1、消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期建筑防火设计非加载情况下正交胶合木楼板耐火性能试验研究彭磊1,邱培芳2,3,4,刘永利5（1.天津泰达消防科技有限公司，天津 300381；2.应急管理部天津消防研究所，天津 300381；3.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室，天津 300381；4.天津市消防安全技术重点实验室，天津 300381；5.广州市海珠区住房和建设局，广东 广州 510000）摘要：采用耐火试验炉和标准升温曲线，开展正交胶合木（Crosslaminated timber，简称 CLT）楼板在非加载情况下的耐火性能试验，测试的试件为 5层 CLT 楼
2、板，层板厚度为 35 mm，整体厚度为 175 mm。通过耐火试验获取了 CLT 楼板内部不同深度处的温度、炭化速率和炭化深度等变化规律，分析了不同类型胶黏剂对层板脱落和炭化速率的影响。试验结果表明，所测试楼板试件的耐火隔热性和完整性均不低于 2.00 h。试验发现，采用普通 PUR（聚氨酯）胶的试件，第一层层板在 5869 min时发生脱落，第二层层板在 100113 min时发生脱落，炭化速率高于欧洲标准推荐的炭化速率。相比之下，采用耐热型 PUR 胶的试件未出现明显的层板脱落现象，炭化速率相对稳定。关键词：正交胶合木；耐火性能；炭化速率；胶黏剂；层板脱落中图分类号：X932；TU366.
3、3 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）09-1223-05在我国大力推广装配式建筑和绿色建筑的大背景下，正交胶合木结构（简称“CLT 结构”）受到越来越多的重视和关注1-3。CLT 是一种新型装配式木结构建筑材料，采用木板正交叠放胶合而成，具有结构性能稳定、便于工业化生产和现场快速装配等诸多优点。目前国内部分学者开展了针对小型和中型 CLT 试件的炭化试验研究，如彭磊等4研究了尺寸为 1.300 m0.800 m0.105 m 的中型 CLT 试件、张晋等5-7研究了尺寸为 1.600 m0.280 m0.105 m 的中型 CLT 试件、梁芝君等8研究了尺寸为 0.16
4、 m0.15 m0.04 m 的小型 CLT 试件。通过以上研究，初步掌握了标准火灾条件下 CLT 内部温度和炭化速率等规律，同时也发现了结构用胶对 CLT 层板脱落的影响，可能导致炭化速率增加，大大增加了 CLT木结构建筑的火灾危险性。在对 CLT 墙体炭化特性和耐火性能研究的基础上，本文主要针对 CLT楼板开展了非加载情况下的耐火性能试验研究，获取 CLT楼板内部不同深度的温度分布、炭化速率和炭化深度等变化规律，以及 CLT 楼板试件在非加载条件下的耐火隔热性和完整性。分析不同类型的 PUR胶对层板脱落和炭化速率的影响，并对提出的炭化深度计算方法进行验证，确定该方法对 CLT楼板的适用性。
5、1试验概况1.1试件材料及制作研究共开展 3个 CLT 楼板试件在未加载条件下的耐火试验，见表 1，受火条件均为标准火灾升温曲线。试件总厚度为 175 mm，采用 5层层板，各层厚度均为 35 mm。为研究不同结构用胶的影响，分别采用普通单组分PUR 和耐热型 PUR 胶。压制 CLT 试件时，冷压时间为 1 h，施胶量约为 160 g/m2。试件 5A 和 5B 均采用普通单组分 PUR 胶压制，试件 5C 则采用耐热型 PUR 胶，该胶满足ANSI/APA PRG 320 胶合木结构性能分级标准9。其中，5A 采用成品生产线压制，5B 和 5C 采用中试生产线压制。试件均采用 1级 SPF
6、，含水率平均为（132）%，平均密度约为 460 kg/m2。1.2试验条件及测点布置采用应急管理部天津消防研究所检测中心的多功能耐火试验炉开展非加载情况下 CLT楼板的炭化试验。在试验炉顶部安装框架，对水平试件开展非加载条件下的耐火性能测试。试验炉及安装好的试件示意图如图 1 所示。试件扣除框架遮挡后的实际受火面积为 1 100 mm1 100 mm。为测量试件内部的温度变化，在试件的 3个不同位置（A、B 和 C）沿厚度方向各布置 7 个热电偶，如图 2 所示。其中，第一层热电偶距受火面的深度为 17.5 mm，一层六层各热电偶之间的间距均为 17.5 mm，六层与七层热电偶之间的间距为
