下一代建筑立面系統(tǒng)用復(fù)合材料

庾迎輝

摘 要：針對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRPCs）在現(xiàn)代建筑立面系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用，闡述了FRPCs的防火性能，還對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）的防火性能進(jìn)行了實(shí)例研究——基于玻璃纖維增強(qiáng)聚酯，乙烯基酯，環(huán)氧樹(shù)脂和苯酚無(wú)阻燃劑建立的數(shù)值模型。

關(guān)鍵詞：防火性能;復(fù)合材料;玻璃纖維增強(qiáng)聚合物;消防安全;建筑施工

中圖分類號(hào)：TQ314 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0134-04

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRPC）是20世紀(jì)40年代隨著石油化工制造業(yè)的迅速發(fā)展而首次發(fā)現(xiàn)的。與單個(gè)組分相比，復(fù)合材料中兩種組分的組合，即增強(qiáng)相和連續(xù)相，提供了優(yōu)越的性能。連續(xù)相（或基質(zhì)）有助于將纖維保持在其預(yù)期位置，保護(hù)其免受環(huán)境影響，將載荷傳遞給纖維，并提供額外的強(qiáng)度[1＼|3];另一方面，纖維保證了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度、高柔性等優(yōu)點(diǎn)，在民用領(lǐng)域成為替代傳統(tǒng)材料（如鋁和鋼）的潛在候選材料[4]。例如，作為傳統(tǒng)金屬基材料的替代品，碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料有助于減輕50%～70%的質(zhì)量。此外，F(xiàn)RPC產(chǎn)品的制造靈活性非常適合建筑師和工程師在設(shè)計(jì)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)（如立面系統(tǒng)）時(shí)的需求，同時(shí)保持機(jī)械性能和耐久性

1 立面系統(tǒng)概述

在現(xiàn)代立面系統(tǒng)中使用FRPC作為金屬基材料的替代材料的優(yōu)勢(shì)和潛力引起了人們的極大興趣，包括對(duì)各種類型的FRPC的研究，這些FRPC具有不同的熱機(jī)械性能、環(huán)境影響、壽命周期和制造工藝。為了選擇合適的材料以滿足設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)和安全要求，有必要對(duì)每種類型都有透徹的了解[5]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體和纖維增強(qiáng)組分的選擇，以及它們的組合方法都會(huì)影響復(fù)合材料的性能。一個(gè)選擇FRPC的最重要參數(shù)之一是復(fù)合材料的極限基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和最高使用溫度（Tser），其表達(dá)式：

Tser≤Tg-28

然而，Tg值較高的樹(shù)脂具有更高的脆性，因此需要更高的固化溫度和更長(zhǎng)的固化時(shí)間，從而導(dǎo)致更高的成本。需要考慮吸濕性、防火等級(jí)、纖維與基體結(jié)合表面微裂紋的可能性以及環(huán)境影響。

FRPC材料類型包括了聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂和聚酚類樹(shù)脂，它們都是熱固性樹(shù)脂。聚丙烯酚具有優(yōu)良的防火性能和化學(xué)性能，良好的結(jié)構(gòu)性能和合適的轉(zhuǎn)變溫度，其是3種類型中最好的。然而，聚酚類的制備相對(duì)復(fù)雜，因此，它特別被用作建筑用高性能復(fù)合材料的樹(shù)脂，而不是用于立面系統(tǒng)。與聚酚類類似，環(huán)氧樹(shù)脂在結(jié)構(gòu)、化學(xué)和防火性能以及防潮性方面也比聚酯具有更好的性能。另一方面，從累積能源需求、溫室氣體排放和生態(tài)點(diǎn)3個(gè)參數(shù)來(lái)考慮聚酯對(duì)環(huán)境的影響時(shí)，聚酯比環(huán)氧樹(shù)脂更環(huán)保。累積能源需求是指石化燃料的消耗量，在環(huán)境影響中起著重要的作用。溫室氣體排放反映了氣候變化問(wèn)題的影響，生態(tài)點(diǎn)反映了總體環(huán)境影響，根據(jù)配方影響評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估。聚酯除了具有較低配方、累積能量需求和溫室氣體排放值所表明的環(huán)境影響更小外，在制造過(guò)程中通常比環(huán)氧樹(shù)脂更方便。這是基于聚酯的凝膠時(shí)間通常比環(huán)氧樹(shù)脂長(zhǎng)的原因，因此，與快速硬化環(huán)氧樹(shù)脂相比，它可以很好地控制和靈活定制。

