裝配式一體化內龍骨夾芯圍護墻板抗火性能研究*

盛學慶，徐慶鋒，潘勝軍，徐平凡，曾 聰

（1 杭州市電力設計院有限公司，浙江 杭州 310000；2 東北電力大學，吉林省 吉林市 132000）

近年來隨著裝配式建筑的不斷普及，裝配式建筑的重點研究領域已經向著節約材料、綠色環保、施工便捷等方向發展[1-2]。為提倡裝配式建筑一體化施工思想，實現整體預制、現場安裝的施工方案，將圍護墻板進行結構設計，使其可在廠家整體預制，現場直接安裝，最大限度提高建設效率，減少墻板安裝現場濕作業。現階段針對圍護墻板的安裝工藝普遍是在施工現場安裝輕鋼龍骨框架，將外掛墻板與輕鋼龍骨框架進行連接，形成圍護體系[3-4]。因安裝輕鋼龍骨框架需大量現場作業，為縮短工期，減少安裝輕鋼龍骨的步驟，本文設計了一種將輕鋼龍骨內置于ALC（蒸壓加氣混凝土板材），將輕鋼龍骨框架與外墻板結合為一體化墻板，實現板材整體預制出場，產品標準化[5]，現場無需安裝輕鋼龍骨可直接安裝的目標。

蒸壓加氣混凝土是一種輕質、節能的墻體材料，結構為多孔結構，具有保溫、抗震、耐火等優點，是一種綠色新型墻板材料之一[6-9]。對于復合夾芯墻板方面，研究較成熟的外墻板有混凝土夾芯保溫板、鋼絲網架水泥夾芯板、陶粒混凝土復合外墻板、鋼筋混凝土絕熱材料復合外墻板等[10-13]。而對于墻板耐火性能的研究，大多通過抗火試驗、有限元模擬、理論計算等方式進行研究[14-16]。

荊鵬飛[17]通過制作不同容重的蒸壓加氣混凝土砌塊，研究氣孔對ALC砌塊造成的影響，在不對密度以及配合比造成影響的前提下，通過穩泡劑以及發泡劑材料對砌塊孔徑進行調整。基于蒙特卡洛法，使用Ansys有限元模擬對不用密度的砌塊進行有限元模擬，模擬結果顯示蒸壓加氣混凝土砌塊的導熱系數與孔隙率呈反比，與氣孔孔徑成正比。

陳鳴[18]研究了一種輕鋼龍骨混凝土組合墻板的耐火性能，通過改變保溫層巖棉厚度、輕鋼龍骨間距以及保溫材料來檢驗對外掛墻板的耐火性能影響，對墻板試件進行防護熱箱法測定平均傳熱系數，得到80mm、100mm厚度的巖棉板符合保溫要求。對墻板結構進行足尺耐火試驗，通過Abaqus有限元模擬對比不同保溫厚度下墻板性能，得出將泡沫混凝土替代巖棉作為新型填塞保溫材料會使墻板整體耐火性能提高。

為此，本文針對所設計的圍護墻板結構進行同比例抗火試驗，并針對不同的板內構件參數進行有限元模擬分析，對比不同板厚以及保溫層厚度對墻板的耐火性能影響。

1 一體化夾芯內龍骨墻板構造

本文設計的夾心內龍骨墻板（圖1）采用ALC板材（蒸壓加氣混凝土板）作為外板，內置5根U 50輕鋼龍骨組成的內龍骨框架作為內外板連接，板間其余位置填充巖棉作為保溫層，形成輕鋼龍骨-巖棉組合保溫層夾芯墻板。輕鋼龍骨與內外ALC板材通過使用7cm自攻螺釘連接，橫豎輕鋼龍骨之間使用3cm自攻螺釘連接。

