防火涂料耐火性能測試方法現(xiàn)狀及展望

孟 濤，陳振邦，楊守生

(1.中國人民警察大學，河北 廊坊 065000； 2.荊州市消防救援支隊，湖北 荊州 434000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面，以提高構(gòu)件耐火極限的特種涂料。如何準確高效地評價其耐火性能是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研發(fā)領域的難點問題，目前學界尚未提出一套成本較小、結(jié)果可靠、重現(xiàn)性好的測試方法。本文梳理目前鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能測試的研究現(xiàn)狀，對比耐火性能測試非標方法的試驗條件，以探討耐火性能測試中存在的問題，展望耐火性能測試方法手段的發(fā)展方向，為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研發(fā)測試工作提供參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能測試的現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)行標準中耐火性能測試方法概述

測試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限的試驗裝置、試驗條件及判定條件源自《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》(GB/T 9978—2008)[1]中水平承重構(gòu)件的耐火性能試驗方法。在此基礎上，《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》(GB 14907—2002)[2]以涂覆有防火涂料的鋼梁失去承載能力的時間來確定耐火性能。與GB/T 9978的規(guī)定相同，當梁的最大撓度超過L/20(mm)時，試件達到耐火極限。

ASTM E119-15a[3]對鋼柱、鋼梁及組合梁提出了特殊規(guī)定，既可進行承載條件下的耐火試驗，也可用非承載條件下的替代試驗。對于外包防火保護層的鋼柱、鋼梁或組合梁，可在非承載條件進行試驗，即在規(guī)定的耐火極限時間內(nèi)，鋼材的溫度不超過規(guī)定值即認為試件的抗火性能滿足要求。UL 1709[4]與之類似，規(guī)定了快速升溫的情況下，鋼結(jié)構(gòu)保護材料應滿足的抗火性能要求。

對于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的現(xiàn)場檢測，標準規(guī)定了測量高溫下膨脹倍數(shù)的方法。地方標準《建筑防火涂料(板)工程設計、施工與驗收規(guī)程》(DBJ 01-616—2004)[5]規(guī)定，取防火涂料粉末置于坩堝內(nèi)在750 ℃下加熱5 min后，測量膨脹倍率，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍?！断喇a(chǎn)品現(xiàn)場檢查判定規(guī)則》(GA 588—2012)[6]規(guī)定，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料用汽油噴燈灼燒，噴燈外焰接觸涂層時間不低于5 min，停止供火后測量膨脹倍數(shù)，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍。

1.2 非標耐火性能測試方法概述

按照標準方法測試耐火性能，步驟繁瑣，工作量大，成本高，在實際涂料產(chǎn)品研發(fā)中，科研及工程技術人員更偏向采用非標方法進行耐火性能測試。因此目前產(chǎn)生了很多非標測試裝置，這些非標方法總體可概括為3大類。

1.2.1 中型梁試驗法

《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》采用全尺寸鋼梁進行耐火極限試驗，每次需制備一根涂覆防火涂料的一般為5.5 m長(受火段不小于4 m)的I36b或I40b標準工字鋼梁。這項測試需要的基材工字鋼過于巨大，因此有學者考慮采用中型試驗，選取縮尺寸涂覆防火涂料的鋼梁進行耐火極限試驗。專利報道了一種中型臥式耐火極限爐[7-8]，其裝置的各項參數(shù)以標準爐按比例縮小設計，總投資僅2萬余元。使用鋼梁采用10 mm的A3鋼板焊制而成,梁長1 560 mm,高80 mm,輻板寬40 mm,整個試件重17.8 kg，也需加載荷載，但是將大爐子的均布載荷簡化為兩點加載，加載示意圖見圖1，每次試驗費用僅100元左右[9]。國外報道的中型耐火極限試驗爐[10-11]，可對中型梁板柱的耐火性能進行測試，但能否檢測涂覆有防火涂料的梁或梁構(gòu)件的耐火極限，未見有文獻報道。

1.2.2 膨脹倍數(shù)測量法

有些專利從防火涂料的膨脹倍率這一角度出發(fā)，制作了涂料受火膨脹倍率的測量裝置[12-14]，其中防火涂料膨脹性能測試儀如圖2所示[13]，目前已應用于消防部門日常監(jiān)督檢查。這類測試裝置一般重量低于10 kg，尺寸較小，方便移動，測試費用低，檢測時間短。主要用于消防監(jiān)督部門、消防產(chǎn)品檢測機構(gòu)、防火涂料生產(chǎn)企業(yè)，以及科研、施工單位等測試膨脹型防火涂料的膨脹性能。這些裝置相對于噴燈法或坩堝法，盡管提高了試驗精度，甚至其中部分裝置可以將測量精度提高至μm級別[12]，但對于涂刷時難以保證平整均勻的涂料，提高意義并不大。

1.2.3 模擬大板燃燒法

模擬大板燃燒法是源于《飾面型防火涂料》(GB 12441—2005)[15]測定飾面型防火涂料耐燃時間的標準方法。在此方法基本原理與思路基礎上，衍生出測試鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的模擬大板燃燒法測試方法。原理是測量鋼板的背火面或者內(nèi)表面溫度達到