7、35.0 mm。2试验过程试验炉温遵循 GB/T 9978.1-2008 建筑构件耐火试验方法 第 1 部分：通用要求 的升温曲线10，试验时间为120 min。试验结束后，试件背火面没有出现完整性或隔热性失效，见表 2。说明在非加载情况下，175 mm 厚 CLT表 1试件列表Table 1List of specimens试件编号5A5B5C试件长宽厚/mmmmmm1 4501 450175胶黏剂普通单组分 PUR耐热型单组分 PUR说明未加载未加载未加载基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0807600）1223Fire Science and Technology,Septe
8、mber 2023,Vol.42,No.9楼板试件的耐火完整性及隔热性均不小于 120 min。试件试件框架框架炉壁试件（a）试验炉示意图（b）试件安装后示意图图 1试验炉及试件示意图Fig.1Schematic diagram of test furnace and specimen表 2耐火隔热性及耐火完整性试验结果Table 2Test results for fire insulation and integrity耐火隔热性判断试件编号5A5B5C背火面最高单点温升/3.54.01.2背火面平均温升/3.03.80.7耐火完整性判断未失去未失去未失去120 min 后，迅速将试件从试
9、验框架上吊出，并浇水灭火。灭火后观察试件发现，对于试件 5A 和 5B，第一层和第二层的层板已基本脱落；对于试件 5C，从残余的炭化层可以看出，第一层层板的炭化层虽然有局部脱落的现象，但整体基本完好，未发生明显的大面积层板脱落。试验结束后，观察从中间锯开的残余截面，如图 3 所示。由图 3可知，试件 5A 和 5B的截面剩余约 2.25层厚的板材（残余厚度分别约为 78 mm 和 76 mm），试件 5C 则剩约 3层厚的板材（残余厚度约为 100 mm）。3试验结果及分析3.1温度数据各试件内部热电偶的温度变化曲线如图 4 所示。从图 4 可以看出，对于相同深度但位置不同的热电偶（例如A1、
10、B1和 C1），温度曲线存在一定的离散性，这与钻孔误差、木材异性、炭层局部随机脱落等多种不确定性因素有关。尽管存在一定的离散性，但仍可清晰地分辨出不同深度处各曲线之间明显的梯度差别。试件 5A 和 5B 采用的是普通单组分 PUR 胶。从图 4（a）、（b）可见，在埋深为 35 mm 和 70 mm 的位置，部分热电偶的温度略高于炉温。这是由于炭层脱落导致热电偶直接受到炉膛高温烟气及木材表面火焰的双重加热作用所致，因此，局部温度会略高于炉温。根据图 4，5A 试件第一层层板（35 mm 处）的脱落时间为 6063 min，第二层层板（70 mm 处）的脱落时间为 100110 min；5B 试
11、件第一层层板（35 mm 处）的脱落时间为 5869 min，第二层层板（70 mm 处）的脱落时间为 110113 min。试件 5C 采用耐热型 PUR 胶，如图 4（c）所示，即使是最外层（埋深 17.5 mm）的热电偶，其温度始终低于炉温，表明试件 5C 中炭层未出现明显脱落现象。此外，相较于试件 5A 和 5B，试件 5C 同一深度不同位置的温度曲线的离散程度更小，这是由于试件 5C 中炭层未出现明显脱落，炭层能够为试件内部各位置的热电偶提供较为均匀的隔热保护。通过对各试件同一深度的温度数据进行平均，得到图 5所示结果。例如，埋深 17.5 mm 的温度曲线为各试件中 A1、B1和
12、C1处 3个热电偶数据的平均值。从图 5可得知，与采用耐热型 PUR 胶的试件 5C 相比，采用普通 PUR300 mm300 mm1300 mm 300 mmCLT实际受火区域A1A7C1C71 450 mm1 100 mmB1B71（a）正面背火面受火面300 mm 300 mm35 mm17.5 mm1 450 mmC7C6C5C4C3C2C1A7A6A5A4A3A2A1B7B6B5B4B3B2B1（b）剖面图 2CLT试件内部热电偶布置示意图Fig.2Arrangement of thermocouples embedded in CLT specimen（a）5A残余厚度约 78 m