圖1 內龍骨夾芯一體化墻板構造圖Fig.1 Structural drawing of inner keel sandwich wallboard

一體化圍護墻板實際安裝過程可從上而下吊裝，墻板尺寸可根據建筑主體結構尺寸模數設計，沿高度進行吊裝，施工快捷簡單。

2 一體化墻板抗火試驗概況

2.1 試驗裝置及試驗制度

試驗設備采用遼寧省產品質量監督檢驗院的結構抗火試驗爐。試驗裝置如圖2所示。采用國際標準升溫曲線ISO 834進行火災模擬，測量墻板及梁柱的溫度。試驗采用單面受火、背火面置于室溫的形式，不加載。ISO 834標準升溫曲線如圖3所示。

圖2 耐火試驗爐Fig.2 Refractory test furnace

圖3 ISO 834 標準升溫曲線 Fig.3 ISO 834 Standard heating curve

2.2 試驗墻板及測點布置

試件尺寸為雙面1900mm×600mm×50mm ALC板材所組成的夾芯墻板，U50輕鋼隔墻龍骨尺寸為50 mm× 40mm×0.6mm，巖棉板選用的是密度為120 kg/m3的巖棉保溫板。組合墻板總厚度為150mm，重量約85kg。石膏板所組成的夾芯墻板構造為雙面4×12（mm）紙面石膏板，內置75mm厚巖棉保溫層，組合墻板總厚度為171mm。同種板材水平布置兩塊A1、A2，用于同種板材之間的性能對比。熱電偶溫度測點布置如圖4所示。

圖4 試驗墻板溫度測點布置示意圖Fig.4 Layout of temperature measuring points for test wall panels

2.3 墻板耐火試驗結果

圖5 為雙面50mm厚ALC內龍骨夾芯墻板各測點溫度-時間曲線圖，墻板結構經單面受火1h后，其中橫坐標為加熱時間t，縱坐標為溫度T。T-t曲線反映了構件各測點溫度隨加熱時間變化的規律。由圖5可知，墻板背火面溫度呈緩慢上升趨勢，單點最大溫度為R7測點處45.6℃，受火1h時背火面各測點平均溫度均不超過180℃，滿足規范要求。

圖5 試驗墻板各測點溫度-時間曲線Fig.5 Temperature-time curve of each measuring point of ALC wallboard

2.4 試驗現象

試驗過程中，雙面50mm厚ALC夾芯墻板受火12min時結構頂端出現白煙，右側燒結磚與框架連接部分同時出現少量白煙，部分燒結磚之間出現白煙。受火29min時，試驗墻板之間保溫砂漿由淺灰色漸變成乳白色，且產生少量垂直裂縫，靠近爐膛中間部分保溫砂漿破裂。試驗墻板之間保溫砂漿沿縱向開裂。A1、A2試驗墻板背火面均未出現破壞性裂縫以及顏色的變化。試驗墻板背火面能保持其原有隔熱性能，未發生穿透性破壞。

雙面4×12(mm)紙面石膏夾芯墻板受火8min時結構頂端出現少量白煙。受火10min時結構左側燒結磚與鋼框架連接處出現少量白煙。受火29min時出現少量刺激性氣味。受火40min時，試驗墻板之間的保溫砂漿由淺灰色漸變為白灰色，且產生大量垂直裂縫。左側試驗墻板背火面未產生形變以及顏色的變化，試驗墻板背火面保持其原有隔熱性能，未發生穿透性破壞。

2.5 墻板耐火試驗結果分析

將試件受火面ALC墻板拆除后，耐火試驗后試件背火面及其部件情況如圖6所示。

圖6 試驗后墻板受火面各部分現象Fig.6 Surface phenomenon of wall panels after test

觀察夾芯墻板內部龍骨框架和巖棉均未產生明顯變化，輕鋼龍骨框架未發生屈曲，墻板內巖棉板未產生碳化現象，輕鋼龍骨與ALC墻板連接的自攻螺釘未發生變形。

試驗結果顯示，ALC夾芯墻板構件受火面呈現極好的完整性，高溫下，試件受火面無任何破損，顏色未變化、裂縫未產生。溫度較高處為靠近爐膛中上側測點，其原因為該點靠近試驗爐兩側噴火口外焰出處，相較于其他位置溫度更高，上升趨勢更快。但由于ALC板材導熱系數非常低，不會引起整體試件的平均溫度快速上升。

