浅论钢结构防火涂料防火性能检测方法现状及发展

2021-11-27吴天琦

中国建筑金属结构 2021年11期

吴天琦

钢结构的防火性能较弱，在高温条件下（500℃），不具备荷载能力，一旦发生火灾，会在十分钟内升温至800℃以上，引发建筑物坍塌事故。所以，在钢结构建筑建设中需为钢结构涂刷一层防火涂料，提高钢结构防火性能。为确保钢结构防火涂料防火性能符合建筑施工要求，需采用合理方法进行检测。

1.钢结构防火涂料防火性能检测方法现状

在钢结构防火涂料研发中，常用有厚型、薄型及超薄型三种类型，前者的防火原理在于低导热率控制热量传递、釉状保护层隔绝空气、组分转变为不燃性气体防火隔热三类；后两者的防火原理在于膨胀发泡隔绝空气，阻碍热传递，吸收热量。防火性能的检测方法以上述原理为基础，不同检测方法的检测指标不同，检测条件、优势和适用范围不同。

1.1 国标规定的检测方法

我国于2019 年6 月施行了新的标准《钢结构防火涂料》（GB 14907-2018），检测人员应遵循新标准的新要求，进行防火性能检测。该标准使用钢梁防火涂料试件最大变形量达到（L0是指净跨度，h 是指试件截面抗压点和抗拉点的距离）的时间作为评价指标，此时钢结构试件不具备承载能力，可将其视为防火涂料耐火极限，取值为0.01h。在实际检测中，检测流程要点如下。

1.1.1 检测装置

在防火性能检测中，使用设备与处理方法如下：

（1）耐火试验炉。耐火试验炉是对钢结构防火涂料进行加热加压处理的关键设备，检测人员应遵循国标要求，进行耐火试验炉的升温与加压处理。在升温时，普通钢结构防火涂料应遵循建筑纤维类火灾升温要求；特种钢结构防火涂料应遵循烃类火灾升温要求[1]。本文主要对普通钢结构防火涂料检测进行分析，其试验条件设置要求如下：在升温设置中，温度变化应遵循如下公式要求：T-T0=345lg（8t+1），其中，T 是指t 时刻耐火试验炉的平均温度；T0是指耐火试验炉的初始温度；t 是指升温时间。同时，检测人员应将T 和钢结构标准试件温度控制在标准范围内，如t为0min～10min，偏差应控制在15%内；如t 为10min～30min，偏差应控制在10%以内；如t 超过30min，偏差应控制在5%以内。在加压设置中，在不同时刻的压力要求不同。在试验5min 后，炉压要求为（15±5）Pa；在试验10min后，炉压要求为（17±3）Pa。

（2）炉压测量与控制装备。在炉压测量中，检测人员需选用可准确高效测量静压头的传感器，且传感器应布置于远离火焰冲击或烟气浓度较高的区域。

（3）燃烧系统。在耐火试验炉的燃烧中，可选择轻柴油、天然气等燃料，将其与空气混合喷入炉内，构建燃烧系统。

（4）变形量测量设备。在试件变形检测中，检测人员可选用机械设备、力学或光学检测设备。

（5）加载设备。检测人员可选择液压系统、机械系统或荷重块方式，实现加载需求，确保试件承受四点集中荷载。

（6）约束设备。检测人员可选择液压系统作为约束设备，满足试件检测的边界条件设置需求。

1.1.2 试件制作

在钢结构试件制作时，检测人员应遵循《热轧H 型钢和剖分T 型钢》（GB/T 11263-2017）或《热轧型钢》（GB/T 706-2016）的要求，前者要求试件规格为HN400mm×200mm 热轧H 型钢，后者要求为36b 热轧工字钢，二者截面系数要求不同，H 型钢为161m-1，工字钢为126m-1。在制作中，检测人员应进行试件热电偶的设置，再使用防火涂料涂覆钢结构试件，并将试件置于温度为5℃～35℃，相对湿度为50%～80%的环境下养护[2]。

1.1.3 安装加载

在试件安装和加载时，要求检测人员将试件水平安装于耐火试验炉内，确保试件三面受火，在背火面覆盖标准混凝土盖板，要求盖板密度在450kg/m3～850kg/m3范围内，长度低于1m，宽度≥2 倍梁上翼缘，且超过600mm。同时，检测人员应在检测梁结构的上翼缘与盖板的缝隙处，设置宽度与上翼缘宽度相同的硅酸铝纤维棉。试件受火长度应超过4000mm，净跨度应超过4200mm，支点内外非受火区域的大小应≤300mm。

