基于压力数据的镶玻璃构件耐火试验的分析与研究

随着我国城市建设的快速发展，建筑火灾及人员伤亡的情况时有发生，给民众人身安全带来极大危害，给社会经济造成严重损失。因此，在现今商业建筑、民用建筑及公共建筑中大量采用耐火构件（如防火玻璃、防火窗和防火门等），以保证建筑的防火特性及结构的可靠性，降低建筑火灾带来的生命危害和财产损失，为火场自救及施救争取宝贵的时间。

通常建筑建设中使用的耐火构件在投放市场前，为保证其耐火性能必须对其进行耐火试验。一套完整稳定的建筑构件耐火试验系统可通过模拟火灾现场环境，达到检验耐火构件的目的。建筑构件耐火试验系统通过多年的发展工艺及技术已趋于成熟，基于自动控制系统，可以很好地保证试验炉内温度控制的稳定性。耐火试验属于不可逆试验，在试验和研究过程中，检验员容易忽视压力数据带来的信息，而其恰好是体现试验状况的重要因素之一。

下文将从原理及标准要求出发，结合平时检测过程积累的数据，对建筑构件耐火试验系统在试验过程中的压力数据直观反映的试验可能出现的问题加以分析。研究的目的是提供些许检测经验，以便于解决检测过程中出现的问题。

1 建筑构件耐火试验系统构成

1.1 耐火试验炉型的选择

耐火试验炉的设计有两种不同的思路：一种是设计大型的多功能炉，满足各种不同类型构件的需要；另一种是根据不同的试验构件分别设计炉型，比如水平炉用于梁、板构件试验，柱炉用于柱式构件试验，墙炉用于墙、门、窗构件等[1]。本文以非承重构件立式耐火试验炉作为研究对象。

1.2 耐火试验炉的结构

非承重构件立式耐火试验炉主要用于防火玻璃、防火窗、防火门和防火卷帘的耐火试验。此处选用液化气为主要燃料，风冷制冷方式的耐火试验炉作为示例，其炉体结构示意图如图1 所示。

图1 立式耐火试验炉内部结构示意图

由图1 可知，耐火试验炉两侧均匀分布着八个燃烧器，每个燃烧器配置有燃气调节阀、空气调节阀、高圧点火装置，由计算机程序控制自动点火。系统运行时，由助燃风机将空气汇入空气管路引致烧嘴处，由汽化炉将液化气汽化后通过燃气管路引致烧嘴处。该试验炉采用后部机械排烟方式，通过排烟阀、压力控制仪、变频器自动调节排烟风机来稳定炉内压力。助燃风机风压通过电动蝶阀、风压变送器来设定，然后通过变频器进行自动控制。炉内均匀分布九个热电偶，炉体一侧上下分布两个压力测量探头，用于实时采集炉内温度和压力的信息，及时反馈给控制系统。

1.3 耐火试验炉的控制原理

根据上文内容，耐火试验炉自动控制系统的PLC程序采用顺序逻辑执行，试验过程按照预先编写好的程序步骤执行。首先根据试验对象选择相应的升温曲线，设定相应的试验编号。程序开始执行第一步，依次开启排烟风机、助燃风机，当燃气量、风压等满足条件时，高圧点火装置开启点燃烧嘴，根据设定的程序自动控制温度和压力。实验结束时，设备关闭烧嘴，助燃风机和排烟风机继续运行，以保证试件不会因炉内正压或负压过大倾倒，当炉内温度足够低时可手动关闭助燃风机和排烟风机。耐火试验炉程序流程图如图2 所示。

图2 耐火试验炉程序流程图

图3 PID 控制系统简易结构图

图2 中提到的温度控制程序和压力控制程序，其实简单来说就是一个PID 控制系统，以设定值r(t) 与输出值y(t) 的偏差e(t) 作为控制器的输入，通过控制器实现对被控对象的闭环控制。其结构图如图3 所示。

依靠控制程序，炉内温度和压力才能动态调整，最终依照标准要求进行。

2 建筑构件耐火试验系统标准要求

为了进行压力数据的分析及研究，本文采用GB/T9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法 第1 部分：通用要求》作为本次研究用技术标准[2]。

2.1 耐火试验炉的温度标准要求

通过热电偶测得炉内平均温度，以下关系式对其（见图4）进行监测和控制：

T = 345lg(8t +1)+ 20 （1）

式中：T—炉内的平均温度，单位为摄氏度（℃）；t—时间，单位为分钟（min）；

图4 标准时间- 温度曲线

试验期间的炉内实际时间- 温度变化曲线与标准时间- 温度变化曲线的偏差用下式表示：

合计面积时的时间间隔为1min。

2.2 耐火试验炉的压力标准要求

沿炉内高度方向存在线性压力梯度，尽管压力梯度随炉内温度的改变会有轻微的变化，仍要保证沿炉内高度处每米的压力梯度值为8Pa。对炉内的平均压力值进行监测，并控制炉内压力的变化，使其在试验开始5min 后压力为（15±5）Pa，10min 后压力为（17±3）Pa，采样间隔也为1min。