4×12(mm)紙面石膏夾芯墻板受火經1h受火后，試件受火面的紙面石膏板同樣被完全燒壞，石膏板完全脫落，石膏失去保護能力。試件中心處板內輕鋼龍骨以及巖棉被完全破壞，輕鋼龍骨由亮銀色變成黑色并發生屈曲。巖棉板失去保溫能力，發生部分碳化以及硬化現象。輕鋼龍骨與石膏板連接的自攻螺釘發生變形，失去其連接能力。石膏板產生破壞性裂紋，摩擦即碎，失去支撐能力發生整體脫落。受火后試件示意圖如圖7所示。

圖7 試驗后試件各部分現象Fig.7 Phenomenon of each part of the specimen after the test

3 有限元模擬概況

3.1 有限元模型建立

建筑發生火災時，構件均承受單面受火情況，熱量傳遞的方式分為熱傳遞、熱對流以及熱輻射，在實際火災下，圍護結構材料溫度變化隨著受火時間而不斷變化，傳熱過程屬于瞬態傳熱過程[19]。基于Abaqus有限元軟件，建立圍護墻板三維實體模型，取同比例1900mm×600mm×50mm板材進行溫度分析。

熱分析模擬中，對于材料高溫下的熱工參數主要包括：密度、導熱系數、比熱容。高溫對于導熱系數與比熱容的影響較大，而對于密度的影響可忽略不計，故熱分析中對于圍護結構及其部件密度取定值。

鋼筋的熱工系數參照規范建議進行取值，密度取7850kg/m3。ALC板材的導熱系數與比熱容隨溫度變化參照李獻勇[20]中給出的研究，密度取500kg/m3。巖棉板密度取120kg/m3。

墻板模型受火面與試驗爐內空氣環境的對流換熱系數取25W/m2，墻板模型背火面與室溫空氣環境的對流換熱系數取10W/m2，綜合輻射系數取0.7。設置室內溫度為20℃。輕鋼龍骨之間、輕鋼龍骨與兩側板材使用Tie約束進行設置，忽略構件之間的摩擦。單元網格的劃分中，網格屬性選擇“熱傳遞”DC3D8八結點線性傳熱六面體單元。有限元模擬墻板建模情況如圖8所示。

圖8 有限元墻板建模Fig.8 Finite element wallboard modeling

3.2 有限元結果

試驗墻板溫度場模擬結果如圖9所示。兩種組合夾芯墻板截面溫度云圖分布由受火面向背火面傳遞。

圖9 ALC、石膏板材溫度云圖Fig.9 ALC, Plaster panel temperature distribution

3.3 有限元結果與試驗結果對比

因在有限元軟件中，試驗模型的單面受火為平面均勻受火，但在實際試驗中受到試驗爐火焰噴口位置、構件距離受火中心的遠近等影響，容易導致時間受熱不均勻，難以實現平面均勻受火的情況，故選取試驗墻板中心處位置溫度測點R3為對比，比較試驗與有限元模擬的吻合度，試驗數據與有限元模擬溫度R3處溫度曲線如圖10所示。

圖10 墻板中心處有限元與試驗數據對比Fig.10 Comparison of finite element and test data at the center of wall panel

