CN109324080A - 三明治式防火板材导热系数的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了“三明治”式防火板材导热系数的测量装置及测量方法，测量装置包括火灾炉和试块，试块包括夹芯钢板、与夹芯钢板之尺寸相对应的两块防火板材、两块固定薄钢板、四个隔离件、至少一个第一热电偶和与第一热电偶个数相同的第二热电偶，两块防火板材分别夹置在夹芯钢板正背面，两块固定薄钢板分别夹置在两块防火板材外侧，四个隔离件分别置于夹芯钢板和防火板材之四周面，另设有锁固件进行固定，第一热电偶装接在夹芯钢板、其感应端位于夹芯钢板内且靠近防火板材内表面，第二热电偶之感应端位于防火板材外表面。本装置只需记录整个升温条件下板材两侧温度值，通过计算式就能计算得到连续的温度‑导热系数曲线，避免了传统方法的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及“三明治”式防火板材导热系数的测量装置及测量方法。
背景技术
钢结构建筑耐火性能差，一方面因为钢材具有良好的高温热传导性，另一方面钢材的力学性能随温度升高而降低。无防火保护的钢结构在火灾情况下极易被破坏，火灾高温甚至造成整体结构的倒塌。被动防火保护是保证钢结构建筑在火灾中规定时间内完成其预定功能的必要措施，设计被动防火保护是结构抗火设计的内容之一。
包覆防火板材因其具有施工简便、耐火时间长的优点已成为钢结构主要的防火保护措施之一。防火板材的种类繁多，如石膏板、硅酸钙板、玻镁板、蒸压轻质混凝土板(简称ALC板)和纤维水泥板等，这些板材除用于钢结构构件的防火保护外，还作为轻钢龙骨组合墙体的覆面板使用。防火板材的生产厂商在进行产品合格检验时并不包含板材的高温热物理特性，而板材在高温下的热工性能是火灾下结构构件温度场计算的重要参数。
根据测试原理不同，高温下导热系数的测试方法分为稳态法和瞬态法，稳态法的测试基于傅里叶导热定律，即通过测量材料沿厚度方向传递的热量及温差，反算材料的导热系数。稳态法包括热板法和热流法，其中热板法应用较多。瞬态法的测试基于菲克第二定律，瞬态法中应用较多的是热线法。采用热线法测量时，首先在匀质均温的物体内部放置一根电阻丝(称之为热线)，然后对该热线施加一个恒定的加热功率，根据热线及其附近试样的温度随时间的变化情况可确定试样的导热系数。测量热线温升的方法包括交叉线法、平行线法和热阻法。待测样品的导热系数大小是选择合适测量方法的重要参考因素。
基于傅里叶导热定律和菲克第二定律提出来的热传导系数测试方法及配套仪器有很多种。我国也制定了相关标准以满足不同材料及工作环境的需要，采用上述方法测量火灾高温下板材的导热系数时存在如下问题：(1)一次试验只能给出板材在某一温度下的导热系数，为得到板材的导热系数-温度关系曲线需进行多次试验；(2)受仪器量程的限制，有些情况下需将板材冷却后再对其导热系数进行测量，当考虑热辐射的影响时，这种做法将产生较大的误差；(3)当采用稳态法测量含有水分的板材的导热系数时操作难度较大，测量结果的精度也难以保证。
发明内容
本发明提供了“三明治”式防火板材导热系数的测量装置及测量方法，其克服了背景技术的所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：它包括火灾炉和置于火灾炉内的试块，试块包括：夹芯钢板、与夹芯钢板之尺寸相对应的两块防火板材、两块固定薄钢板、四个隔离件、至少一个第一热电偶和与第一热电偶个数相同的第二热电偶，两块防火板材分别夹置在夹芯钢板正背面，两块固定薄钢板分别夹置在两块防火板材外侧，四个隔离件分别置于夹芯钢板和防火板材之四周面，另设有四组锁固件，每组锁固件分别将两块固定薄钢板之四周进行锁固以将夹芯钢板、防火板材和隔离件进行固定，第一热电偶装接在夹芯钢板、其感应端位于夹芯钢板内且靠近防火板材内表面，第二热电偶之感应端位于防火板材外表面。