1.熱電偶；8.氣孔；10,16.保溫層；11,12.爐體

一定值所需時間。簡易的模擬大板燃燒法裝置可直接搭建[16]，也可利用現(xiàn)有的小型試驗裝置，試樣大小與大板燃燒法一致，僅需100 mm×100 mm。這類裝置其最早的文獻報道可追溯至1999年[17]。

1.3 非標方法耐火性能測試的試驗條件概述

因為測試方法的選擇有較大差異，升溫條件、基材、加熱方式等會影響試驗結(jié)果，因此非標方法目前還沒得到學界的統(tǒng)一認識。下面對這些差異化的試驗條件進行探討，討論試驗條件的應用范圍與其合理性。

1.3.1 升溫條件的選擇

火災的發(fā)展過程影響因素較多，因此出現(xiàn)了各種火災研究模型。為了對試驗所測得的構(gòu)件抗火性能進行相互比較，試驗必須在標準升溫條件下進行。許多國家和組織都制定了標準的室內(nèi)火災升溫曲線，大體上可分為兩大系列：ISO 834、ASTM E119為代表的纖維火，以及UL 1709、ASTM E1529為代表的烴類火，如圖3所示。纖維火升溫至1 000 ℃需90～105 min(不同標準有所差別)，烴類火的特點是升溫速率快，在4 min即能升溫至1 000 ℃[18]。因此兩大系列評判的對象有所不同，纖維火常用于評價室

圖3 標準火測試升溫曲線

內(nèi)型防火涂料，而烴類火常用于評價石化場所用防火涂料。

但是對于兩種升溫速率的比較，有研究認為烴類火與纖維火的熱沖擊沒有任何顯著差異。同一類防火涂料樣品的試驗結(jié)果中，烴類火與纖維火的時間-溫度曲線下的面積基本相同，由于升溫速率較快的烴類火平均溫度較高，導致烴類火環(huán)境的保護持續(xù)時間有所減少[19]。

1.3.2 基材的選擇

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的檢測，必然要將涂料涂覆于基材之上?；陌凑粘叽绱笮】煞譃榇笮?、中型和小型基材。大型基材是指全尺寸鋼梁，中型基材是指縮尺寸鋼梁，也有采用L型角鋼作為基材的報道[20]，而小型基材則種類多樣，通常采用小尺寸鋼板，也有采用鋼筒[21]或采用0.5 m的I16b小鋼梁[22]作為基材的文獻報道。

1.3.3 加熱源的選擇

對升溫的控制目前可分為電加熱與火焰加熱兩種方法，各有利弊。

目前利用電爐進行加熱的裝置已較為成熟[23-24]，因其加熱功率能精準的受程序控制，試驗結(jié)果的重現(xiàn)性較佳。這種方法常見于涂料研制和質(zhì)量控制過程，特別是小尺寸試驗溫升過程[25]。

而采用火焰加熱時，由于火焰產(chǎn)生的浮力及火焰噴射時的湍流，試驗空間內(nèi)會產(chǎn)生強烈空氣擾動，結(jié)果的重現(xiàn)性較電加熱要差，但是火焰產(chǎn)生的浮力作用直接能對炭層產(chǎn)生沖擊[26]，從而更真實地反映防火涂料受火、受熱情況。對于膨脹體強度不夠的樣品，其膨脹體會迅速剝落使得樣品不能通過耐火極限測試，這是電爐加熱無法做到的。但是火焰加熱時對燃料的選用目前仍存在較大分歧，天然氣、液化石油氣、汽油、輕柴油均有使用[27-30]。

1.3.4 溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

飾面型防火涂料大板燃燒法采用固定燃氣量，改變空氣進氣量以實現(xiàn)溫度條件的改變[15]，也有采用空燃比調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)[28]，采用燒嘴的燃油壓力與流量來實現(xiàn)[31]，其中改變空氣進氣量實現(xiàn)起來最為簡單。

1.3.5 背火面絕熱方法的選擇

對于模擬大板燃燒法，目前對背火面的絕熱方法還沒能統(tǒng)一。在單面涂覆涂料的鋼板背面用熱電偶測溫時，即使鋼板背面有隔熱材料，也很難做到完全絕熱，因此其所測溫度較其他方法偏低。為此有文獻提出改進方法，將兩塊單面涂覆涂料鋼板背對放置，中間夾上熱電偶[23-24]，此方法能一定程度上解決背火面散熱問題。也有在鋼板兩面都涂覆防火涂料[32]，這就要求涂覆前需預埋熱電偶，且熱電偶在預埋時需緊貼金屬板，否則熱電偶讀數(shù)將略低于鋼板表面溫度。

