王玲玲，朱鑫，劉天蛟
?。ㄈA僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門361021）
——摘自《涂料工業(yè)》2024年第3期
膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有裝飾性好、質(zhì)量小、隔熱性能優(yōu)越和施工過(guò)程簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，是自前鋼結(jié)構(gòu)防火工程中應(yīng)用且發(fā)展前景良好的防火保護(hù)材料[1-2]。高溫下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的隔熱機(jī)理與傳統(tǒng)防火材料的隔熱機(jī)理有本質(zhì)區(qū)別，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層受熱時(shí)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)涂層的形態(tài)和隔熱性能不僅隨涂層溫度變化，還受升溫速率影響，這將導(dǎo)致涂層的導(dǎo)熱系數(shù)隨升溫條件、構(gòu)件截面形狀系數(shù)、涂層厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)的不同而變化。工程應(yīng)用[3-5]膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層被當(dāng)作傳統(tǒng)防火材料對(duì)待，這種處理方法不經(jīng)濟(jì)，也不安全。
膨脹型防火涂料的膨脹體系和基體樹脂中含有機(jī)成分，投入使用后易發(fā)生老化[6-7]。膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層涂覆面漆后，基體樹脂的氧化反應(yīng)和親水性物質(zhì)的遷移和析出得以延緩，隔熱性能退化程度減輕[8]，但有時(shí)涂覆面漆仍無(wú)法保證膨脹型防火涂層的使用壽命與建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限一樣長(zhǎng)，Bilota等[9]的研究證實(shí)了這一點(diǎn)。由膨脹型防火涂層保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的防火安全問(wèn)題已引起消防主管部門、工程設(shè)計(jì)單位和涂料廠商等各方的廣泛關(guān)注[10]。
當(dāng)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層達(dá)到使用壽命時(shí)，可采用2種方法處理，即替換（將原老化涂層刮掉后涂新涂層）和補(bǔ)涂（直接在原老化涂層上涂新涂層）。相比之下，補(bǔ)涂方案更經(jīng)濟(jì)。在原老化涂層上補(bǔ)涂新涂層后形成復(fù)合涂層，確定復(fù)合涂層的熱阻是補(bǔ)涂方案設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，而復(fù)合涂層熱阻并非原老化涂層與補(bǔ)涂涂層熱阻的簡(jiǎn)單疊加。
綜上，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的隔熱性能受諸多因素的影響。本文介紹了膨脹型防火涂層隔熱性能的影響因素及定量表征方法，概述了隔熱性能的研究現(xiàn)狀，提出了膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層厚度設(shè)計(jì)涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及解決思路，
1膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的定量表征方法
準(zhǔn)確量化高溫下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的隔熱性能并非易事。研究人員對(duì)高溫下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，多數(shù)分析模型將涂層組分的熱解反應(yīng)與涂層傳熱過(guò)程結(jié)合考慮[1-14]。首先采用阿倫尼烏斯方程計(jì)算涂層內(nèi)各組分反應(yīng)的速率，然后對(duì)由防火涂層和鋼基材組成的體系建立質(zhì)量守恒和熱量守恒方程，求解微分方程獲得膨脹型防火涂層保護(hù)下鋼構(gòu)件的溫度一時(shí)間關(guān)系。數(shù)值模擬的缺點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程繁雜，不便于工程應(yīng)用。
Wang等將膨脹型防火涂層保護(hù)鋼構(gòu)件的傳熱問(wèn)題視為薄壁物體的溫度響應(yīng)問(wèn)題，并忽略涂層內(nèi)儲(chǔ)存的熱量對(duì)傳熱過(guò)程的影響，在此基礎(chǔ)上，提出膜脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層等效導(dǎo)熱系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。時(shí)間間隔△t（△30s）內(nèi)涂層等效導(dǎo)熱系數(shù)或等效熱阻可通過(guò)參數(shù)識(shí)別的方法確定，計(jì)算公式分別如式（1）和式（2）所示。
式中：λp(t)為時(shí)間間隔△t內(nèi)防火涂層的等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃）；
dp為防火涂層名義干膜厚度，m；