一较佳实施例之中：夹芯钢板之周面开设有贴近夹芯钢板正面或背面的第一让位槽，第一热电偶伸入第一让位槽且其感应端位于第一让位槽之内端；固定薄钢板开设有贯穿固定薄钢板且与第一热电偶感应端头相对应的第二让位槽，第二热电偶穿过第二让位槽且其感应端与防火板材之正面或背面相接触。
一较佳实施例之中：第一热电偶个数设为四个，夹芯钢板之上周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板正面的第一让位槽，夹芯钢板之下周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板正面的第一让位槽，四个第一热电偶分别对应四个第一让位槽；第二热电偶个数设为四个，第二让位槽个数设为四个，四个第二热电偶分别穿过四个第二让位槽且其感应端均与防火板材之背面相接触。
一较佳实施例之中：隔离件采用硅酸铝纤维防火棉。
一较佳实施例之中：还包括四个用于保护隔离件的垫块，每一垫块贴合在其中一隔离件外侧且位于两个固定薄钢板之间。
一较佳实施例之中：两块固定薄钢板之四周均设有凸耳，凸耳开设有螺孔，每组锁固件包括一螺栓和一螺母，螺栓先后穿过两块固定薄钢板之凸耳且与螺母相螺接配合，螺栓之螺杆贴合在垫块处。
一较佳实施例之中：还包括外固定装置，它安装在火宅炉内且与锁固件相连接。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：“三明治”式防火板材导热系数的测量方法，它包括：
步骤10，将第一热电偶预设在夹芯钢板，以使其感应端靠近防火板材之朝向夹芯钢板之侧面；
步骤20，将两块防火板材分别贴合在夹芯钢板之正背面，再将两块固定薄钢板分别贴合在两块防火板材外侧面，接着将四个隔离件分别置于夹芯钢板和防火板材四周，锁固件将夹芯钢板、防火板材和隔离件进行固定；
步骤30，将第二热电偶穿过固定薄钢板，其感应端与位于夹芯钢板正面外侧的防火板材正面相接触并与第一热电偶之感应端相对应，完成试块的装配；
步骤40，将试块安装在火灾炉内；
步骤50，调试火灾炉升温形式，通过第一热电偶和第二热电偶测量同一防火板材正背两侧面之对应点的连续温度变化，通过理论计算式计算得到连续的温度-导热系数曲线。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
通过第一热电偶和第二热电偶分别测量同一防火板材正背面之对应点的连续温度变化，便可通过理论计算式计算得到连续的温度-导热系数曲线。隔离件用于隔离从夹芯板和防火板材四周传递过来的热量以及防止防火板材的热量损失以使防火板材四周处于绝缘状态，使得火灾炉内的热量只能通过防火板材之正背面进入；固定薄钢板不仅能固定夹芯钢板和防火板材，其还能避免防火板材受到火场的辐射和对流作用。
本装置改变了外部升温条件，更贴近于实际火灾情形；
相对于传统的测试装置，本装置不需要进行降温后测量，可考虑高温下防火板材空隙内的热辐射作用；
本装置由于通过防火板材正背两侧温度反算导热系数，不需要再指定温度进行测量，只需记录整个升温条件下，板材两侧温度值，通过理论计算式就能计算得到连续的温度-导热系数曲线，避免了传统方法的局限性；
本装置由于是测量整个升温条件下的板材正背两侧连续温度变化情况，通过理论计算式就能计算得到连续的温度-导热系数曲线，得到的结果也是各温度点实际情况下的导热系数，结果更贴近实际情况，无需提前进行烘干处理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了一较佳实施例的试块省略局部的结构示意图。
图2绘示了一较佳实施例的试块省略隔离件和垫块的俯视示意图。
图3绘示了一较佳实施例的试块的正面示意图。