大多數(shù)熱固性樹(shù)脂從周圍環(huán)境中吸收水分，并隨著暴露在環(huán)境中而變質(zhì)（見(jiàn)圖1）。

然而，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在熱固性復(fù)合材料表面覆蓋一層凝膠來(lái)解決。凝膠涂層也為復(fù)合材料立面提供了光滑均勻的外觀。目前阻礙FRPC在立面系統(tǒng)中應(yīng)用的緊迫問(wèn)題在于其防火性能。雖然學(xué)者們的許多研究集中于復(fù)合材料在火災(zāi)下的熱機(jī)械響應(yīng)，這可能最終導(dǎo)致建筑物和結(jié)構(gòu)的倒塌，但火災(zāi)期間對(duì)居住者造成的最致命和最迅速的影響是熱量和煙霧的產(chǎn)生[6＼|7]。

2 GFRP防火性能的實(shí)例研究

采用符合建筑產(chǎn)品防火等級(jí)規(guī)范的單燃燒項(xiàng)（SBI）試驗(yàn)，對(duì)FRPC的防火性能進(jìn)行了研究。用位于樣品兩個(gè)垂直壁角的丙烷氣體燃燒器垂直測(cè)試樣品（見(jiàn)圖2）。

試驗(yàn)的輸出結(jié)果是暴露于主燃燒器后最初600 s內(nèi)試樣釋放的總熱量、試樣釋放的最大熱商數(shù)以及當(dāng)THR閾值超過(guò)0.2 MJ時(shí)試樣暴露于主燃燒器的時(shí)間，以及總煙霧產(chǎn)生量試樣的速率。背板位于離機(jī)翼背面80 mm處，由硅酸鈣制成;短翼子板背面的背板尺寸為570 mm×1 500 mm×12 mm（長(zhǎng)×高×寬），長(zhǎng)翼子板背面的背板尺寸為1 080 mm×1 500 mm×12 mm（長(zhǎng)×高×寬）。

根據(jù)相關(guān)防火規(guī)范，建筑物中的材料必須滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中包括沒(méi)有橫向火焰蔓延到試樣邊緣，在0.2 MJ的總熱釋放閾值下測(cè)得的火焰增長(zhǎng)率指數(shù)（FIGRA）不超過(guò)120 W/s，燃燒點(diǎn)火后的前600 s（大約300 s）的總放熱量不超過(guò)7.5 MJ。s2級(jí)的要求包括煙氣增長(zhǎng)率小于180 m2，燃燒點(diǎn)火后前600 s的總煙氣量不超過(guò)200 m2。還要求在SBI試驗(yàn)的600 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)無(wú)燃燒/熔化液滴等。

以玻璃鋼為例，研究了玻璃鋼的總放熱率和火災(zāi)增長(zhǎng)率。選擇低成本、高強(qiáng)度和耐化學(xué)性的玻璃纖維，因?yàn)樗鼈兣c立面系統(tǒng)兼容。對(duì)聚酯基、乙烯基酯基、環(huán)氧基和苯酚基GFRP進(jìn)行了定量比較。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析基于火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬器（FDS），并通過(guò)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）開(kāi)發(fā)的Smokeview（版本5.6）進(jìn)行可視化。本研究利用有限差分法（FDS）方便地模擬了FRPC熱解過(guò)程中熱氣的產(chǎn)生和SBI實(shí)驗(yàn)中火焰的傳播。計(jì)算時(shí)間設(shè)置為900 s，點(diǎn)火時(shí)間設(shè)置為300 s。CFD網(wǎng)格尺寸在所有方向上均采用尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體單元離散，整個(gè)試驗(yàn)室面積為3 m×3 m，高度為2.4 m。標(biāo)本高1.5 m，厚200 mm，長(zhǎng)翼和短翼的長(zhǎng)度分別為1.0 m和0.5 m。將樣品放置在試驗(yàn)室中，使每個(gè)機(jī)翼平行，距離墻壁0.7 m。燃燒器位于試樣拐角處，燃燒面離地80 mm。燃燒器框架是鋼制的。機(jī)翼設(shè)計(jì)為多層板，由12 mm硅酸鈣和200 mm復(fù)合材料制成。建立數(shù)值模型所需的其他參數(shù)包括煙塵和理想值，這些理想值表示燃料轉(zhuǎn)化為煙霧顆粒的比例，這與液體燃料在火災(zāi)中產(chǎn)生的煙霧密切相關(guān)。對(duì)于丙烷，煙塵產(chǎn)率的默認(rèn)值為0.01。燃料的邏輯輸入，表示燃料燃燒完成。在這項(xiàng)研究中，假設(shè)所有丙烷都完全燃燒，燃燒器釋放的熱量應(yīng)等于30 kW，這相當(dāng)于本研究中為燃燒器設(shè)置的960 kW/m2的單位面積熱釋放率（HRRPUA）。