13、m（b）5B残余厚度约 76 mm（c）5C残余厚度约 100 mm图 3各试件的残余截面厚度Fig.3Residual cross-sectional thickness of each specimen1224消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期胶的试件 5A和 5B的温度明显偏高。3.2炭化速率通常把 300 定义为木材的炭化温度。根据试验测得的木材温度数据，可以得到炭化前锋到达 17.5、35.0、52.5、70.0、87.5 mm 等不同深度处的炭化时间，见表 3。表 3 中炭化时间的平均值指 3 个位置（即 A、B、C）炭化时间的平均值。分段炭化速率指相邻两个深度
14、测量点之间的距离 d 与该位置炭化发生时间差 t的比值。整体炭化速率则指该位置深度 d与木材炭化所需时间 t的比值。例如，试件 5A 中 70.087.5 mm 的分段炭化速率=（87.5-70.0）/（117.45-100.10）=1.01 mm/min，而 87.5 mm 处的整体炭化速率=87.50/117.45=0.74 mm/min。从表 3可知，5A 和 5B中炭化深度均超过了 87.5 mm，而 5C 中的炭化深度则未达到 70.0 mm。5A 的最高分段炭化速率达到 1.01 mm/min、5B 中的最高分段炭化速率也达到 0.84 mm/min，这都与炭层脱落导致内部炭化速率
15、增大有关。整体而言，5A 和 5B 的炭化速率约为 0.74 mm/min，5C的炭化速率约为 0.55 mm/min。3.3胶黏剂的影响图 6 和图 7 分别为各试件炭化速率随时间和炭化深度的变化曲线，以及与欧洲标准 EN 1995-1-2 木结构设计 第 12 部分 结构火灾设计 11的对比。图 7 中 x=35 mm 和 70 mm 分别表示第一层和第二层层板的胶线位置。从图 6和图 7对比可知，采用普通 PUR 胶的 5A 和 5B试件，在第一层层板发生脱落后（5869 min），其炭化速率为 0.700.75 mm/min；对应地，在炭化深度超过第一层胶线后（35 mm），炭化速率为
16、 0.700.75 mm/min，高于欧洲标准 EC 5的炭化速率。时间/min0 20 40 60 80 100 1201 4001 2001 0008006004002000温度/17.5 mm35 mm52.5 mm70 mm87.5 mm（a）5AA1A2A3A4A5A6A7B7C7B6C6B5C5B4C4B3C3B2C2B1C1GB/T 9978层板脱落时间/min0 20 40 60 80 100 1201 4001 2001 0008006004002000温度/17.5 mm35 mm52.5 mm70 mm87.5 mm（b）5BA1A2A3A4A5A6A7B7C7B6C6B
17、5C5B4C4B3C3B2C2B1C1GB/T 9978层板脱落时间/min0 20 40 60 80 100 1201 2001 0008006004002000温度/17.5 mmA1A2A3A4A5A6A7B7C7B6C6B5C5B4C4B3C3B2C2B1C1GB/T 997835 mm52.5 mm70 mm87.5 mm（c）5C图 4各试件中热电偶的温度-时间曲线Fig.4Temperature-time curve of thermocouples in each specimen时间/min0 20 40 60 80 100 1201 2001 000800600400200
18、0温度/17.5 mm35 mm52.5 mmGB/T 99785A5C5B图 5各深度处热电偶的平均温度曲线Fig.5Average temperature curve of thermocouples at various depths表 3各试件的炭化速率数据Table 3Charring rates of specimens试件编号5A5B5C深度/mm17.535.052.570.087.517.535.052.570.087.517.535.052.570.087.5发生炭化的平均时间/min27.8752.4776.50100.10117.4522.4043.2371.1894.
