石膏基钢结构防火涂料耐火性能研究

晏建波 戴培刚 张阳 刘成杰 蓝世锋

0 引言

钢结构因其强度高、质量轻、施工简易、柔韧性好而被广泛用于桥梁、高层建筑和大型建筑中，如车站、体育场、候机厅、仓库等。但钢结构也存在耐高温不足的缺陷，钢的力学性能在高温作用时会急速下降。火灾条件下，不加耐火隔热保护的钢结构在10min 左右即可升温至800℃，导致力学性能急剧下降，整体承重失效而垮塌，因此国内外对钢结构防火涂料开展了大量的研究。

石膏基钢结构防火涂料作为一种较为新兴的钢结构防火涂料，以石膏为主要基材，采用无机轻质隔热和纤维材料组成的粉料，能够涂覆于钢结构表面起到防火保护作用。相比于传统水泥基钢结构防火涂料，石膏基钢结构防火涂料有原材料低碳节能、密度小等优点，同时粘结强度高，变形能力好，耐火性能好，因此逐渐广泛运用在市场中。目前关于石膏基防火涂料的研究较少，应珊珊对石膏基防火涂料的导热系数试验及数值模拟研究了其防火性能，并研究了界面剂对于其粘结强度的影响。何任飞研究了氧化石墨烯对石膏基防火涂料的改性作用，并评估其对涂料的力学性能及隔热性能的影响。

本文研究了石膏基钢结构防火涂料耐火性能，并结合其化学成分和结构分析其耐火原理，探讨了提高其耐火性能的研究方向。

1 耐火性能试验

1.1 试验样品制备

选用石膏基钢结构防火涂料作为试验样品，试样制备根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017）9.2.2、《建筑构件耐火试验方法 第7 部分：柱的特殊要求》（GB/T 9978.7-2008）进行，试验基材采用I36b 热轧工字钢，钢材长度500mm，在钢梁预埋热电偶用于测试试验过程中的基材温度变化，以此记录基材表面及试样内部温度变化情况，用于评价防火涂料对于基材的保护作用，每组试样布置4 根K 型热电偶，热电偶采用藕丝为0.5mm，包裹材料外径为2mm 内部热电偶，热电偶布置于钢梁中间截面，热电偶截面布置如图1 所示。

图1 热电偶布置示意图

将石膏基钢结构防火涂料按照产品施工工艺要求四面涂覆于工字钢基材上，并按要求进行养护。施工工艺如下：（1）手工打磨，清除工字钢表面的铁锈，油污，灰尘等杂物；（2）在钢梁表面刷涂环氧富锌防锈底漆，底漆实干后刷涂涂料；（3）按照产品配方比例进行抹涂，每次抹涂厚度8～12mm，每次施工间隔24h，直至施工至25mm。施工完成后在温度为5～35℃，相对湿度50%～80%环境下养护30 天。涂层厚度采用涂层测厚仪进行测量，共测量3 个截面，分别为钢梁中间截面以及距离钢梁中间100mm 截面，每个截面测量8 个点，截面上涂层厚度测量点如图2 所示，最后取所有测量点剔除最大值和最小值后的平均值，精确至1mm。

图2 试件截面上侧层厚度测量点位置

本次试验共制备4 组样品，涂料涂层厚度均为25mm，制备养护好的样品如图3 所示。试件表面平整无裂缝，质地坚硬密实，颜色为黄白色。

图3 制备的试样

1.2 试验仪器及试验方法

试验仪器采用小构件耐火试验炉，能够实现《建筑构件耐火试验方法 第1 部分：通用要求》（GB/T 9978.1-2008）建筑纤维类火灾标准升温曲线。试验过程中能够实时采集试验过程中试样温度的变化情况。

试验方法根据文献[5]规定的耐火性能试验方法进行，试样四面受火且不加载。

1.3 试验过程

将养护好的试样竖直安装在耐火试验炉中，试样四面受火且不进行加载，升温条件按文献[7]建筑纤维类火灾标准升温曲线进行，试验中炉内温度任意时刻温度由公式（1）、图4 确定。

图4 标准时间温度曲线

式中:t为时间，单位为分钟(min) ;T为炉内平均温度，单位为摄氏度（℃）。

试验过程中每分钟记录试验内部热电偶温度情况，绘制温升曲线。

2 试验数据及分析

试验过程共进行150min，炉内升温曲线如图5 所示，满足标准要求。

图5 炉内实际升温曲线图

试验后试件上的涂料质地松软脆，表面呈淡黄色，未出现明显裂缝，也无明显脱落与破损。

试验中每组样品采集4 个热电偶的平均值作为该样品内部温度，共采集4 组试样内部温度情况，绘制试样内部温升曲线和温升速率如图6、7 所示。

图6 试样内部温度升温曲线

图7 试样内部温度升温速率曲线

由图6、7 能够看出，4 组样品内部温度升温曲线相似，说明试样及试验稳定，结果具有参考性。分析其升温及升温速率曲线，整个耐火升温过程可分为4 个阶段，2 个平缓升温阶段和2 个快速升温阶段。第一阶段：缓慢升温阶段。在此阶段，温升较小，温度由室温上升到40℃左右，最大升温速率最大仅为2℃/min 左右；第二阶段：快速升温阶段。此阶段温升较快，温度由40℃上升到100℃左右，升温速率不断增加直到4℃/min；第三阶段：平缓升温阶段。此阶段为热解吸热过程，温升较小，持续时间比第一阶段长，温度由100℃上升到300℃左右，此阶段升温速率有一个先下降后上升的过程，最低升温速率为1℃/min 左右；第四阶段：快速升温阶段。此阶段升温速率较快，内部温度由300℃持续上升直至试验结束，升温速率逐渐增大，然后趋于一个稳定值，最大升温速率达到5.5℃/min 左右，稳定后的升温速率为5℃/min 左右。

石膏基原材料主要包括石膏粉，膨胀蛭石，膨胀珍珠岩，施工过程中会使用水、乳液等混合。结合涂料组分及相应组分化学结构分析内部温升4 个阶段情况如下。第一阶段：涂料中的大量水分及其他易挥发物挥发吸热，温升较小；第二阶段：水分和易挥发物挥发完后，依靠膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等材料的隔热效果吸热；第三阶段：热解吸热过程。二水石膏（CaSO·2HO）的分子结构中含有2 个结晶水。在此阶段，石膏受火发生晶格转变释放出结晶水变成自由水，自由水分子受热挥发吸热，此阶段升温缓慢；第四阶段：当内部温度达到300℃左右时，石膏中的结晶水基本分解挥发完毕，此后阶段即为石膏及其他材料本身吸热过程，升温速率较快。

3 结论

通过以上研究结果表明，石膏基钢结构防火涂料在耐火试验过程中分成四个阶段：第一阶段为水分及易挥发物挥发吸热，升温速率较慢，第二阶段为无机隔热材料吸热，升温速率较快，第三阶段为二水石膏结晶水分解吸热，升温速率较慢，第四阶段为无机隔热材料吸热，升温速率加快。对于提高石膏基钢结构防火涂料的耐火性能需要着重在第一和第三阶段介入，延长此两阶段的时间将能够提高其耐火性能。