拉挤玻璃钢型材建筑地板防火系统第1部分:试验研究
若昂·r·科雷亚1,费尔南多·a·布兰科1,若昂·g·费雷拉1,玉白2,托马斯·凯勒3
1 葡萄牙里斯本技术大学高级技术学院土木工程与建筑系， Rovisco Pais大道 1,1049 -001 Lisboa葡萄牙
2莫纳什大学土木工程系，克莱顿，VIC 3168 澳大利亚
3 复合结构实验室CCLab，洛桑联邦理工学院EPFL, BP2225, 16站，CH-1015，洛桑，瑞士
摘 要
本文介绍了GFRP拉挤型材在火灾作用下的性能试验研究结果，以研究其在建筑楼面结构中使用的可行性，同时考虑其防火性能的要求。研究了采用三种不同的保护涂层/层(通常用于保护结构钢)和水冷却系统对玻璃钢拉挤型材进行防火的可行性和有效性。实验方案包括动力力学分析(DMA)、热重和差示扫描量热(TGA/ DSC)实验和GFRP管状加载梁的耐火试验。未受保护的GFRP梁在大约38分钟后失效,三种不同的被动保护系统提供65 - 76分钟之间的耐火性和水冷却系统提供至少120分钟的耐火性。失效发生在梁的上部,是由于压缩和剪切应力。这些实验的结果允许根据建筑规范的要求定义每个研究解决方案的应用领域。
关键词:聚合物基复合材料；高温性能；力学测试；拉挤成型
1. 介绍
纤维增强聚合物(FRP)材料与传统材料相比具有轻质、强度高、绝缘性能好、维护费用低、耐久性好等优点，在土木工程中的应用越来越广泛[1,2]。与此同时，新的设计问题和挑战不可避免地会遇到[3,4]，其中包括在火灾中，特别是在建筑应用中，对其性能的合理关注。
建筑材料必须具有足够的防火反应性能，避免火灾的发生、火焰的蔓延和过量的烟雾的产生和蔓延。此外，结构构件还应具有足够的防火性能，以防止结构在火灾中倒塌。然而，当FRP材料暴露在高温下(300-500℃)，有机基质分解，释放热量、烟雾、烟尘和有毒挥发物。同时，FRP材料在加热到(100 – 200℃)中等温度时，会发生软化、蠕变和变形，这种力学性能的退化往往会导致承重复合结构的屈曲破坏机制[5-7]。
尽管有这些不利的性能，玻璃钢材料在火灾情况下仍具有其他有利的性能。与钢等其他传统材料相比，复合材料是非常好的隔热材料，这一特性对于减缓火灾从一个房间蔓延到另一个房间[8]非常重要。此外，与钢相比，复合材料具有更好的耐燃性，可以有效地阻挡火焰、热量、烟雾和有毒气体。此外，还可以采取一些措施来提高玻璃钢材料的防火性能。
与火灾的反应行为如[9-13]和火灾后的行为例如,[14] 相对比,通过许多的调查，对此有了一个很好的理解，,进行了一些研究FRP材料的耐火性能,尤其是中等大小的元素负载下的结构行为。
黄的实验报告等[15]和黄和王[16]GFRP应用频道元素的抗压强度在升高的温度下表现出明显的力量已经在减少60 ℃和90℃， 抗压强度在这些温度下，由于温度的影响分别为63%和31%。
Mouritz和Gibson[5]通过比较玻璃-乙烯基莱斯特层合板在50 kW/m2热流下，受到不同的压缩和拉伸应力的破坏时间，并得出结论，拉伸破坏的时间大约比压缩破坏的时间高一个数量级。在受拉荷载作用下，破坏是由纤维的热软化和蠕变断裂所导致。事实上，高温会导致纤维的蠕变速率增加，此外，由于周围聚合物基体的挥发作用，纤维的蠕变速率也会受到限制。相比之下，在压缩载荷作用下，破坏过程是由最靠近热表面的层之间的基体软化和分层开裂导致的，这种机制导致玻璃纤维的塑性扭结型破坏，Bausano等人也在其中[17]描述了这种机制。玻璃纤维的抗拉强度损失要比聚合物基体的抗压强度损失平缓得多，这使得复合材料在压缩下的破坏时间要短于在拉伸下的破坏时间。
Feih等人[18]对玻璃-乙烯基莱斯特层压板进行了不同热流密度(从10 kW/m2到75 kW/m2)下的拉伸或压缩加载实验。研究表明，在拉伸载荷作用下，在树脂分解初期，层合板能够承受60%的环境温度破坏载荷。此外，即使整个基体已经分解，层压板仍然能够承受低负载，大约30%的环境温度最大负载。作者通过对仅由玻璃纤维制成的试样进行额外的试验，进一步深入研究了与拉伸破坏有关的机理。观察到没有主要区别在复合材料和玻璃纤维织物样本的故障时间之间,从而支持了之前的发现,失效可能发生热解后整个矩阵,基本上是由时间控制软化玻璃纤维强度在外加应力。