cs為鋼材比熱，J/(kg·℃)；
ρs為鋼材密度，kg/m；
V為鋼構(gòu)件體積，m3；
Ap為構(gòu)件涂層的受火表面積，m2；
△T為時(shí)間間隔△t內(nèi)鋼構(gòu)件的溫升，℃；
T（t+△t)為(t+△t)時(shí)刻的爐溫，℃；
T（t)為t時(shí)刻的鋼構(gòu)件溫度，℃；
R（t)為時(shí)間間隔△t內(nèi)防火涂層的等效熱阻，(m2·℃)/W
t為受火時(shí)刻，s。
根據(jù)式（1）和式（2)可分別得到膨脹型防火涂層等效導(dǎo)熱系數(shù)和等效熱阻隨時(shí)間或溫度變化的關(guān)系曲線。為便于對(duì)比分析，Li等[15]提出了等效導(dǎo)熱常數(shù)的概念，采用等效導(dǎo)熱常數(shù)計(jì)算的鋼構(gòu)件溫度與采用隨溫度變化的等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算的鋼構(gòu)件溫度在400～600℃時(shí)相吻合。
2升溫條件對(duì)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的影響
隨溫度升高，膨脹型防火涂層依次經(jīng)歷熔融、膨脹、固化和失炭等一系列反應(yīng)過(guò)程。高溫度決定涂層經(jīng)歷的反應(yīng)階段：升溫速率的變化影響上述反應(yīng)過(guò)程的協(xié)同程度，進(jìn)而影響涂層的膨脹倍率和炭層的泡孔尺寸，導(dǎo)致涂層隔熱性能的差異。
Wang等[16]考察了升溫條件對(duì)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的影響，其機(jī)理分析如圖1所示，并分析了水性防火涂料在不同升溫速率下質(zhì)量保持率隨溫度的變化，如圖2所示。當(dāng)樣品溫度處于200～550℃時(shí)，質(zhì)量損失占總質(zhì)量損失的80%以上，質(zhì)量損失是由于發(fā)泡劑分解釋放出氣體（發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體只有小部分留在涂層內(nèi)，其余部分自由釋放）。通過(guò)分析兩組熱重試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論：升溫速率越快，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體逸出量越少，殘留在涂層內(nèi)的氣體量越多，涂層的膨脹倍率越高；溶劑型防火涂料的情況類似。
不同升溫條件下膨脹型防火涂層的隔熱性能存在差異，火場(chǎng)環(huán)境、涂層厚度和鋼構(gòu)件截面形狀系數(shù)會(huì)對(duì)防火涂層的升溫條件造成不同程度的影響。Xu等[17]考察了火場(chǎng)環(huán)境對(duì)膨脹型防火涂層隔熱性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，局部火災(zāi)下，涂層受熱不均勻，防火涂層膨脹過(guò)程不同步。Lucherini等[18]采用傳熱速率導(dǎo)系統(tǒng)（H-TRIS)測(cè)試法研究了升溫條件和涂層厚度對(duì)防火涂層膨脹過(guò)程的影響，并給出了膨脹倍率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。First等[9]的研究表明，圓形鋼筋和方形鋼筋表面膨脹型防火涂層開裂的模式和程度不同，從而導(dǎo)致2種截面形式鋼筋的升溫速率不同。
Wang等[16]分別在ISO834標(biāo)準(zhǔn)火和3種大空間火非標(biāo)準(zhǔn)火I（NI）、非標(biāo)準(zhǔn)火Ⅱ（NⅡ）、非標(biāo)準(zhǔn)火Ⅲ(NⅢ))下對(duì)2種膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的隔熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)測(cè)的S0834標(biāo)準(zhǔn)火和3種大空間火升溫曲線前5min的升溫速率分別為110.7℃/min(IS0834）、19.5C/min（NI）、21.9C/min（NⅡ）和30.6℃/min（NⅢ），90min的溫度分別為1000℃左右、519℃、582℃和805℃。不同升溫條件下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層等效導(dǎo)熱常數(shù)的對(duì)比如圖3所示。
由圖3可知，非標(biāo)準(zhǔn)火下涂層的等效導(dǎo)熱常數(shù)相較于標(biāo)準(zhǔn)火下相同厚度涂層的等效導(dǎo)熱常數(shù)有不同程度的提高，提高幅度與涂料類型有關(guān)：水性和溶劑型防火涂層在標(biāo)準(zhǔn)火和非標(biāo)準(zhǔn)火下等效導(dǎo)熱常數(shù)的**大差異分別為65%、35%。
3膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的退化
老化后，防火涂層表面出現(xiàn)發(fā)泡、凹凸不平、粉化和脆化等現(xiàn)象，防火涂層隔熱性能下降，鋼構(gòu)件耐火時(shí)間縮短[20]。Wang等[按照EAD350402-00-1106[21]的規(guī)定對(duì)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)的濕熱老化試驗(yàn)，研究了濕熱環(huán)境下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的退化機(jī)理和規(guī)律。