图4绘示了一较佳实施例的试块省略隔离件和垫块的左侧示意图。
图5绘示了一较佳实施例的夹芯钢板的结构示意图。
图6绘示了一较佳实施例的防火板材的结构示意图。
图7绘示了一较佳实施例的外固定装置的正面示意图。
图8绘示了一较佳实施例的外固定装置的侧视示意图。
具体实施方式
请查阅图1至图8，“三明治”式防火板材导热系数的测量装置及测量方法的一较佳实施例，所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，它包括火灾炉和置于火灾炉内的试块10，试块10包括：夹芯钢板11、与夹芯钢板11 之尺寸相对应的两块防火板材12、两块固定薄钢板13、四个隔离件14、至少一个第一热电偶和与第一热电偶个数相同的第二热电偶。
夹芯钢板11为经过平整、除锈过的钢板，采用Q235钢材，其尺寸设置为 200*200*16mm。该尺寸可根据实际需要进行确定，不以此为限。
本实施例中，夹芯钢板11之周面开设有贴近夹芯钢板11正面或背面的第一让位槽20。
本实施例中，如图5所示，夹芯钢板11之上周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板11正面的第一让位槽20，夹芯钢板11之下周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板11正面的第一让位槽20。最好，位于夹芯钢板11 上周面的两个第一让位槽20和位于夹芯钢板11下周面的两个第一让位槽20分别沿夹芯钢板11正面几何中心位置左右对称布置。位于夹芯钢板11上周面的两个第一让位槽20之间的间距为50mm，位于夹芯钢板11下周面的两个第一让位槽20之间的间距为50mm。
两块防火板材12分别夹置在夹芯钢板11正背面。防火板材11的平面尺寸与夹芯钢板11相同，为200*200mm,厚度依据具体材料而定。
防火板材适用于固态防火材质等，例如建筑领域常用的建筑防火板材石膏板、硅酸钙板、CCA板、玻镁板、ALC板等。
两块固定薄钢板13分别夹置在两块防火板材12外侧。该固定薄钢板13采用与夹芯钢板11相同型号的钢材，其尺寸为300*300*5mm。其厚度可在4-6mm 之间选择，具体以实际情况为准。
本实施例中，两块固定薄钢板13之四周均设有凸耳30，凸耳30开设有螺孔。本实施例中，固定薄钢板13之四周边各设置两个凸耳30，凸耳尺寸为 30*30*5mm。
本实施例中，位于夹芯钢板11之正面外侧的固定薄钢板13开设有贯穿固定薄钢板13且与第一让位槽20之内端相对应的第二让位槽。第二让位槽个数设为四个且分别围绕固定薄钢板13之几何中心间隔布置。
四个隔离件14分别置于夹芯钢板11和防火板材12之四周面。
本实施例中，隔离件14采用硅酸铝纤维防火棉。该防火棉的尺寸根据防火板材12和夹芯钢板11之尺寸进行确定，其厚度以从防火板材12和夹芯钢板11 四周传递的热量及热量损失可以忽略为依据进行确定，一般为40-50mm。
本实施例中，还包括四个用于保护隔离件14的垫块15，每一垫块15贴合在其中一隔离件14外侧且位于两个固定薄钢板13之间。垫块15长度为300mm, 宽度根据防火板材12和夹芯钢板11之厚度进行确定，一般为4-6mm，垫块15 表面涂覆有防火涂料。
另设有四组锁固件，每组锁固件分别将两块固定薄钢板13之四周进行锁固以将夹芯钢板11、防火板材12和隔离件14、垫块15进行固定。本实施例中，每组锁固件包括一螺栓16和一螺母17，螺栓16先后穿过两块固定薄钢板13之螺孔且与螺母17相螺接配合。最好，螺栓16之螺杆贴合在垫块处，防止垫块 15产生晃动。
第一热电偶装接在夹芯钢板11、其感应端位于夹芯钢板11内且靠近防火板材12内表面，第二热电偶之感应端位于防火板材12外表面。
