水泥基保温叠合楼板与现浇混凝土楼板耐火极限对比研究

1 引言

传统现浇楼板依赖增厚混凝土保护层提升耐火性，但存在明显局限：增厚增加结构自重、降低抗震性能；且混凝土常温 λ=1.5-1.7 W/(m・K)，单纯增厚热阻提升有限。例如 100mm 现浇 C30 楼板（保护层 15mm），耐火极限仅 0.8-1.0 小时，仅满足二级耐火要求 。

为此，绿建科技研发“水泥基保温预制底板”，与现浇层组合成水泥基保温叠合楼板（总厚 105mm）。本文基于热传导理论对比其与传统现浇楼板的耐火极限，验证防火优势，为工程应用提供支撑。

2 分析对象与参数

为保证对比科学性，控制两种楼板混凝土强度、钢筋配置一致，仅改变构造与材料，参数如下：

2.1 混凝土强度等级：C30

选择 C30 基于其工程适用性与性能稳定性。据《混凝土结构设计规范》，C30 立方体抗压强度标准值30MPa，轴心抗压 / 抗拉设计值 14.3/1.43MPa，满足多数民用建筑需求；且热物理性能稳定（常温 λ≈1.6 W/(m⋅k). ），高温退化规律已被验证 ，便于推导。

2.2 钢筋配置：HRB400 螺纹钢筋（Φ8mm，单层双向 @200mm）

HRB400 钢筋是工程常用材（屈服强度 400MPa，抗拉强度 540MPa [5]），其高温性能决定结构耐火极限。“单层双向 @200mm”布置符合规范最小配筋率 (⩾0,2%) ，计算配筋率 0.31%（面积 251.2 mm²/m) ），两种楼板配置完全一致，避免干扰耐火极限。

2.3 耐火极限判定标准：ISO 834 曲线 + 结构性破坏准则

2.3.1 升温曲线

采用 ISO 834 标准升温曲线 ，模拟轰燃后火灾温度变化：30min 达 538℃、60min 达 704℃、120min达 821℃，公式为 （T(t) 为炉温℃，t 为受火时间 min），其温度分布与实际火灾充分燃烧阶段高度吻合。

2.3.2 破坏准则

以“楼板失去承载能力”为判定标准：HRB400 钢筋超 550℃后，屈服强度降至常温 50% 以下，弹性模量骤降，导致楼板坍塌 ，故设定钢筋临界温度为 550℃。

2.4 两种楼板核心构造参数对比

2.5 关键假设

2.5.1 界面粘结假设：叠合楼板预制与现浇层粘结无间隙，符合施工中底板拉毛、振捣密实的工艺 。2.5.2 钢筋位置假设：叠合楼板钢筋网铺于保温底板顶面，中心距顶面 4mm（钢筋半径），符合装配式施工中底板作为底模的流程 。

2.5.3 导热系数假设：C30 混凝土 λ₂=1.6Ψ/(m⋅K) ，保温底板 λλ₁=0.1W/(m⋅K) ，参考《建筑材料热物理性能参数手册》，取值合理。

3 耐火极限理论推导

楼板耐火本质是“热量从受火面传至钢筋，导致钢筋升温失承载能力”，推导核心为“钢筋达 550℃所需时间”，此时间与传热路径热阻（R）正相关 。本研究基于一维稳定热传导理论（傅里叶定律），忽略侧面散热（占比 < 5%），过程如下：

3.1 傅里叶定律与热阻原理

傅里叶定律表达式： q=- \lambda\cdot(dT/dx)（q为热流密度 W/m²，\lambda为导热系数，dT/dx为温度梯度）。热阻公式：单一材料R=L/\lambda（L 为厚度 m）；复合结构总热阻为各层热阻之和（串联），低 λ 材料（如保温层）可显著提升总热阻。

3.2 传热路径与距离计算

3.2.1 混凝土现浇楼板

受火面→混凝土保护层→钢筋中心：路径长度 L_{ 现浇 }=15mm（保护层）+4mm（钢筋半径）=19mm=0.019m，全程为 C30 混凝土。

3.2.2 水泥基保温叠合楼板

受火面→保温底板→现浇混凝土→钢筋中心：路径长度 L_{ 叠合 }=20mm（保温）+4mm（混凝土层）=24mm=0.024m，为“保温 + 混凝土”复合结构。

3.3 热阻计算与对比

3.3.1 混凝土现浇楼板热阻（R_{ 现浇}）

_{ 现浇 }=L_{ 现浇 }/\lambda_2=0.019/1.6=0.011875

3.3.2 水泥基保温叠合楼板热阻（R_{ 叠合}）

3.3.2.1 保温层热阻：R_{ 保温 }=0.020/0.1

3.3.2.2 混凝土层热阻：R_{ 混凝土层 }=0.004/1.6=0.0025 m²·K/W

3.3.2.3 总热阻：R_{ 叠合 }=0.200+0.0025=0.2025 m²⋅K/ψ

3.3.3 对比结论

R_{ 叠合}/R_{ 现浇} ≈17.05，即叠合楼板热流密度仅为现浇的 1/17，热量传至钢筋速度大幅延缓。3.4 耐火极限初步估算

耐火极限与热阻近似正相关 ，理论比值≈ 17.05，但实际火灾中材料高温退化（如保温底板 λ 升至0.15-0.2 W/(m・K)、混凝土开裂）会降低热阻。结合研究 ，复合楼板实际耐火极限为理论值的 1/5-1/8，按最保守 1/8 计算：