結(jié)果表明：濕熱環(huán)境下，涂層的基體樹脂發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)膨脹體系內(nèi)的親水性物質(zhì)向涂層表面遷移和析出，膨脹體系三組分（成炭劑、催化劑和發(fā)泡劑）的配比發(fā)生變化，老化涂層無(wú)法在高溫下形成優(yōu)質(zhì)的炭化層結(jié)構(gòu)，**終導(dǎo)致涂層等效導(dǎo)熱系數(shù)增大，隔熱性能退化。等效導(dǎo)熱系數(shù)隨老化時(shí)間的變化規(guī)律受涂料類型、涂層厚度的影響。根據(jù)EAD350402-00-1106的規(guī)定，濕熱老化試驗(yàn)以24h為1次循環(huán)，不間斷地進(jìn)行21次循環(huán)相當(dāng)于實(shí)際使用時(shí)間為10a。
研究人員嘗試通過(guò)添加填料改進(jìn)膨脹型防火涂料的配方設(shè)計(jì)，以期達(dá)到提高防火涂層耐久性的同時(shí)不降低其膨脹性能的目的。Wang等[22]向膨脹型防火涂料中加入硅氣凝膠、β-環(huán)糊精和納米氧化鋅，定量研究了光老化下膨脹型防火涂料的劣化機(jī)理。Beraldo等[23]在膨脹型防火涂料中加入苯并噁嗪和環(huán)氧基籠型聚倍半硅氧烷，以提高涂層抗紫外老化性能。Xu等[24]發(fā)現(xiàn)納米碳顆粒的加入能夠有效提高防火涂層的隔熱性能和抗紫外老化性能。工程上采用深覆面漆的做法提高膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的耐老化性能。Wang等[8]的研究表明，面漆可延緩防火涂層基體樹脂的氧化反應(yīng)及膨脹體系內(nèi)親水性物質(zhì)的遷移和析出，提高防火涂層的耐老化性能，降低防火涂層隔熱性能受濕熱環(huán)境條件的影響。圖4給出了有無(wú)面漆涂層試件的等效導(dǎo)熱常數(shù)隨濕熱老化試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系曲線。
從圖4可以看出，與未老化涂層試件相比，經(jīng)過(guò)濕熱老化試驗(yàn)84次循環(huán)后，未涂面漆涂層試件等效導(dǎo)熱常數(shù)增大了131%，而涂50μm面漆涂層試件等效導(dǎo)熱常數(shù)的增幅不超過(guò)50%。另外，對(duì)于未老化或老化時(shí)間較短（濕熱老化試驗(yàn)循環(huán)21次）的涂層試件，隨面漆厚度增加，等效導(dǎo)熱常數(shù)增大，隔熱性能下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是面漆的存在使涂層膨脹過(guò)程中多孔膨脹層內(nèi)的孔隙壓力增加，防火涂層的膨脹倍率下降（圖5）。關(guān)于面漆對(duì)防火涂層膨脹過(guò)程的抑制作用，Xu等[25]的研究也得到相似的絡(luò)論。防火涂層膨脹倍率隨面漆厚度的變化趨勢(shì)如圖5所示[8]。
4膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層“新一老”復(fù)合涂層體系的隔熱性能
在原老化涂層上涂覆新涂層后形成“新-老”復(fù)合涂層體系。復(fù)合涂層熱阻并非原老化涂層與補(bǔ)涂涂層熱阻的簡(jiǎn)單疊加，確定復(fù)合涂層熱阻的關(guān)鍵問(wèn)題是明確既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率（既有涂層熱阻與復(fù)合涂層熱阻的比值）。為此.本文介紹了138個(gè)試件的試驗(yàn)研究情況。根據(jù)既有涂層的類型（水性和容劑型）138個(gè)試件分為2組，每組試件變化的參數(shù)包括有涂層濕熱老化試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（無(wú)面漆試件：循環(huán)0次、21次、42次：有面漆試件：循環(huán)0次、42次、63次），補(bǔ)涂涂層類型（水性和溶劑型）和補(bǔ)涂涂層厚度（無(wú)漆試件：補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型相同時(shí)補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為0.5mm、1.0mm、2.0mm，補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時(shí)，補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為1.0mm；有面漆試件：補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為1.0mm）。試件示意圖如圖6所示。
隔熱性能試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：有無(wú)既有涂層，補(bǔ)涂涂層炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征相差無(wú)幾，而有無(wú)補(bǔ)涂涂層，既有涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異較大。說(shuō)明有涂層對(duì)補(bǔ)涂涂層的膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能的影響很小，而補(bǔ)涂涂層對(duì)既有涂層的膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能產(chǎn)生了顯著影響。
圖7是復(fù)合涂層體系等效熱阻常數(shù)隨既有涂層老化時(shí)間和補(bǔ)涂涂層厚度的變化。區(qū)分既有涂層有、無(wú)面漆2種情況，柱狀圖中的白分?jǐn)?shù)表示復(fù)合涂層體系中既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率。