本实施例中，第一热电偶伸入第一让位槽20内且其感应端位于第一让位槽 20之内端；本实施例中，第一热电偶个数设为四个，四个第一热电偶分别对应四个第一让位槽20。由于防火板材12背面贴合在夹芯钢板11正面，也即，第一热电偶的感应温度即为防火板材12之背面的温度。
第二热电偶穿过第二让位槽且其感应端与防火板材12之正面或背面相接触。本实施例中，第二热电偶个数设为四个，四个第二热电偶分别穿过四个第二让位槽且其感应端均与位于夹芯钢板11正面外侧的防火板材12之正面相接触。如图6所示，防火板材12正面之四个接触部位40沿防火板材12之几何中心间隔布置。四个接触部位40分别与四个第一热电偶之感应端相对应。第二热电偶的感应温度即为同一防火板材12之正面的温度。
本实施例中，第一热电偶和第二热电偶采用直径为2mm的铠装镍铬-镍硅热电偶。
本实施例中，该测量装置还包括外固定装置，它安装在火宅炉内且与锁固件相连接。如图7和图8所示，该外固定装置包括C形槽钢18和设置在C形槽钢18底部的挂耳19，试块上的螺栓16依次穿过挂耳19和凸耳30再与螺母相螺接以将试块固定在C形槽钢。
该测量装置的测量方法，包括：
步骤10，将第一热电偶预设在夹芯钢板11的第一让位槽20，以使其感应端靠近位于夹芯钢板11正面外侧的防火板材12之背面；
步骤20，将两块防火板材12分别贴合在夹芯钢板11之正背面，再将两块固定薄钢板13分别贴合在两块防火板材12外侧面，接着将四个隔离件14分别置于夹芯钢板11和防火板材12四周，再将四个垫块15分别贴置于四个隔离件 14外侧，锁固件将夹芯钢板11、防火板材12和隔离件14、垫块15进行固定；本实施例中，锁固件之螺栓16依次穿过挂耳19和凸耳30再与螺母相螺接以将试块固定在C形槽钢；
步骤30，将四个第二热电偶分别穿过固定薄钢板13之四个第二让位槽，其感应端与位于夹芯钢板11正面外侧的防火板材12正面相接触并与第一热电偶之感应端相对应，完成试块10的装配；
步骤40，将试块10安装在火灾炉内；本实施例中，通过将C形槽钢18与火灾炉的安装以将试块10悬挂在火灾炉内；
步骤,50，调试火灾炉升温形式，通过第一热电偶和第二热电偶测量同一防火板材正背两侧面之对应点的连续温度变化，通过理论计算式计算得到连续的温度-导热系数曲线。一般情况下，测量的温度范围为常温～1000℃，也可以超过1000℃。
根据传热学原理建立保护层内的热平衡方程为：
边界条件：
τ＝0时，t(x,0)＝t0(2a)
x＝0时，t(0,τ)＝f(τ)(2b)
x＝d时，
其中：
F1、F2、F3为各时间段内对应升温速率，为常数；t为温度；τ为时间；λ为导热系数，H为垂直于传热方向上单位面积夹心钢板的热容；α为热扩散率，α＝λ/(ρ·C)。
若假定石膏板内部各点温度随时间的变化规律与边界x＝0处相同，联立以上各式得：
则可得：
若钢构件的质量(Ms)、石膏板质量(Mc)已知，通过式(4)可以反算得到：
式中A为钢构件截面面积，分别为钢构件和石膏板比热容。
通过第一热电偶和第二热电偶分别测量同一防火板材12正背面之对应点的连续温度变化，便可通过理论计算式计算得到连续的温度-导热系数曲线。
它具有如下优点：
(1)测量方法简单，易于操作。测量时只需测量得到防火板材之正背面同一部位的温度即可计算得到各温度点的等效导热系数。该方法不仅适用于不同类型的建筑防火板材，还可适用于耐火材料导热系数测量。
(2)可重复利用。装置在受火过程中，如果受火最高温度不高，试验时只需要更换板材即可再次试验，可重复利用试验其他构件。
(3)整体性好。由于试验组件可以提前拼装好，组成一个整体试块直接进行试验，试验数量多时，只要试验条件允许，可同时进行多个试块的测量工作。
(4)适用范围广。试验时其受火条件可以根据需求进行设定，不仅适用于建筑防火板材，还可适用于其他板材材料导热系数的测量。
