防火涂料耐火性能测试方法现状及展望

2019-03-24陈振邦杨守生

中国人民警察大学学报 2019年10期

孟涛，陈振邦，杨守生

(1.中国人民警察大学，河北廊坊 065000； 2.荆州市消防救援支队，湖北荆州 434000)

0 引言

钢结构防火涂料是指涂覆于钢结构表面，以提高构件耐火极限的特种涂料。如何准确高效地评价其耐火性能是钢结构防火涂料研发领域的难点问题，目前学界尚未提出一套成本较小、结果可靠、重现性好的测试方法。本文梳理目前钢结构防火涂料耐火性能测试的研究现状，对比耐火性能测试非标方法的试验条件，以探讨耐火性能测试中存在的问题，展望耐火性能测试方法手段的发展方向，为钢结构防火涂料的研发测试工作提供参考。

1 钢结构防火涂料耐火性能测试的现状

1.1 现行标准中耐火性能测试方法概述

测试钢结构构件耐火极限的试验装置、试验条件及判定条件源自《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978—2008)[1]中水平承重构件的耐火性能试验方法。在此基础上，《钢结构防火涂料》(GB 14907—2002)[2]以涂覆有防火涂料的钢梁失去承载能力的时间来确定耐火性能。与GB/T 9978的规定相同，当梁的最大挠度超过L/20(mm)时，试件达到耐火极限。

ASTM E119-15a[3]对钢柱、钢梁及组合梁提出了特殊规定，既可进行承载条件下的耐火试验，也可用非承载条件下的替代试验。对于外包防火保护层的钢柱、钢梁或组合梁，可在非承载条件进行试验，即在规定的耐火极限时间内，钢材的温度不超过规定值即认为试件的抗火性能满足要求。UL 1709[4]与之类似，规定了快速升温的情况下，钢结构保护材料应满足的抗火性能要求。

对于钢结构防火涂料的现场检测，标准规定了测量高温下膨胀倍数的方法。地方标准《建筑防火涂料(板)工程设计、施工与验收规程》(DBJ 01-616—2004)[5]规定，取防火涂料粉末置于坩埚内在750 ℃下加热5 min后，测量膨胀倍率，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍。《消防产品现场检查判定规则》(GA 588—2012)[6]规定，膨胀型钢结构防火涂料用汽油喷灯灼烧，喷灯外焰接触涂层时间不低于5 min，停止供火后测量膨胀倍数，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍。

1.2 非标耐火性能测试方法概述

按照标准方法测试耐火性能，步骤繁琐，工作量大，成本高，在实际涂料产品研发中，科研及工程技术人员更偏向采用非标方法进行耐火性能测试。因此目前产生了很多非标测试装置，这些非标方法总体可概括为3大类。

1.2.1 中型梁试验法

《钢结构防火涂料》采用全尺寸钢梁进行耐火极限试验，每次需制备一根涂覆防火涂料的一般为5.5 m长(受火段不小于4 m)的I36b或I40b标准工字钢梁。这项测试需要的基材工字钢过于巨大，因此有学者考虑采用中型试验，选取缩尺寸涂覆防火涂料的钢梁进行耐火极限试验。专利报道了一种中型卧式耐火极限炉[7-8]，其装置的各项参数以标准炉按比例缩小设计，总投资仅2万余元。使用钢梁采用10 mm的A3钢板焊制而成,梁长1 560 mm,高80 mm,辐板宽40 mm,整个试件重17.8 kg，也需加载荷载，但是将大炉子的均布载荷简化为两点加载，加载示意图见图1，每次试验费用仅100元左右[9]。国外报道的中型耐火极限试验炉[10-11]，可对中型梁板柱的耐火性能进行测试，但能否检测涂覆有防火涂料的梁或梁构件的耐火极限，未见有文献报道。