在[5]也报道过的一项进一步研究中，Mouritz和Gibson比较了玻璃-乙烯基和玻璃-酚醛层合板在拉伸/压缩载荷下的耐火性能，并将其置于不同的辐射热流中。作者发现玻璃酚醛层压板虽然本身的易燃性较低，但其失效时间最短。作者将这种较低的耐燃性归因于更广泛的热诱导分层和基体开裂，与玻璃-乙烯基莱斯特层合板相比。在这方面，Mouritz等[19-21]也报道了酚醛、聚酯和乙烯基莱斯特复合材料的力学性能保持非常相似。
Massot[22]在一个由250毫米厚的GFRP拉挤蜂窝梁组成的地板系统上进行了第一次大规模的防火测试，该系统包括嵌入改进的Modar丙烯酸树脂中的玻璃纤维，并加载了三水合物铝。4.90 m跨度梁承受荷载，底部表面同时暴露在碳氢化合物火灾中。在相同条件下测试的相同的钢地板，由于板材在火灾中下沉缓慢，16分钟后必须卸载。GFRP地板系统在试验过程中承受了荷载，在暴露41分钟后，当烟气和火焰开始在梁间传播时，试验停止。由于火灾的持续GFRP梁冷的一侧仍低于100℃,而冷的钢地板只用5 - 10分钟达到500 – 600℃。尽管这两个解决方案相比有显著差异,即在地板厚度方面,更好的防火性能的GFRP地板必须归因于其导热系数低。
最近，Keller等[23,24]报道了195 mm厚GFRP拉挤蜂窝板的耐火测试结果，该板由玻璃纤维和非阻燃的异酞聚酯树脂制成。2.75米跨度的楼板承受了荷载，同时底面暴露在ISO 834的火焰中。楼板能够抵抗来自底面的火灾暴露57分钟:结构垮塌不是由受损热面拉伸破坏引起的;相反，是由于树脂软化后纤维失去横向支撑，导致冷压缩翼缘产生失稳失效。最近的Bai和Keller[25]进行的调查解释说，破坏可能是由于腹板-翼缘连接处的剪切强度超过了极限而引起的。为了提高玻璃钢板材的防火性能，作者用水冷却系统保护面板的底部法兰，提出了一种新颖的保护钢构件的概念，Davies和Dewhurst在玻璃-环氧管[26]中也成功应用。通过使用相对较小的流速(适用于实际建筑)，可以在暴露120分钟后保持GFRP面板的结构完整性。
目前，市面上销售的树脂和阻燃剂可以满足大多数的可燃性要求。然而，如果改变基体配方可以克服火灾反应的限制，在耐火性方面，这种方法并没有达到主要结构元素通常需要的耐火性(60-90分钟)。在文献调查中，内部水冷却被证明是最有效的解决方案，此外，是一种非常适合材料的解决方案。然而，内部水冷却只适用于管状结构，如蜂窝板，因此，其他结构形式仍然需要替代和有效的消防解决方案。事实证明，使用插管介导涂层可以改善FRP材料的火灾反应[27,28]和火灾后性能[27,29]。然而，对于FRP结构构件在荷载作用下的耐火性能研究还很有限。关于使用厚层(比如由喷雾应用材料或登机系统)的防火玻璃钢材料在加载下,据作者所知没有研究报道,尽管这个解决方案可能缺乏材料适应性(由于自重),但高火评级是可以预见到的。
本文介绍了加载玻璃钢拉挤型材在火灾作用下的性能试验研究结果。主要目的是研究它们作为结构元素在建筑物的楼层中使用的可行性，同时考虑到防火要求的满足情况。研究了玻璃钢拉挤型材常用的不同保护层对其防火的可行性和有效性，并与水冷却防火系统进行了比较。为了确定其热物理和热机械性能，首先在GFRP材料和防火材料中进行了动态力学分析(DMA)和差示扫描量热法(DSC)以及热重(DSC/TGA)测量。随后，在烘箱上进行了耐火试验，以研究加载GFRP拉挤梁(无保护和受保护)在火灾情况下的状态，并根据ISO 834时间-温度曲线进行了模拟。这些试验研究:(1)采用所研究的被动消防系统的可行性;(2) GFRP材料遇火时的热响应;(3)模拟火灾下梁的力学响应和破坏模式;(4)不同防火体系梁的耐火性能。
2. 材料
实验研究中使用的GFRP材料由Mitera公司提供，Fiberline公司生产。该材料由拉挤法制成的方形管状GFRP型材(100mm*100mm, 8mm厚)组成(图1)。该材料由单向玻璃纤维粗纱和绞合垫(占重量的69%)交替层组成，嵌在的异酞酸聚酯树脂基体中。剖面图的层压板显示，粗纱是放在在截面的中心，而两个垫子是放在材料表面的，在腹板-翼缘连接处具有连续性。通过对型材剪切试样进行拉伸、压缩、弯曲和层间剪切试验，确定了玻璃钢的力学性能。表1给出了这些试验在纵向和横向不同力学性能以及不同荷载类型下得到的平均值和标准差值:极限应力(delta;u)、杨氏模量(E)、极限应变(εu)和泊松比(upsilon;LT)。GFRP剖面的实尺纵向弯曲模量(Ep = 31.0 GPa)和剪切模量(Gp = 3.6 GPa)是通过[30]中描述的实尺三点弯曲试验(三个试样)确定的。