19、95118.3828.8362.1897.92分段炭化速率/mm/min0.630.710.730.741.010.780.840.630.740.750.610.560.50整体炭化速率/mm/min0.630.670.690.700.740.780.810.740.740.740.610.580.551225Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9对于采用耐热型 PUR胶的 5C试件，由于炭化层的有效保护，其炭化速率则呈现稳中有降的现象（为 0.550.60 mm/min），低于欧洲标准 EC5 推荐的取值；对应地，从图
20、7 可知，试验结束时的炭化深度甚至还未到第二层胶线。从图 6 和图 7 还可知，试验前期 5A 的炭化速率高于5B，这可能与木材的差异和压制工艺有关，但随着炭化时间增加，5A和 5B的炭化速率逐渐趋于一致。3.4炭化深度预测模型文献 4 基于墙体的炭化试验，提出了一种预测 CLT板材炭化深度的模型。该模型表明，采用耐热型 PUR 胶压制的试件不需要考虑层板脱落，炭化速率相对稳定，可使用常数 0=0.65 mm/min进行计算。对使用普通 PUR 胶的试件，该模型采用分段式方法计算炭化深度随时间的变化规律，其中，第一层层板的炭化速率仍为 0=0.65 mm/min；对第二层层板，在考虑第一层脱落
21、的情况下，其炭化速率上升至 20=1.30 mm/min，直到第二层炭层厚度达到 25 mm 时，炭化速率才恢复至 0。根据这一原则，可以计算出不同厚度的 CLT 板材在给定时间下的炭化深度，计算结果见图 8。根据该模型计算，受火时间为 120 min 时，使用普通PUR 胶的层板炭化深度为 103 mm，而使用耐热 PUR 胶的层板炭化深度约为 78 mm。将本研究实测的 CLT 楼板试件炭化深度与以上公式计算的数值进行比较，见表 4。可见，该炭化模型不仅可以预测墙板的炭化深度，也可以较好地预测楼板的炭化深度。表 4试件炭化深度的实测值与计算值对比Table 4Comparison betw
22、een the measured and the calculated value of the charring depth试件编号5A5B5C受火时间/min120120120测量炭化深度/mm979975计算值/mm10310378误差6.2%4.0%4.0%备注发生层板脱落未发生脱落4结 论（1）对于所测试的厚度为 175 mm 的 CLT 楼板试件，其耐火隔热性和完整性均不低于 2.00 h。（2）对于采用普通 PUR胶的试件，第一层层板炭化脱落的时间为 5869 min，第二层层板炭化脱落的时间为100113 min；当采用耐热型 PUR 胶时，未出现明显的层板炭化脱落现象。（3）
23、采用普通 PUR 胶的试件，5A 的最高分段炭化速率约为 1.01 mm/min、5B 的最高分段炭化速率约为 0.84 mm/min。与之相比，采用耐热型 PUR 的 5C 试件的炭化速率维持在不到 0.60 mm/min 的水平。因此，采用耐热型 PUR 胶可以有效改善 CLT 层板的抗脱落性能，使炭化速率稳定，有助于提高 CLT结构的防火性能。（4）对于采用耐热型 PUR 胶的 CLT 楼板，炭化深度可采用恒定的炭化速率 0.65 mm/min 进行设计计算；而对于采用普通 PUR 胶的 CLT 楼板，则可采用分段计算方法确定其炭化深度随时间的变化规律。参考文献：1 邱培芳,彭磊,倪照鹏
24、.多高层木结构建筑防火要求及应用现状J.建筑技术,2020,51(3):275-278.2 邱培芳,彭磊,倪照鹏.多高层木结构建筑防火技术研究J.建筑科技,2019,391(17):52-58.3 GB/T 51226-2017,多高层木结构建筑技术标准S.4 彭磊,邱培芳,崔海浩,等.正交胶合木墙板火灾炭化试验研究J.消防科学与技术,2020,39(11):1499-1503.5 张晋,吴磊,廖家男,等.考虑层板脱落影响的正交胶合木楼板炭化速炭化深度/mm1.00.90.80.70.60.50.40.3炭化速率/mm/min5A5B5C3570105第一层胶线第二层胶线EC5图 7炭化速率与
25、炭化深度关系曲线Fig.7Relationship between charring rate and charring depth时间/min0 30 60 90 120100.0080.0060.0040.0020.00炭化深度/mm103 mm95 mm70 mm60 mm35 mm1.3 t0.65 t图 8分段式炭化深度计算模型示意图Fig.8Schematic diagram of the segmental charring depth calculation model时间/min0 30 60 90 1201.00.90.80.70.60.50.40.3炭化速率/mm/min
26、5A5B5CEC5图 6炭化速率随时间的变化曲线Fig.6Curve of charring rate over time1226消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期度试验研究J.东南大学学报(自然科学版),2019,49(4):705-711.6 张晋,陈豪,白羽,等.正交胶合木楼板炭化速度有限元分析J.同济大学学报(自然科学版),2020,48(8):1122-1131.7 张晋,孙一鸣,王跃翔,等.室内火灾作用下正交胶合木结构受火性能研究J.建筑结构学报,2022,43(9):115-127.8 梁芝君,王志强,夏天,等.高温下正交胶合木胶黏剂性能研究进展J.林业机械与