由試驗數據與模擬擬合結果可知，ALC墻板中心處試驗溫度為35.7℃，而模擬結果約為32.9℃，試驗數據與模擬結果相差甚微，且均滿足規范要求，且上升區域呈現緩慢上升趨勢。紙面石膏板溫度曲線呈現先上升、中間平穩后續上升的形式，這是由于受火初期導致的溫度緩慢上升，受火20min后，受火面石膏板發生破壞，導致輕鋼龍骨框架與巖棉板形成的保溫層暴露在火源，巖棉直接受火。因巖棉屬于不燃型材料，且其導熱系數低導致背火面石膏板溫度基本平穩。在燃燒40min后，巖棉發生碳化現象，導致其導熱系數升高，保溫隔熱能力降低，從而背火面紙面石膏板溫度逐漸升高。

4 參數分析

為探究同種夾芯墻板結構中，墻板厚度與保溫層厚度對墻板耐火性能的影響，對不同厚度墻板以及保溫層厚度進行建模分析。板厚分別設置為50、75 mm厚，保溫層厚度分別設置為38、50、75 mm，共計6種不同組合（表1)。有限元模擬結果如圖11所示。

圖11 模擬結果溫度云圖Fig.11 Temperature nephogram of simulation results

表1 有限元模型尺寸表Table 1 Finite element model size table

由圖11可知，因有限元模擬中對于受火面的受火為均勻受火，表面溫度在相同條件下均相同。Q1～Q3為保溫層厚度對比，上升趨勢在前30min基本無明顯變化，由于受到受火面ALC墻板的保護，背火面溫度無明顯上升，與試驗結果吻合。在板厚相同的情況下，保溫層的厚度與背火面溫度成反比，保溫層越厚，背火面的溫度越低，背火面的溫度變化量不超過2%。雖然U60輕鋼龍骨作為保溫層時，背火面溫度最小，但是由于與U50輕鋼龍骨保溫層差距幾乎可以忽略不計。現階段巖棉板廠家批量生產的巖棉板基本為50mm厚、80mm厚，若使用60mm厚的巖棉板作為保溫層，需要將80mm厚沿厚度進行切割，反而加大了施工作業量，對此建議仍使用U50輕鋼龍骨作為保溫層框架。

Q1與Q4、Q2與Q5、Q3與Q6分別對應相同保溫層厚度下，不同的板厚對背火面溫度造成的影響。50mm厚ALC與75mm厚ALC在同條件下溫度差為12℃左右。75mm厚ALC雖然能使構件的溫度下降幅度較大，力學性能也相應變強，但對于框架結構的裝配式變電站，圍護結構不需承受太多載荷，且75mm厚ALC板材整體厚度較大，間接壓榨了室內的可利用空間，且造價高于50mm厚ALC板材，從經濟以及實用性角度考慮，50mm厚ALC為最佳選項。

5 結論

本文提出了一種新型墻板結構形式，對現有外掛墻板安裝工藝進行改造，將輕鋼龍骨框架與內外墻板結合一體，形成一體化墻板結構。通過單面受火耐火試驗對整體圍護結構進行研究，對試驗墻板耐火極限、破壞形式進行分析。

(1) 對于50mm厚的ALC內龍骨夾芯墻板，試驗結果表明試驗墻板單點溫度及平均溫度均滿足耐火極限規范要求，證明所設計的裝配式夾芯內龍骨ALC板材具有良好的抗火能力，可作為建筑外墻板和內墻板使用。安裝過程相較于現階段安裝工藝更為簡單，減少工期以及現場作業量。

(2) 對于雙面4×12(mm)厚紙面石膏夾芯墻板，試驗結果表明結構同樣滿足規范要求，其背火面單點溫度未達到耐火極限。且石膏板材相較于ALC墻板造價更低，整體板材厚度小于50mm厚ALC墻板，適用于室內以及廠房內墻板的使用。墻板整體重量低，利于運輸安裝，但因石膏板材屬于脆性材料，需注意其發生彎曲而導致斷裂。

(3) 從經濟性、美觀性角度而言，裝配式建筑外墻板可選用雙層50mm厚ALC夾芯墻板，內墻板可以選用雙層紙面石膏夾芯墻板。