超薄膨胀型钢结构防火涂料烃类火试验研究

超薄膨胀型钢结构防火涂料烃类火试验研究

白玉星,张宏涛,何世钦,高建岭( 北方工业大学建筑工程学院,北京100144)

钢结构具有轻质、高强、抗震性能好、便于工业化生产、施工安装工期短等优点,属于典型的节能环保型结构类型,符合发展循环经济和可持续发展的要求。现在欧盟建筑结构当中,钢结构大约推广了30%,我国现在占到3% ~ 4%,所以我们需要大力推广应用钢结构建( 构) 筑物。钢结构的缺点之一是耐火性能较差。钢材虽为非燃烧材料,但钢不耐火,温度为400 ℃时,钢材的屈服强度将降至室温下的一半,温度达到600 ℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此钢结构建筑在火灾下容易遭到破坏,对钢结构进行防火保护势在必行。涂覆钢结构防火涂料是最便捷、有效的防火保护措施之一[1 - 3]。其中超薄膨胀型钢结构防火涂料具有装饰性好、质量轻薄、便于施工、适应范围广等优点,不仅适用于大型承重钢结构,也适用于表面积较小的非承重型结构和复杂的结构,易于维修和清洁[4 - 7]。
评价超薄型钢结构防火涂料的主要指标是耐火性能,它表示涂料抵抗火灾侵袭的能力,以耐火极限表示,即将钢结构防火涂料喷涂在钢构件上,按温度- 时间升温曲线进行耐火试验,以构件受火作用起到失去支持能力或完整性被破坏所用的时间来评价。国际上采用的试验方法有: ISO 834 ( 标准升温曲线) [8]、英国BS 476[9]、美国ASTM E119[10]等。在我国民用钢结构建筑中,GB14907—2002 针对超薄型防火涂料理化、隔热性能有比较详细的规定,但是对在石化烃类火环境下的超薄型涂料的要求未有提及[11]。而且该规范仅要求对防火涂料的厚度进行测试,所用构件也局限于I36b 或I40b 工字钢梁,所要求的计算跨度不小于4 200 mm。这种模拟试验方法成本高,需要消耗大量的钢材、燃气和检验费用。实际上发泡层倍数也是确定防火涂料防火性能的一个重要指标,只有进行了充分的发泡才能起到较好的物理隔热作用,北京地方标准“DBJ 01—616—2004 建筑防火涂料( 板) 工程设计、施工与验收规程”中就明确规定了涂层的膨胀倍数> 10 的要求[12]。本研究依据GB14907—2002 的规定,参考UL1709 快速火升温试验方法[13],对烃类火环境下超薄型钢结构防火涂料的耐火性能进行测试,为工程中实际应用这一类防火涂料提供参考和建议。

1 实验设备
烃类火钢结构防火涂料试验平台由试验炉、试验控制采集系统与燃料供给系统3 个部分组成。实验炉外形尺寸:170 cm × 150 cm × 150 cm,箱体从内到外依次由保温面、耐火砖及钢板组成,箱体厚度约50 cm 左右。在炉子正面开门,用来放置试件,正上方开30 cm × 30 cm 的洞口作为热电偶出入口。火灾升温曲线目前可以按照标准火和烃类火2 种曲线升温。燃料供给系统主要由炽化炉和燃气存储设备组成,炽化炉尺寸为: 80 cm × 50 cm × 100 cm,主要为液化气由液体变为气体提供足够的热量,防止液化气结冰,见图1。

2 试验过程
制作不同形状、5 种品牌超薄型防火涂料近50 个试件。先参照UL1709 钢结构保护材料快速升温火试验方法中小构件试验方法里提到的构件型材,制做箱型截面、钢管截面,外面涂刷涂料,进行养护。随后两端做绝热措施处理,进行标准火升温和烃类火升温条件下隔热性能试验,判别试验结束依据为试件背面单点温度达到649 ℃,平均温度达到538 ℃。随后依据试验情况制作钢板、工字钢、H 型钢等试件。

3 结果与讨论
养护好后,对以上大部分试件进行烃类火升温下火灾试验,少部分进行纤维素火升温火灾试验,其中箱型截面和圆管截面以截面内壁温度为控制对象,钢板以没有涂刷涂料的一侧温度为测试对象,对于工字钢则以内部为测试对象,都以单点温度达到649 ℃,平均温度达到538 ℃时,终止试验。试验过程中,试验炉通过控制燃气的进气量及足够的氧气,能较好地依照烃类火曲线升温,构件温度测试正常,燃烧试验能够正常展开。部分试验试件的前后对比结果如图2 ~ 9所示。






试验后,一种国产超薄型涂料无论在烃类火下和纤维素火下都不能发泡,另外一种国产品牌和进口品牌的发泡倍数分别超过了40 倍和30 倍。在2 种升温曲线下箱型或圆管截面涂料的发泡都有不同程度开裂,因此烃类火下大部分试件耐火时间只有15 ~ 17 min,标准火下可达到31 min。而钢板试件的耐火时间普遍好于钢管,发泡倍数相差不大,开裂程度减轻,而且烃类火下个别钢板试件耐火时间达到48 min,大部分能达到30 min 以上。膨胀型涂料受热发泡时,有时会有开裂脱落,这种现象对截面形状比较敏感,外凸型截面比内凹型截面相对严重些。从试验对比情况看,如果发泡过程中不开裂,可以起到明显的隔热作用; 在涂刷涂料后先用石棉保护好四角后,开裂情况不明显,在发泡厚度相差1 倍多的情况下隔热效果相当。燃烧后涂料的发泡倍数指标基本在30 ~ 40 倍之间。试验结果列在表1 中。

5 结语
本研究建立了一种烃类火环境下超薄型钢结构防火涂料耐火性能的测试方法,通过实验得到了超薄型防火涂料的发泡倍数和耐火时间等数据。通过实验情况,可以初步得出以下结论: 膨胀型涂料在满足发泡倍数指标情况下,其耐火性能与涂料的施工养护和粘结强度以及发泡机理密切相关。因此涂料的评价指标要从发泡倍数、施工养护过程、涂料粘结强度和发泡机理方面进行综合评价。

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