(5)测量周期短。由于试验原理基于瞬态法，测量周期具有瞬态测量法测量周期短的优点。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (8)
1.“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：它包括火灾炉和置于火灾炉内的试块，试块包括：夹芯钢板、与夹芯钢板之尺寸相对应的两块防火板材、两块固定薄钢板、四个隔离件、至少一个第一热电偶和与第一热电偶个数相同的第二热电偶，两块防火板材分别夹置在夹芯钢板正背面，两块固定薄钢板分别夹置在两块防火板材外侧，四个隔离件分别置于夹芯钢板和防火板材之四周面，另设有四组锁固件，每组锁固件分别将两块固定薄钢板之四周进行锁固以将夹芯钢板、防火板材和隔离件进行固定，第一热电偶装接在夹芯钢板、其感应端位于夹芯钢板内且靠近防火板材内表面，第二热电偶之感应端位于防火板材外表面。
2.根据权利要求1所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：夹芯钢板之周面开设有贴近夹芯钢板正面或背面的第一让位槽，第一热电偶伸入第一让位槽且其感应端位于第一让位槽之内端；固定薄钢板开设有贯穿固定薄钢板且与第一热电偶感应端头相对应的第二让位槽，第二热电偶穿过第二让位槽且其感应端与防火板材之正面或背面相接触。
3.根据权利要求2所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：第一热电偶个数设为四个，夹芯钢板之上周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板正面的第一让位槽，夹芯钢板之下周面开设有两个并排间隔布置且贴近夹芯钢板正面的第一让位槽，四个第一热电偶分别对应四个第一让位槽；第二热电偶个数设为四个，第二让位槽个数设为四个，四个第二热电偶分别穿过四个第二让位槽且其感应端均与防火板材之背面相接触。
4.根据权利要求1或2或3所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：隔离件采用硅酸铝纤维防火棉。
5.根据权利要求4所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：还包括四个用于保护隔离件的垫块，每一垫块贴合在其中一隔离件外侧且位于两个固定薄钢板之间。
6.根据权利要求1或2或3所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：两块固定薄钢板之四周均设有凸耳，凸耳开设有螺孔，每组锁固件包括一螺栓和一螺母，螺栓先后穿过两块固定薄钢板之凸耳且与螺母相螺接配合，螺栓之螺杆贴合在垫块处。
7.根据权利要求1或2或3所述的“三明治”式防火板材导热系数的测量装置，其特征在于：还包括外固定装置，它安装在火宅炉内且与锁固件相连接。
8.“三明治”式防火板材导热系数的测量装置的测量方法，其特征在于：它包括：
步骤10，将第一热电偶预设在夹芯钢板，以使其感应端靠近防火板材之朝向夹芯钢板之侧面；
步骤20，将两块防火板材分别贴合在夹芯钢板之正背面，再将两块固定薄钢板分别贴合在两块防火板材外侧面，接着将四个隔离件分别置于夹芯钢板和防火板材四周，锁固件将夹芯钢板、防火板材和隔离件进行固定；
步骤30，将第二热电偶穿过固定薄钢板，其感应端与位于夹芯钢板正面外侧的防火板材正面相接触并与第一热电偶之感应端相对应，完成试块的装配；
步骤40，将试块安装在火灾炉内；
步骤,50，调试火灾炉升温形式，通过第一热电偶和第二热电偶测量同一防火板材正背两侧面之对应点的连续温度变化，通过理论计算式计算得到连续的温度-导热系数曲线。
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