1.2.2 膨胀倍数测量法

有些专利从防火涂料的膨胀倍率这一角度出发，制作了涂料受火膨胀倍率的测量装置[12-14]，其中防火涂料膨胀性能测试仪如图2所示[13]，目前已应用于消防部门日常监督检查。这类测试装置一般重量低于10 kg，尺寸较小，方便移动，测试费用低，检测时间短。主要用于消防监督部门、消防产品检测机构、防火涂料生产企业，以及科研、施工单位等测试膨胀型防火涂料的膨胀性能。这些装置相对于喷灯法或坩埚法，尽管提高了试验精度，甚至其中部分装置可以将测量精度提高至μm级别[12]，但对于涂刷时难以保证平整均匀的涂料，提高意义并不大。

1.2.3 模拟大板燃烧法

模拟大板燃烧法是源于《饰面型防火涂料》(GB 12441—2005)[15]测定饰面型防火涂料耐燃时间的标准方法。在此方法基本原理与思路基础上，衍生出测试钢结构防火涂料的模拟大板燃烧法测试方法。原理是测量钢板的背火面或者内表面温度达到

1.热电偶；8.气孔；10,16.保温层；11,12.炉体

一定值所需时间。简易的模拟大板燃烧法装置可直接搭建[16]，也可利用现有的小型试验装置，试样大小与大板燃烧法一致，仅需100 mm×100 mm。这类装置其最早的文献报道可追溯至1999年[17]。

1.3 非标方法耐火性能测试的试验条件概述

因为测试方法的选择有较大差异，升温条件、基材、加热方式等会影响试验结果，因此非标方法目前还没得到学界的统一认识。下面对这些差异化的试验条件进行探讨，讨论试验条件的应用范围与其合理性。

1.3.1 升温条件的选择

火灾的发展过程影响因素较多，因此出现了各种火灾研究模型。为了对试验所测得的构件抗火性能进行相互比较，试验必须在标准升温条件下进行。许多国家和组织都制定了标准的室内火灾升温曲线，大体上可分为两大系列：ISO 834、ASTM E119为代表的纤维火，以及UL 1709、ASTM E1529为代表的烃类火，如图3所示。纤维火升温至1 000 ℃需90～105 min(不同标准有所差别)，烃类火的特点是升温速率快，在4 min即能升温至1 000 ℃[18]。因此两大系列评判的对象有所不同，纤维火常用于评价室

图3 标准火测试升温曲线

内型防火涂料，而烃类火常用于评价石化场所用防火涂料。

但是对于两种升温速率的比较，有研究认为烃类火与纤维火的热冲击没有任何显著差异。同一类防火涂料样品的试验结果中，烃类火与纤维火的时间-温度曲线下的面积基本相同，由于升温速率较快的烃类火平均温度较高，导致烃类火环境的保护持续时间有所减少[19]。

1.3.2 基材的选择

钢结构防火涂料的检测，必然要将涂料涂覆于基材之上。基材按照尺寸大小可分为大型、中型和小型基材。大型基材是指全尺寸钢梁，中型基材是指缩尺寸钢梁，也有采用L型角钢作为基材的报道[20]，而小型基材则种类多样，通常采用小尺寸钢板，也有采用钢筒[21]或采用0.5 m的I16b小钢梁[22]作为基材的文献报道。

1.3.3 加热源的选择

对升温的控制目前可分为电加热与火焰加热两种方法，各有利弊。

目前利用电炉进行加热的装置已较为成熟[23-24]，因其加热功率能精准的受程序控制，试验结果的重现性较佳。这种方法常见于涂料研制和质量控制过程，特别是小尺寸试验温升过程[25]。

而采用火焰加热时，由于火焰产生的浮力及火焰喷射时的湍流，试验空间内会产生强烈空气扰动，结果的重现性较电加热要差，但是火焰产生的浮力作用直接能对炭层产生冲击[26]，从而更真实地反映防火涂料受火、受热情况。对于膨胀体强度不够的样品，其膨胀体会迅速剥落使得样品不能通过耐火极限测试，这是电炉加热无法做到的。但是火焰加热时对燃料的选用目前仍存在较大分歧，天然气、液化石油气、汽油、轻柴油均有使用[27-30]。