试验炉运行时，我们选择图1 中低位压力测量探头处为炉内零点压力，高位处的压力测量探头一般高于试件顶部，其压力值不超过20Pa，也满足标准要求。

3 镶玻璃构件耐火试验中压力数据的分析与研究

为了避免不同试验构件所带来的数据偏差，本次研究都以镶玻璃构件作为被测试件，即防火玻璃和防火窗，排除了防火门等被测试件造成的结果不统一，保证一致性。

通常在耐火试验过程中，实际炉内时间- 温度变化曲线与标准时间- 温度变化曲线偏差很小，基本依照升温曲线行进，而此时压力曲线有很大的波动，偏离了试验开始5min 后压力为（15±5）Pa，10min 后压力为（17±3）Pa 的标准要求。下文将列出压力曲线集中出现的几种情况并加以分析，解释出现这些情况的原因。

3.1 压力曲线逐步升高情况

通常耐火试验进行到一定时间以后，可能出现温度曲线无异常而压力曲线会出现逐步升高的情况，如图5所示。

图5 时间- 压力曲线（1）

分析：由图5 中可看出，试验进行至55min 时，压力曲线开始逐步攀升，超出20Pa，在镶玻璃耐火构件无异常、温度曲线无异常、炉体无异常的情况下，说明此时炉内压力越来越大，排烟风机已达到最大额定功率，排烟阀开度100%，炉体无法释放炉内的压力，因此会逐步攀升，长时间会造成炉体压力过高的风险。

解决方案：因示例为风冷制冷方式的耐火试验炉，外置排烟道与炉内排烟道共用一个排烟风机，可适当降低外置排烟道排烟阀开度，这样可以加大炉内排烟热通量，提高炉内排热的上限，但外置排烟道排烟阀开度不应降为零，否则冷空气无法进入公共排烟通道，高温气体会加速排烟风机和排烟通道的老化和损坏。

3.2 压力曲线逐步降低情况

耐火试验进行到一定时间以后，可能出现温度曲线无异常而压力曲线会出现逐步降低的情况，如图6 所示。

图6 时间- 压力曲线（2）

分析：由图6 中可看出，100min 前，压力曲线正常，试验进行至100min 时，压力曲线开始逐步降低，上部压力低于14Pa、温度曲线无异常、炉体无异常的情况下，说明此时镶玻璃构件有缝隙存在（造成试件出现缝隙的原因有很多，比如玻璃在此时的温度下已出现软化塌落，窗体窗口出现窜火等情况），才会导致炉体内压力释放，在炉温相对变化率很小的情况下，压力会逐渐降低。

解决方案：这种情况下，说明被测试件已经失去了耐火完整性，即可终止试验，用探棒是否能穿过试件来判断试件的完整性，另外此方法也可作为试件是否失去耐火完整性的可行依据。

3.3 压力曲线异常波动情况

除上述两种情况外，耐火试验进行到一定时间以后，压力曲线还会出现异常波动的情况，如图7 所示。

图7 时间- 压力曲线（3）

分析：由图7 中可看出，20min 前，压力曲线正常，试验进行至20min 时，压力曲线开始出现异常波动，上部压力和下部压力已经超出标准范围要求，此时可以再观察温度曲线及各热电偶实时数据情况，其对应温度偏差如图8 所示。

图8 炉内实际时间- 温度曲线与标准时间- 温度曲线的偏差

由图8 可看出，20min 至40min，偏差变化明显。除防火窗耐火试验过程中，窗体、窗框的燃烧会造成炉内气流扰动，炉内压力会出现短暂的压力波动外；还有一种可能性是表明炉内存在一个或多个热电偶所采集温度与其他热电偶所采集温度偏离过大，这种偏差一般在±100℃以上，此时炉内实际平均温度会与标准温度偏差过大，因自动控制系统接收到错误的炉内温度信号，所以错误地作用在各控制模块上，为保证温度曲线的准确性而牺牲了压力控制，造成炉内压力曲线波动异常。图7 所示的试验过程中，炉内有一个热电偶在750℃ ~900℃，测量偏差过大，900℃之后又回归正常，因此压力曲线在 40min 后也回归正常。

解决方案：因为耐火试验是不可逆试验，此种情况下可终止试验，等炉体冷却后更换损坏的热电偶；或者改进耐火试验炉自动控制系统，优化程序，因为 GB/T 9978.1-2008 标准中允许试验过程中有一个炉内热电偶损坏，遇到此类情况系统会自动剔除损坏热电偶采集的数据，算术平均剩余正常热电偶的采集数据，达到继续正常进行试验的目的。

4 结语

随着耐火构件在现今建筑领域中的普及，人们对耐火构件耐火性能的需求日益加大，耐火试验是检验耐火构件性能的唯一途径，稳定精准的建筑构件耐火试验系统和具备一定水平检测经验的检测人员至关重要，这样出具的检测结果才能让耐火构件投放市场后能更好地保护民众生命财产的安全。

本文通过简单介绍立式非承重建筑构件耐火试验系统构成及原理，以及镶玻璃构件耐火试验方法相关标准要求，再通过压力数据的分析和研究，列举出三种常见的压力曲线异常情况并附相应的解决方案，为其他检验员在耐火试验过程中遇到异常情况时提供些许思路。

参考文献

[1] 王帆 . 建筑构件耐火试验炉的研制和应用 [J]. 实验技术与管理 , 2007,03.

[2] GB/T 9978.1-2008 建筑构件耐火试验方法 第 1 部分：通用要求 [S].

作者简介

王中 (1987.8-)，男，本科 / 工程师，从事玻璃及相关

建材产品检测、标准化工作。

作者

中国建材检验认证集团秦皇岛有限公司  王中 贾鼎伟 李子豪