1.2 标准以外的检测方法

由于国标检测方法流程相对复杂，检测效率偏低，专家学者基于防火涂料的防火原理，研发出如下检测方法：

1.2.1 热分析法

在防火涂料应用中，防火阻燃作用由脱水成酸、脱水成炭等反应实现，反应形成不燃气体，防火隔热。在防火性能检测中，专家学者通过差示扫描量热法、热重法等热分析法，分析防火涂料的组分，根据防火涂料的作用过程，绘制相应图谱，了解防火涂料组分的受热分解过程和阻火过程，以此评估防火涂料的防火性能。基于该检测方法的检测结果，既可准确检测防火性能，也可为防火涂料的配方优化提供参考。

1.2.2 锥形量热仪法

锥形量热仪属于燃烧测定仪，可通过总释放热量、点燃时间与热释放速率峰值等指标，评估阻燃性能，有研究学者基于此原理，将锥形量热仪用于防火性能检测中。其将热辐射条件设置为20kW/m3，检测对比不同防火涂料的防火性能，根据两种防火涂料的总释放热、点燃时间等指标，进行防火性能对比评估。同时，有研究学者以点燃时间和热释放速率峰值的比值作为检测指标，分析防火涂料的阻燃性，以此评估其防火性能。另外，锥形量热仪还可用于检测防火涂料产生的烟气含量、有害气体含量，呈现防火涂料的降解过程，为锥形量热仪在防火性能检测中的推广应用提供支持。

1.2.3 光电子能谱法

在防火涂料的防火原理中，膨胀型防火涂料的阻燃效果与其炭层的绝热效果存在密切联系，而绝热效果由炭层的组成成分决定。因此，专家学者采用光电子能谱法测定炭层的组成成分，以此评估其防火性能。有研究学者选择APP、PER 与LRAM3.5 三种型号的防火涂料为样本，设置不同燃烧温度，计算防火涂料燃烧后残余物的磷、碳、氧、氮等元素的含量及比例关系，根据不同元素比例，评估炭层中的元素存在形式，如炭层中碳/磷的比例较高或磷/氮的比例较低时，炭层内部更易形成稠环结构，使防火涂料更加稳定，增强防火涂料的防火性能。因此，在防火性能检测中，可应用光电子能谱法测定防火涂料炭层的碳、磷及磷、氮比例。

1.2.4 其他方法

在防火性能检测中，研究学者也提出其他检测方向与方法，但并未得到广泛应用，在未来发展中可以此为发展思路，探究更高效、准确的检测方法。例如，红外光谱法，可通过红外光谱法测定防火涂料的羟基含量，分析-Si-O 键的吸收峰，如含量下降，吸收峰增强，则表明防火涂料出现缩聚反应，防火涂料稳定性更强，防火性能更好；扫描电镜法，检测人员可使用扫描电子显微镜观察防火涂料的燃烧物，分析其孔泡结构的分布状况和大小，评估防火性能，如孔泡结构分布区域变小，结构大小增大，说明防火涂料内部结构粘结性增强，防火性能更高；X 射线衍射法，测定防火涂料的涂层膨胀倍数，评估其隔热效果，检测防火性能。

2.钢结构防火涂料防火性能检测方法发展

2.1 研发现场检测技术

在国标规定的钢结构防火涂料防火性能检测中，检测方法的操作相对复杂，且检测成本较高，需花费一定时间才能获取检测结果。为提高检测效率，满足不同情况下的钢结构防火涂料防火性能检测需求，建议专家学者研发现场检测技术，在钢结构防火涂料应用现场，进行高效、准确的防火性能检测，实现快速检测操作。例如，某研究学者研发的控温电加热炉装置，可根据标准温升曲线，对比分析钢结构防火涂料的隔热性能及防火性能，检测人员可根据耐火极限时间，计算防火涂料的膨胀厚度，以及检测时的背火面平均温升，准确评估防火性能，为钢结构的现场快速检测提供支持，在短时间内评估防火涂料是否符合钢结构施工需求，为钢结构的高效利用提供技术支持。

2.2 构建完善检测体系

通过现状分析可知，在钢结构防火涂料防火性能检测中，可用方法相对多样，专家学者应在国标检测方法的基础上，构建完善检测体系，将国标以外的其他检测方法进行统一整合，归纳总结不同检测方法的适用范围、操作要点及检测优缺点，为防火性能实际检测工作提供指导和参考。在此基础上，检测人员可根据钢结构防火涂料的检测需求，配合使用两种及以上的检测方法，提高检测质量。同时，为保障防火性能检测体系的完整性及全面性，专家学者应加强对防火涂料防火性能检测的关注，通过互联网了解最新检测理论与方法，及时将先进检测方法纳入检测体系，为检测体系的实践应用奠定基础[3]。