1.3.6 耐火極限溫度的選擇

對于小尺寸試驗，鋼板的背火面或者內(nèi)表面溫度達到一定值時，即認為達到耐火極限。國際上對鋼結(jié)構(gòu)受熱破壞的溫度一般定為540～650 ℃[22]。GB 14907規(guī)定的極限平均溫度為538 ℃(其中單點不超過649 ℃)[2]。有的裝置規(guī)定背火面的溫度達到580 ℃時停止試驗[21,24]，這是較為合理的數(shù)值。但也有裝置規(guī)定的溫度明顯過低，只有400 ℃[26]，其原因在于背火面未有效保溫，因此在規(guī)定極限溫度時要偏低考慮。

1.3.7 試件放置方法的選擇

小尺寸試驗裝置的待測試件大部分為水平放置，但也有少數(shù)電加熱裝置的試件豎直放置[33]，豎直放置的試件受到垂直方向的重力作用弱，難以測試出膨脹產(chǎn)生的炭層受重力作用發(fā)生掉落等極端情況。

1.3.8 加載荷載的選擇

有的小尺寸裝置設計了重塊加載在鋼板背火面，模擬基材承重，期望測試結(jié)果更加貼合實際情況[34]。由于小尺寸試樣的撓度難以測量，這種做法實際意義不大，僅能作為壓緊被測試件的配重，并不能模擬基材加載荷載。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能測試存在的問題

根據(jù)1.3.2節(jié)中介紹的基材大小，耐火性能測試分為全尺寸試驗、縮尺寸試驗及小尺寸試驗，全尺寸試驗往往用于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的產(chǎn)品認證中耐火極限的測定，縮尺寸試驗及小尺寸試驗往往用于科研、產(chǎn)品研發(fā)等僅需橫向比較耐火性能的場合。目前3種試驗方法均存在一定問題。

2.1 全尺寸試驗試件大、費用高、周期長

上文已提到過全尺寸試驗的工字鋼重量體積過大，而且市場上不同廠家生產(chǎn)的工字鋼質(zhì)量不同，承載能力有差別，因此基材的質(zhì)量對試驗結(jié)果影響較大。同時由于基材過大，而且工字鋼表面不規(guī)則，要涂覆出均勻的厚度，比較困難，薄弱環(huán)節(jié)也會對測試的結(jié)果產(chǎn)生影響；基材過大的情況也會影響到制樣時間、干燥時間等，造成測試的周期比較長。

2.2 縮尺寸試驗的結(jié)果與全尺寸試驗不一致

中型臥式耐火極限試驗爐各項參數(shù)是以標準爐按比例縮小的，但實際使用中發(fā)現(xiàn)耐火極限的測試結(jié)果約比國家防火建材質(zhì)檢中心(四川)及國家固定滅火系統(tǒng)及構(gòu)件檢測中心(天津)大爐低10%～30%[29]。應考慮調(diào)整中型鋼梁的尺寸來改進中型爐，使其Hp/A更加接近標準大爐的鋼梁，使測試結(jié)果與標準大爐更加一致。

2.3 小尺寸試驗無法與標準方法建立對應關系

在測量膨脹倍數(shù)時，具有較高膨脹倍率的涂料，在受火后膨脹產(chǎn)生的炭層因為不夠致密，炭層受火時間一長，便燒蝕得所剩無幾，耐火性能大打折扣，因此涂料的膨脹倍率不能反映出其耐火性能的好壞。

模擬大板燃燒法雖然是主流的非標方法，但其測量的是涂料的隔熱性能，并不能等效于鋼結(jié)構(gòu)試件的耐火極限。有文獻研究過隔熱性能與耐火極限之間的經(jīng)驗換算關系[33]，但是尚未被廣泛接受。

3 防火涂料耐火測試發(fā)展方向

3.1 設備小型化

為節(jié)約測試中耗費的基材、燃料等，今后大型設備小型化，小型設備便攜化是試驗裝置發(fā)展的必然趨勢。若能以便攜化設備耐火試驗結(jié)果代替大型試驗評價鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能，則可用少量成本及勞動力在短時間內(nèi)、在使用現(xiàn)場進行鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能的評價，達到監(jiān)督鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的質(zhì)量的目的。

3.2 方法標準化

學界對耐火性能測試方法及裝置的研究過程中，涌現(xiàn)出各異且繁多的測試方法。不同的測試方法各有利弊，其測試結(jié)果通常也無法相互比較、折換。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能測試方法，尤其是小尺寸試驗中加熱源、基材等關鍵影響因素的選擇，學界應盡快達成一致，進一步整合測試方法及條件，最終形成標準化的測試方法。

3.3 結(jié)果通用化

盡管有很多學者針對縮尺寸與小尺寸耐火極限試驗結(jié)果之間的一致性進行了一定研究[35]，但它們的試驗結(jié)果還存在差異，不能通用。

4 結(jié)語

對于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能測試方法，相關標準、專利等文獻已相當豐富，但是針對目前現(xiàn)行測試方法，其一致性、準確性、經(jīng)濟性仍需進一步提高。未來針對耐火性能測試方法的研究，應進一步整合相關測試方法，同時注重節(jié)約測試成本，力爭形成相對統(tǒng)一、準確的測試方法，為防火涂料的研發(fā)測試工作奠定基礎。