普通与防火石膏板不同环境下的高温热物理特性研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kissall79
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在冷成型钢结构中,石膏板被广泛用作冷成型钢复合墙体的覆面墙板。此时,石膏板不仅可以发挥墙板的围护功能,还可以显著提高冷成型钢复合墙体的耐火性能。普通石膏板和防火石膏板是最当前常见的石膏板类型,且普通石膏板更具造价优势。然而,已有的石膏板覆面冷成型钢复合墙体耐火研究大多针对防火石膏板。同时,石膏板制造商和原产国差异对复合墙体耐火性能影响的研究仍然十分有限。此外,在日常使用环境中,随光照、温度作用的时长累加,石膏板热物理性能可能退化,这可能导致以其覆面的复合墙体不再满足耐火设计要求。鉴于此,本文选取三家主要石膏板生产商的普通石膏板和防火石膏板,目标提升冷成型钢结构抗火设计的安全性与经济性,开展了系列试验研究工作,主要研究内容如下:1、不同型号石膏板对冷成型钢复合墙体耐火性能影响开展6片同侧双层石膏板覆面的冷成型钢复合墙体中等尺寸模型非承重耐火试验研究,结果表明:(1)不同品牌石膏板(同类型)的受火隔热性能存在差异,这可能与石膏板密度密切相关。高密度石膏板具备更优异的受火脱水吸热能力,有助于延缓墙体升温;(2)玻璃纤维有助于约束石膏板的高温收缩,延缓石膏板发生受火脱落。本文耐火试验中,内部玻璃纤维观察不明显的石膏板受火脱落时,石膏板冷面温度介于560和710℃之间,而玻璃纤维明显的石膏板受火脱落时石膏板冷面温度超过780℃;(3)普通石膏板受火隔热性能并非一定弱于防火石膏板;考虑到普通石膏板更具造价优势,建议冷成型钢复合墙体耐火设计时可以优化覆板的组合构造方式;(4)提出以受火侧的石膏板冷面温度达550℃且温升速率超过40℃/min作为石膏板受火脱落的判定准则;新准则可以针对石膏板的时间-温度曲线明确量化石膏板的受火脱落时刻及脱落温度。2、不同型号石膏板的热物理性能差异针对6种石膏板,共完成84次不同温度处理工况的导热系数试验,12次差示扫描量热—热失重分析试验,结果表明:(1)石膏板密度是影响石膏板热物理性能的重要因素。一方面,石膏板常温导热系数与石膏板密度相关,且常温导热系数与密度保持正相关关系;另一方面,石膏板密度提升将提高石膏板的比体积焓。此外,石膏板组成成分比例的差异也将影响石膏板的比体积焓;(2)石膏板中添加玻璃纤维有利于约束石膏板高温收缩。当石膏板温度达700℃时,石膏板中玻璃纤维出现缩短、熔化现象,这将不利于玻璃纤维约束石膏板裂缝开展;(3)通过归纳石膏板热物理试验数据,提出适用不同密度石膏板的高温热物理特性统一表达式。对于已知常温密度的石膏板,可根据所提出的统一表达式近似获得其高温热物理特性。此外,为便于工程设计人员使用,给出石膏板高温热物理特性简化取值,用于快速计算冷成型钢复合墙体的龙骨翼缘温升。3、加速老化后石膏板的热物理及力学性能针对博罗防火及普通石膏板,开展紫外光(UV)和温度加速老化试验,获得老化后石膏板,而后开展了28次导热系数试验、60次差示扫描量热—热失重分析试验、16次三点弯曲试验,还开展了2片覆以老化后石膏板的冷成型钢复合墙体中等尺寸模型非承重耐火试验研究,结果表明:(1)加速老化环境作用下,本文所选博罗防火石膏板(高密度)难以发生Ca SO4·2H2O脱水反应,博罗普通石膏板(低密度)满足Ca SO4·2H2O脱水反应条件,推测由于博罗普通石膏板中Ca SO4·0.5H2O或Ca SO4水化,石膏粒径偏向细颗粒,加剧了Ca SO4·2H2O脱水反应程度。此外,经历加速老化作用,结晶水含量出现降低的石膏板,在常温静置过程中,石膏板吸收空气中水分,石膏板结晶水含量逐渐恢复至石膏板初始状态;(2)加速老化环境作用下,经历Ca SO4·2H2O脱水、再结晶过程的石膏板,受石膏板孔隙结构变化影响,其常温导热系数较原始状态小幅度降低。但过程中释放了石膏晶体间热应力,晶体间相互作用减弱,石膏板不易发生受火开裂,从而利于提升石膏板受火隔热性能;给出了考虑老化作用修正后的石膏板高温热物理特性统一表达式;(3)加速老化作用还可能影响石膏板护面纸结构。本文试验中,老化后博罗防火石膏板纵向静曲强度和弹性模量相较其初始状态分别下降10.8%、4.6%,老化后博罗普通石膏板纵向静曲强度和弹性模量相较其初始状态分别下降54.2%、45.0%。这将导致石膏板力学性能下降,降低石膏板覆面对于墙体龙骨的侧向约束能力。本文创新点如下:提出考虑石膏板品牌、类型差异以及环境老化作用影响的石膏板统一热物理特性表达式,便于冷成型钢复合墙体耐火设计及数值仿真材性输入。
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