27、木工设备,2021,49(6):10-14+20.9 ANSI/APA PRG 320,Standard for performance rated cross laminated timberS.10 GB/T 9978.1-2008,建 筑 构 件 耐 火 试 验 方 法 第 1 部 分:通 用 要求S.11 EN 1995-1-2,Eurocode 5-Design of timber structures,Part 1-2:Structural fire designS.Experimental study on fireresistance performance of crossl
28、aminated timber floor under nonload bearing conditionsPeng Lei1,Qiu Peifang2,3,4,Liu Yongli5(1.Tianjin Taida Fire Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300381,China;2.Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China;3.Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and
29、Public Building,Ministry of Emergency Management,Tianjin 300381,China;4.Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology,Tianjin 300381,China;5.Guangzhou Haizhu District Housing&Construction Bureau,Guangdong Guangzhou 510000,China)Abstract:Experiments were carried out to study the fire resistance pe
30、rformance of crosslaminated timber（CLT）floor under nonloading conditions,by using a fireresistance furnace and the standard fire curve.The tested specimens consisted of 5 layers of CLT laminates,with a thickness of 35 mm for each layer and an overall thickness of 175 mm.The temperature profiles at d
31、ifferent depths within the CLT specimens,charring depths and charring rates were obtained in the tests.The effect of different types of adhesives on delamination and charring rate were also studied and analyzed.The test results show that the fire insulation and integrity of the tested floor specimen
32、s were not less than 2.00 h.For specimens using ordinary PUR adhesive,the first layer delaminated at about 5869 minutes,and the second layer delaminated at about 110113 minutes.The charring rates of the specimens were higher than the nominal charring rate given in Eurocode 5.For the specimen using h
33、eatresistant PUR adhesive,there was no obvious layer delamination being observed.The charting rate remained respectively constant.Key words:crosslaminated timber（CLT）;fireresistance performance;charring rate;adhesive;layer delamination作者简介：彭 磊（1980-），男，天津泰达消防科技有限公司，博士，主要从事装配式钢结构及木结构建筑防火、建筑幕墙防火和特殊消防设计等方面的研究，天津市和平区五大道街常德道 75 号 1 门 401 号，300381。收稿日期：2023-05-07（责任编辑：李艳娜）1227
