無明顯變化。此外，內(nèi)層材料受火后從原始蓬松的結(jié)構(gòu)變?yōu)槊軐?shí)的結(jié)構(gòu)，仍具有一定強(qiáng)度。

2.2 抗火性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 玄武巖纖維防火布受火后表觀現(xiàn)象

圖4 玄武巖纖維防火布受火溫度變化曲線

在關(guān)閉燃燒設(shè)備后，如圖所示爐膛內(nèi)溫度迅速降低。三個(gè)試件的溫度變化基本一致，隨著受火時(shí)間的增長，防火布內(nèi)側(cè)溫度逐漸增高。對比試件溫度與火焰溫度或抗火爐溫度，可以發(fā)現(xiàn)試件溫度明顯較低，如受火時(shí)間3600s 后，爐內(nèi)溫度達(dá)到1000℃左右而試件溫度仍在600℃左右。

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》關(guān)于熱傳導(dǎo)性能測試的規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)束的條件為試件內(nèi)鋼板的平均溫度到達(dá)540℃。測試材料的熱傳導(dǎo)性能可以由測試材料的厚度、試件到達(dá)540℃的受火時(shí)間、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)通過等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和等效熱阻系數(shù)公式計(jì)算獲得，詳細(xì)計(jì)算公式如《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》給出，其結(jié)果如表1 所列。

表1 防火布的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和等效熱阻系數(shù)

3 結(jié)論

試驗(yàn)過程中防火布未見燃燒的現(xiàn)象，防火布外觀顏色從褐色變?yōu)樽厣蚪裹S色，其余無明顯變化；內(nèi)層材料受火后從原始較為蓬松的結(jié)構(gòu)變?yōu)槊軐?shí)的塊狀結(jié)構(gòu)。由受火時(shí)間與溫度變化曲線可見，在試驗(yàn)過程中試件溫度明顯低于爐內(nèi)溫度；受火時(shí)間3600s 后，爐內(nèi)溫度達(dá)到1000℃左右而試件溫度在600℃左右。可見玄武巖纖維防火布具有顯著降低內(nèi)部鋼材溫度的能力，具有用于防火隔熱材料的價(jià)值，該現(xiàn)象由依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》計(jì)算獲得材料等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和等效熱阻系數(shù)得到進(jìn)一步驗(yàn)證。