耐火极限 _{ 叠合 } ≈ 17. 5×0. .9（现浇基准值） ×1/8≈1.92 小时，防火优势显著。

4 与规范对比及最终结论

结合现行规范与经验数据，量化评估两种楼板耐火极限，从多维度对比分析：

4.1 规范对楼板耐火极限的要求

据《建筑防火通用规范》，建筑耐火等级分四

一级：≥1.5 小时；二级： ⩾1.0 小时；三级：

医院、超高层（>100m）等需一级耐火，且楼板极限宜 ⩾2.0 小时。

4.2 两种楼板耐火极限量化评估

4.2.1 混凝土现浇楼板

100mm 现浇 C30 楼板（保护层 15mm），耐火极限 0.8-1.0 小时（取 0.9 小时），仅满足二级最低要求；用于一级建筑需额外防火措施（如涂防火涂料），高危场景存在安全隐患。

4.2.2 水泥基保温叠合楼板

保守估算≥ 2.0 小时，优化方案（如保温底板增厚至 25mm）可突破 3.0 小时，完全满足一级要求，适配超高层、医院等场景。

4.3 多维度对比

4.4 结论

4.4.1 耐火优势显著：叠合楼板热阻是现浇的 17 倍以上，保守极限 ⩾2.0 小时，满足一级要求 ，解决现浇性能不足痛点。

4.4.2 技术机理创新：打破“耐火依赖混凝土厚度”认知 ，以“保温 + 混凝土”实现“以隔热代增厚”，为装配式防火提供新路径。

4.4.3 综合效益突出：减少 15% 混凝土用量、降低 15% 自重、缩短 60% 工期，兼具保温功能，符合绿色建筑与工业化方向 。

5 综合优势与应用建议

5.1 叠合楼板核心优势

传统楼板增厚保护层（15mm →25mm），热阻仅提升不足 60%，极限仅 1.3 小时（仍不满足一级 [5]）；叠合楼板增 5mm 总厚 (100105mm) ），热阻提升 17 倍，极限突破 2.0 小时，改变防火设计逻辑。

5.1.2 结构 - 保温 - 施工一体

预制保温底板具三重功能：

5.1.2.1 结构功能：干密度 ⩾250kg/m³ ，抗压 ⩾ 3MPa，参与受力 ；

5.1.2.2 保温功能：λ ≤ :0.1W/(m^⋅K) ，满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，无需额外保温；

5.1.2.3 施工功能：作为底模，省去支拆模，减少周转材料消耗 ，符合“双碳”要求。

5.1.3 经济与社会效益显著

5.1.3.1 直接成本：节省 15% 混凝土、30% 模板费，工期缩 50%，造价持平但性能提升；

5.1.3.2 间接成本：自重降 15%，减少基础与竖向构件造价；

5.1.3.3 运维成本：保温耐久（与混凝土同寿命），降低能耗；

5.1.3.4 社会效益：推动装配式防火创新，减少火灾坍塌风险，为疏散与救援争取时间。

5.2 工程应用建议

5.2.1 优先应用场景

5.2.1.1 高耐火建筑：一级建筑（高层住宅 γ 27m 、办公楼 >50m) 、特殊公共建筑（医院、学校）、超高层（>100m）；

5.2.1.2 装配式项目：适配框架、剪力墙等结构，提升工业化水平 ；

5.2.1.3 节能项目：适用于夏热冬冷、寒冷地区，助力近零能耗建筑

5.2.2 施工与质量控制要点

5.2.2.1 预制底板生产： λ⩽0.1W/(m⋅K) ，燃烧 A 级（按 GB/T 20284-2006 检测）

5.2.2.2 现场施工：底板支撑间距≤1.5m ；钢筋中心距底板顶面 4mm（误差 ±2mm) ；浇筑振捣密实，避免界面缺陷；

5.2.2.3 验收：按 GB/T 9978.1-2021 做足尺耐火试验；抽样拉拔检测界面粘结强度 ⩾1 .5MPa 。

5.2.3 后续研究方向

5.2.3.1 足尺试验验证：实测 ISO 834 曲线下极限 ，验证理论准确性；

5.2.3.2 高温长期性能：研究 300-600℃下保温底板退化规律，优化配方；

5.2.3.3 抗火 - 抗震协同：分析火灾后叠合楼板抗震性能，为修复提供依据。

参考文献：

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[6]《建筑材料热物理性能参数手册》[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

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