熱解材料的兩個(gè)重要特征參數(shù)是反應(yīng)熱和燃燒熱。反應(yīng)熱（kJ/kg）是材料作為固體燃料反應(yīng)所需的熱量。換言之，該值表示供應(yīng)給每千克材料以點(diǎn)燃燃燒的外部能量。固體材料的反應(yīng)熱（kJ/kg）等于其固態(tài)和氣態(tài)的焓差;另一方面，燃燒熱是每千克物質(zhì)在燃燒反應(yīng)中釋放的熱量。該參數(shù)對(duì)于火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬非常重要，因?yàn)樗兄诰_計(jì)算釋放的熱量。在該模型中，熱釋放源來(lái)自燃燒器和不飽和聚酯與硅酸鈣的氣體反應(yīng)。火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，如表1所示。

表1結(jié)果表明，苯酚基復(fù)合材料是唯一通過(guò)THR 600 s和FIGRA B級(jí)要求的材料。所有材料的THR 600 s值都遠(yuǎn)低于7.5 MJ的閾值。然而，聚酯基、乙烯基酯基和環(huán)氧基GFRP超過(guò)了FIGRA的閾值標(biāo)準(zhǔn)，即120 W/s。聚酯基復(fù)合材料的FIGRA最高，幾乎是環(huán)氧基復(fù)合材料的3倍。盡管4種材料的總熱釋放THR 600 s約為4.7 MJ，但FIGRA值的較大變化表明，樣品中火焰的發(fā)展存在差異。聚酯基復(fù)合材料的高FIGRA指數(shù)表明，在4種類型中，誘導(dǎo)火焰?zhèn)鞑プ羁?。苯酚基?fù)合材料的低FIGRA指數(shù)是幫助這種FRPC通過(guò)歐洲規(guī)范的關(guān)鍵特性。圖3顯示了從SBI試驗(yàn)所需持續(xù)時(shí)間開(kāi)始到結(jié)束的不同時(shí)間聚酯基復(fù)合板燃燒過(guò)程的快照。在第900 s，火還沒(méi)有到達(dá)面板的邊緣，這表明復(fù)合材料滿足EN13501-1：2007中B級(jí)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

另一方面，乙烯基酯基和環(huán)氧基復(fù)合材料的FIGRA值分別為12.5%和1.8%，高于B級(jí)120 MJ的閾值。建議增加纖維增強(qiáng)的比例可以降低該值，因?yàn)椴ＡЮw維的閾值溫度為880 ℃，因此不會(huì)燃燒在試驗(yàn)條件下。應(yīng)注意的是，該數(shù)值分析是在玻璃纖維增強(qiáng)體質(zhì)量為30%的復(fù)合材料中進(jìn)行的。應(yīng)進(jìn)一步研究使用更高百分比的纖維增強(qiáng)材料。

聚酯基復(fù)合材料的FIGRA基本上超過(guò)了EN1350-1：2007的要求，而玻璃纖維增強(qiáng)比例的進(jìn)一步增加并不能夠使FIGRA減少。因此，在聚酯基復(fù)合材料中使用阻燃劑至關(guān)重要。雖然成本效益推動(dòng)了使用聚酯基復(fù)合材料的需求，但與其他復(fù)合材料系統(tǒng)相比，阻燃劑的添加及其對(duì)制造工藝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

FRPC是用于現(xiàn)代立面系統(tǒng)的創(chuàng)新候選產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兛梢栽诿烙^和復(fù)雜的設(shè)計(jì)中提供優(yōu)異的性能和成本效益。本文考慮了幕墻應(yīng)用的潛在FRPC類型。幕墻系統(tǒng)中FRPC的主要問(wèn)題是防火性能差，根據(jù)歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)一個(gè)實(shí)例研究了材料在單燃燒項(xiàng)試驗(yàn)（全尺寸燃燒試驗(yàn)）中的燃燒性能。只有苯酚基復(fù)合材料才能通過(guò)B類分類，這是建筑應(yīng)用材料的要求。然而，苯酚基復(fù)合材料固化過(guò)程復(fù)雜，難以定制。為了應(yīng)用于聚酯基和環(huán)氧基復(fù)合材料，有必要對(duì)其防火性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。建議在環(huán)氧基和聚酯基復(fù)合材料中分別增加玻璃纖維增強(qiáng)部分和使用阻燃劑。

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