轻钢组合构件常用建材的高温热物理试验方法研究

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轻钢组合结构具有轻质、高强、环保等优点,目前已在国内外广泛应用,在此发展过程中,其耐火性能成为需重点解决的问题。利用数值仿真开展轻钢组合结构耐火性能的研究时,其组成材料的高温热物理特性(包括比热容、导热系数和密度)是影响其结构热响应模拟精度的重要因素。目前高温热物理特性需通过试验获得,然而,高温热物理试验中所用试验参数在现有规范中尚未给出精确全面的标准取值,导致试验结果的精度难以保障。鉴于此,本文针对六种轻钢组合构件的常用建材,即石膏板、玻特板、蒸压轻质混凝土板(即ALC板)、岩棉、硅酸铝棉和挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(即XPS板),结合试验及有限元数值分析提出了各材料高温热物理试验参数的标准化取值,并验证了其有效性。主要内容及结论如下:针对六种常用建材,利用均匀设计方法设计并进行了多组比热容试验,考虑升温速率、样品质量、样品粒径等试验参数对常用建材比热容曲线的影响,同时分析其影响机理并量化试验参数的影响大小。所得结论如下:升温速率与样品质量的增加将导致石膏板、玻特板和ALC板脱水反应滞后,使其比热容曲线的脱水峰值温度提高;岩棉、硅酸铝棉和XPS板在其升温范围内无明显化学反应,其比热容曲线可简化为常数(即基础比热值),且仅样品质量对其基础比热值有显著影响;样品粒径的改变将影响石膏板、玻特板和ALC板样品中各成分占比,进而影响其比热容的脱水量与脱水吸热量。利用均匀设计方法设计并进行了六种常用建材的高温导热系数试验,同时分析各试验参数(即加热温度、样品尺寸、冷热板平均温度和冷热板温差)对其导热系数的影响机理,并获得了导热系数与其试验参数的数学模型。所得结论如下:加热温度的提高将使得石膏板、玻特板和ALC板发生脱水反应,引起其导热系数的降低;样品尺寸的减小将加剧石膏板、玻特板、ALC板、岩棉和硅酸铝棉的侧面散热,造成更多的热量损失,从而引起其导热系数的增加;冷热板平均温度和冷热板温差的变化将加剧或降低石膏板、岩棉、硅酸铝棉和XPS板孔隙中空气的导热和孔隙间的辐射作用,从而影响其导热系数。使用有限元分析软件COMSOL建立轻钢组合构件的二维模型并进行传热数值模拟,分析模拟温升曲线对六种常用建材高温热物理特性的敏感性以及二者的相关性,同时结合各材料热物理特性与其试验参数的数学模型,提出了六种常用建材高温热物理试验参数的标准取值。所得结论如下:石膏板、玻特板和ALC板温升曲线中脱水平台结束时的温度对其比热容曲线的峰值温度敏感性显著,并且可认为两温度一致,据此给出了石膏板、玻特板和ALC板比热容升温速率和样品质量的标准化取值;当石膏板样品粒径≤40μm时、玻特板和ALC板粒径≤25μm时,其样品各成分占比将不符合实际,为保证样品组成的真实性与测试结果的准确性,给出了石膏板、玻特板和ALC板比热容样品粒径的标准化取值;结合比热容测试样品和参比物的热容平衡方程,给出了岩棉、硅酸铝棉和XPS板比热容试验参数的标准取值;石膏板和玻特板导热系数的改变将影响其板材脱落时间以及产生贯通裂缝时间的判定,依据其抗火试验数据中板材实际脱落及产生贯通裂缝的时间,给出了石膏板和玻特板导热系数试验参数的标准取值;ALC板、岩棉、硅酸铝棉和XPS板模拟温升曲线对其导热系数敏感性不显著,依据模拟结果与试验结果的吻合程度,获得了四种材料导热系数试验参数的标准取值。利用六种建材的标准化试验参数进行其高温热物理试验,随后将试验结果作为各材料的高温热物理特性,对多种轻钢组合构件进行二维瞬态传热数值模拟,并将其模拟结果与试验结果对比。结果表明:使用本文标准化试验参数测得的高温热物理曲线具有良好的准确性,验证了本文标准化试验参数的有效性,提高了六种材料高温热物理试验数据的完备性和精确度。同时,本文提出的试验参数标准化方法也可推广至其他建材的高温热物理试验中,从而使高温热物理试验具有基本遵循。
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