1.3.4 温控系统的实现方式

饰面型防火涂料大板燃烧法采用固定燃气量，改变空气进气量以实现温度条件的改变[15]，也有采用空燃比调节阀的开度来实现[28]，采用烧嘴的燃油压力与流量来实现[31]，其中改变空气进气量实现起来最为简单。

1.3.5 背火面绝热方法的选择

对于模拟大板燃烧法，目前对背火面的绝热方法还没能统一。在单面涂覆涂料的钢板背面用热电偶测温时，即使钢板背面有隔热材料，也很难做到完全绝热，因此其所测温度较其他方法偏低。为此有文献提出改进方法，将两块单面涂覆涂料钢板背对放置，中间夹上热电偶[23-24]，此方法能一定程度上解决背火面散热问题。也有在钢板两面都涂覆防火涂料[32]，这就要求涂覆前需预埋热电偶，且热电偶在预埋时需紧贴金属板，否则热电偶读数将略低于钢板表面温度。

1.3.6 耐火极限温度的选择

对于小尺寸试验，钢板的背火面或者内表面温度达到一定值时，即认为达到耐火极限。国际上对钢结构受热破坏的温度一般定为540～650 ℃[22]。GB 14907规定的极限平均温度为538 ℃(其中单点不超过649 ℃)[2]。有的装置规定背火面的温度达到580 ℃时停止试验[21,24]，这是较为合理的数值。但也有装置规定的温度明显过低，只有400 ℃[26]，其原因在于背火面未有效保温，因此在规定极限温度时要偏低考虑。

1.3.7 试件放置方法的选择

小尺寸试验装置的待测试件大部分为水平放置，但也有少数电加热装置的试件竖直放置[33]，竖直放置的试件受到垂直方向的重力作用弱，难以测试出膨胀产生的炭层受重力作用发生掉落等极端情况。

1.3.8 加载荷载的选择

有的小尺寸装置设计了重块加载在钢板背火面，模拟基材承重，期望测试结果更加贴合实际情况[34]。由于小尺寸试样的挠度难以测量，这种做法实际意义不大，仅能作为压紧被测试件的配重，并不能模拟基材加载荷载。

2 钢结构防火涂料耐火性能测试存在的问题

根据1.3.2节中介绍的基材大小，耐火性能测试分为全尺寸试验、缩尺寸试验及小尺寸试验，全尺寸试验往往用于钢结构防火涂料的产品认证中耐火极限的测定，缩尺寸试验及小尺寸试验往往用于科研、产品研发等仅需横向比较耐火性能的场合。目前3种试验方法均存在一定问题。

2.1 全尺寸试验试件大、费用高、周期长

上文已提到过全尺寸试验的工字钢重量体积过大，而且市场上不同厂家生产的工字钢质量不同，承载能力有差别，因此基材的质量对试验结果影响较大。同时由于基材过大，而且工字钢表面不规则，要涂覆出均匀的厚度，比较困难，薄弱环节也会对测试的结果产生影响；基材过大的情况也会影响到制样时间、干燥时间等，造成测试的周期比较长。

2.2 缩尺寸试验的结果与全尺寸试验不一致

中型卧式耐火极限试验炉各项参数是以标准炉按比例缩小的，但实际使用中发现耐火极限的测试结果约比国家防火建材质检中心(四川)及国家固定灭火系统及构件检测中心(天津)大炉低10%～30%[29]。应考虑调整中型钢梁的尺寸来改进中型炉，使其Hp/A更加接近标准大炉的钢梁，使测试结果与标准大炉更加一致。

2.3 小尺寸试验无法与标准方法建立对应关系

在测量膨胀倍数时，具有较高膨胀倍率的涂料，在受火后膨胀产生的炭层因为不够致密，炭层受火时间一长，便烧蚀得所剩无几，耐火性能大打折扣，因此涂料的膨胀倍率不能反映出其耐火性能的好坏。

模拟大板燃烧法虽然是主流的非标方法，但其测量的是涂料的隔热性能，并不能等效于钢结构试件的耐火极限。有文献研究过隔热性能与耐火极限之间的经验换算关系[33]，但是尚未被广泛接受。