无机轻集料保温砂浆防火性能的研究

摘要

建筑保温材料的燃烧性能与耐火极限对于建筑物抵抗火灾的侵害或阻止自身建筑火势的蔓延都是非常重要的。近年来，全国各地因有机保温材料引发的火灾频发，无机轻集料保温砂浆，尤其以玻化微珠保温砂浆为代表的新型无机保温砂浆，凭借其优良的防火性能及保温隔热性能，正逐步成为建筑保温材料发展的新方向。
　　无机轻集料保温砂浆主要由无机轻骨料、胶凝材料、抗裂纤维、外加剂、改性组分等组成。本文在参考已有实验室配方的基础上，利用正交试验对无机轻集料保温砂浆对火反应性能以及各组分掺量变化对保温砂浆防火性能的影响进行了研究；同时，借助有限元分析软件ANSYS计算了标准火灾升温条件下钢筋混凝土柱截面的温度场，并分析了火灾情况下玻化微珠保温砂浆层对钢筋混凝土结构构件温度场的影响。
　　试验结果表明，玻化微珠保温砂浆具有良好的防火性能，高温条件下能有效阻止热量在其内部的传导；选定的四因素对无机轻集料保温砂浆高温隔热性能影响的主次顺序为：保温骨料掺量→水泥用量→发泡剂掺量→复合外加剂的种类；当骨料、水泥、发泡剂及复合外加剂用量(种类)分别选用120kg/m3、90 kg/m3、4％及复合外加剂I(40 kg/m3粉煤灰、4％可再分散乳胶粉、0.4％聚丙烯纤维、0.7％纤维素醚)时，玻化微珠保温砂浆能获得最佳的防火效果和较低的导热系数；保温砂浆内部结构、含水量及导热系数对其耐火极限影响较大，当温度低于100℃时保温砂浆含水量对试验升温曲线(耐火极限)影响最大；由于保温骨料结构的特殊性质，因此相对于混凝土等材料而言，玻化微珠保温砂浆具有优良的高温抗裂性能。
　　通过借助有限元软件ANSYS对标准升温条件作用下钢筋混凝土柱截面温度场的计算表明：火灾情况下，保温砂浆层能有效降低构件截面温度及钢筋位置处的升温速率；在标准火灾升温条件下，当时间t=2h时，有玻化微珠保温系统层作为防火保护层的柱表面混凝土最高温度低于350℃，有效保证了钢筋及混凝土材料的力学强度；在保温砂浆层与构件界面处温度曲线出现明显拐点，且保温砂浆层内部温度梯度明显高于混凝土材料温度梯度；增大保温砂浆层厚度能有效提高防火、隔热效果；保温砂浆导热系数越小，保温砂浆层内部温度梯度越大，火灾情况下构件内部温度越低。
　　试验研究及有限元分析表明，无机轻集料保温砂浆具有良好的防火性能和高温抗裂性。因此，在进行建筑结构抗火设计时，特别是采用内保温构造的节能建筑，在无机轻集料保温砂浆系统施工质量有保证的情况下，将无机保温砂浆层作为构件的防火保护层来考虑是可行的。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 建筑能耗形势严峻

1.1.1 我国建筑能耗状况及节能政策

1.1.2 国外建筑能耗及节能概况

1.2 建筑外保温的作用及应用现状

1.2.1 建筑外墙保温在建筑节能中的重要作用

1.2.2 外墙保温材料的应用现状

1.3 选题背景

1.3.1 建筑保温体系防火性能的重要性

1.3.2 建筑外墙保温材料发展的新方向

1.3.3 玻化微珠保温砂浆的特性

1.3.4 无机轻集料保温砂浆防火性能研究概况

1.3.5 玻化微珠保温砂浆防火性能研究的意义

1.4 本文研究目的及研究内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

第2章 试验原材料及基本性能测试方法

2.1 原材料及其基本性能

2.1.1 保温骨料

2.1.2 水泥

2.1.3 粉煤灰

2.1.4 发泡剂

2.1.5 增强纤维

2.1.6 聚合物外加剂

2.1.7 生石灰

2.2 保温砂浆基本性能的测试方法

2.2.1 干密度测试方法

2.2.2 抗压强度的测定方法

2.2.3 导热系数的测定方法

2.2.4 耐火极限测试方法

第3章 无机轻集料保温砂浆防火性能试验研究

3.1 正交试验方案设计

3.1.1 正交试验设计理论

3.1.2 试验方案设计

3.2 玻化微珠保温砂浆基本性能及耐火极限

3.3 保温砂浆基本性能的分析

3.4 保温砂浆导热系数对高温隔热性能的影响

3.5 保温砂浆耐火极限的研究

3.6 含水量对保温砂浆防火性能的影响

3.7 保温砂浆火灾高温抗裂性能的研究

3.8 最优配方及对比试验

3.9 本章小结

第4章 无机轻集料保温砂浆高温隔热性能有限元分析

4.1 引言

4.2 构件火灾温度场分析的理论基础

4.2.1 ANSYS温度场计算原理

4.2.2 基本假设

4.2.3 火灾标准升温曲线

4.2.4 瞬态热传导基本微分方程和定解条件

4.2.5 混凝土材料高温热工性能

4.2.6 材料的高温力学强度

4.3 钢筋混凝土柱火灾温度场有限元计算

4.4 钢筋混凝土柱火灾温度场分析

4.4.1 无机保温系统对柱截面温度场的影响

4.4.2 柱截面节点升温曲线

4.4.3 无机保温砂浆层厚度变化对柱温度场的影响

4.4.4 无机保温砂浆导热系数对柱温度场的影响

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