图1 测试前的GFRP管形
表1
GFRP型材的机械性能——平均值和标准偏差值
研究了三种不同的GFRP拉挤型材被动防火系统材料(由葡萄牙TRIA公司提供)，即硅酸钙(CS)板、蛭石/珍珠岩(VP)基砂浆和膨胀涂层。Promatec (Type H)生产的CS板材为烧结硅酸钙，干密度rho; = 870 kg/m3，导热系数lambda; = 0.164 W/mK。TRIA公司生产的VP砂浆由轻质膨胀蛭石、珍珠岩骨料、耐火材料、胶结剂等组成，掺入水(0.67-0.80 l/kg)，干密度rho; = 450-500 kg/ m3，导热系数lambda; = 0.0581 W/mK。实验中使用的溶剂型膨胀涂料(UNITHERM 38091)由杜邦高性能涂料生产，密度rho; = 1240 kg/m3，固重69%，挥发性有机物含量400 g/l。供应商[31]技术单中所报消防材料上述性能均为常温。
2.1.DMA和TGA/DSC实验
根据ISO 6721[32]对GFRP拉挤材料进行动态力学分析(DMA)，确定玻璃化转变温度Tg。在TA仪器的Q800动态机械分析仪上进行了实验，采用双悬臂弯曲试验装置施加循环荷载。对层合板中深度纵向锯切管状断面得到的两个样品(长60 mm，宽15 mm，厚4 mm)进行了实验。在加热速度为2 ℃/min的氮气环境中，测试温度从60 ℃左右升到250 ℃左右。应变幅值为0.05%。结果包括了图2中动态振荡频率的1.0赫兹和确定Tg 在130 ℃到150 ℃之间(损耗模量曲线的峰值出现在140℃)并且初始Tg在82 ℃(基于反曲变化的中间温度变化带来的存储模量曲线)。
根据ISO 11357[33]对GFRP拉挤材料和防火材料进行热重(TGA)和差示扫描量热(DSC)测量，以确定质量变化和能量随温度的变化。这些实验尤其可以确定聚合物Td的分解温度。在TA仪器的SDT2960同时热重分析仪上进行了实验。在空气和氮气环境中，以10 ℃/min的加热速度，从环境温度(大约25℃)到1000 ℃左右进行了测试。大气中TGA测量结果如图3所示(对于GFRP和防火材料)，根据反曲质量变化的中间温度，将GFRP材料的分解温度定义为356℃。
图2所示 对于1.0 Hz频率的DMA结果:存储模量和损耗模量随温度变化曲线
图3所示 大气中TGA:剩余质量与温度的关系
3.耐火试验装置
3.1实验计划
在烘箱中进行了五项试验，以研究GFRP管状梁的防火性能，这些管状梁或采用无保护(U梁)或采用三种不同的被动消防系统或采用主动消防系统(水冷)。
三种被动消防系统应用于型材的下法兰，包括:(1) 15毫米厚CS板(梁CS);(2)15 毫米厚VP砂浆层(梁VP);(3)主动消防系统(梁 WC)由一个开放的水回路组成，其中0.4 m3/h的水流由流量计控制，冷却底部法兰的内表面。
3.2.样品制备
为了安装热电偶以测量整个玻璃钢管的温度分布，在测试梁的预定截面和深度上钻了2.0 mm直径的孔(见3.3节)。然后用液体聚酯树脂制成的胶水和研磨GFRP型材未使用部分的粉末固定热电偶。使用这种胶水的目的是在不改变测点热性能的情况下固定热电偶。
为制备梁CS, CS板采用四排两根螺栓机械固定在GFRP底法兰上，纵向间距为0.40 m。CS板上钻了小洞用于允许热电偶导线通过，热电偶导线已经放置在GFRP型材的底部法兰中。固定CS板后，用石膏和研磨CS板未使用部分的粉末制成的膏体填充这些孔。
对于VP砂浆的应用，混合料的含水量为0.67 l/kg，为了提高GFRP型材与VP砂浆的粘结性，在GFRP底缘上用小螺丝固定10 cm宽的钢丝网。然后浇铸VP灰浆并固化20天。
在制备梁I时，对GFRP型材的下法兰进行研磨后，使用双组分聚氨酯粘附促进剂，然后连续涂覆膨胀涂层，直到达到预期厚度2.0 mm。
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