從圖7可以看出，既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率隨其老化時(shí)間延長(zhǎng)和補(bǔ)涂涂層厚度的增加而減小，對(duì)涂有面漆的既有涂層，熱阻貢獻(xiàn)率隨老化時(shí)間延長(zhǎng)下降幅度很小。當(dāng)既有涂層無(wú)面漆，補(bǔ)涂涂層厚度大于1.0mm時(shí)，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時(shí)可偏安全地忽略（貢獻(xiàn)率≤20%）。當(dāng)補(bǔ)涂涂層較薄（0.5mm）且既有涂層（無(wú)面漆）老化時(shí)間較短（21次循環(huán)），或既有涂層有面漆時(shí)，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)，可在一定程度上降低補(bǔ)涂成本。
圖8給出了補(bǔ)涂涂層類型對(duì)復(fù)合涂層和既有涂層熱阻的影響。
從圖8可以看出，相比補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型相同的情況，補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時(shí)復(fù)合涂層熱阻值和既有涂層熱阻貢獻(xiàn)率更高，涂層的隔熱性能更好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是熱量流經(jīng)形態(tài)特征明顯不同的炭層時(shí)，傳熱路徑變得彎曲且延長(zhǎng)。因此，在評(píng)價(jià)復(fù)合涂層的隔熱性能時(shí)，將補(bǔ)涂涂層與既有涂層均視為相同類型的做法是偏安全的。
5結(jié)語(yǔ)
總結(jié)了膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能的定量表征方法，分析了隔熱性能的影響因素以及這此因素的作用機(jī)理和規(guī)律，提出了膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層厚度設(shè)計(jì)涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，主要結(jié)論如下：
?。?）升溫速率的變化影響膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層系列反應(yīng)過(guò)程的協(xié)同程度，進(jìn)而影響膨脹炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征，**終導(dǎo)致涂層隔熱性能的差異。用標(biāo)準(zhǔn)火下防火涂層隔熱性能的檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際火防火涂層的設(shè)計(jì)并不能保證得到安全的結(jié)果。建議根據(jù)膨脹型防火涂層的實(shí)際使用環(huán)境預(yù)測(cè)火災(zāi)場(chǎng)景，并在該火災(zāi)場(chǎng)景下檢測(cè)防火涂層的隔熱性能。
(2）基體樹脂的氧化反應(yīng)和親水性物質(zhì)遷移和析出引起的膨脹體系三組分配比的變化是導(dǎo)致濕熱環(huán)境下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層隔熱性能退化的原因。通常情況下，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的使用壽命小于鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)使用年限。建議在使用若干年后對(duì)膨脹型防火涂層的隔熱性能進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)達(dá)到使用壽命的防火涂層進(jìn)行處理。
?。?）面漆可延緩基體樹脂的氧化反應(yīng)和膨脹體系內(nèi)親水性物質(zhì)的遷移和析出，降低膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層受濕熱環(huán)境條件的影響。但面漆的存在會(huì)增加多孔膨脹層內(nèi)的孔隙壓力，降低防火涂層的膨脹倍率。因此，建議在隔熱性能檢測(cè)時(shí)，膨脹型防火涂層帶面漆送檢（如設(shè)計(jì)有面漆）。
（4）確定“新一老”復(fù)合涂層體系熱阻的關(guān)鍵問(wèn)題是明確既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率。既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率隨既有涂層隔熱性能退化程度的提高和補(bǔ)涂涂層厚度的增加而減小。當(dāng)補(bǔ)涂涂層較薄或有涂層隔熱性能退化程度較輕時(shí)，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)，可在一定程度上降低補(bǔ)涂成本。
專注防火涂料
產(chǎn)品中心 公司主營(yíng)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,防火漆,防火涂料生產(chǎn)廠家,防火涂料廠家,國(guó)內(nèi)知名防火涂料廠家,防火封堵材料、膠粘劑的技術(shù)引進(jìn)、推廣與研發(fā)。
企業(yè)實(shí)力 公司成立于2002年，注冊(cè)資金10000萬(wàn)元，是一家專注從事防火涂料技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售和咨詢服務(wù)的中外合資企業(yè)。
