淺論鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測方法現(xiàn)狀及發(fā)展

吳天琦

鋼結(jié)構(gòu)的防火性能較弱，在高溫條件下（500℃），不具備荷載能力，一旦發(fā)生火災(zāi)，會在十分鐘內(nèi)升溫至800℃以上，引發(fā)建筑物坍塌事故。所以，在鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)中需為鋼結(jié)構(gòu)涂刷一層防火涂料，提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能。為確保鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能符合建筑施工要求，需采用合理方法進行檢測。

1.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測方法現(xiàn)狀

在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研發(fā)中，常用有厚型、薄型及超薄型三種類型，前者的防火原理在于低導(dǎo)熱率控制熱量傳遞、釉狀保護層隔絕空氣、組分轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗夹詺怏w防火隔熱三類；后兩者的防火原理在于膨脹發(fā)泡隔絕空氣，阻礙熱傳遞，吸收熱量。防火性能的檢測方法以上述原理為基礎(chǔ)，不同檢測方法的檢測指標(biāo)不同，檢測條件、優(yōu)勢和適用范圍不同。

1.1 國標(biāo)規(guī)定的檢測方法

我國于2019 年6 月施行了新的標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB 14907-2018），檢測人員應(yīng)遵循新標(biāo)準(zhǔn)的新要求，進行防火性能檢測。該標(biāo)準(zhǔn)使用鋼梁防火涂料試件最大變形量達到（L0是指凈跨度，h 是指試件截面抗壓點和抗拉點的距離）的時間作為評價指標(biāo)，此時鋼結(jié)構(gòu)試件不具備承載能力，可將其視為防火涂料耐火極限，取值為0.01h。在實際檢測中，檢測流程要點如下。

1.1.1 檢測裝置

在防火性能檢測中，使用設(shè)備與處理方法如下：

（1）耐火試驗爐。耐火試驗爐是對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進行加熱加壓處理的關(guān)鍵設(shè)備，檢測人員應(yīng)遵循國標(biāo)要求，進行耐火試驗爐的升溫與加壓處理。在升溫時，普通鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)遵循建筑纖維類火災(zāi)升溫要求；特種鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)遵循烴類火災(zāi)升溫要求[1]。本文主要對普通鋼結(jié)構(gòu)防火涂料檢測進行分析，其試驗條件設(shè)置要求如下：在升溫設(shè)置中，溫度變化應(yīng)遵循如下公式要求：T-T0=345lg（8t+1），其 中，T 是指t 時刻耐火試驗爐的平均溫度；T0是指耐火試驗爐的初始溫度；t 是指升溫時間。同時，檢測人員應(yīng)將T 和鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)試件溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如t為0min～10min，偏差應(yīng)控制在15%內(nèi)；如t 為10min～30min，偏差應(yīng)控制在10%以內(nèi)；如t 超過30min，偏差應(yīng)控制在5%以內(nèi)。在加壓設(shè)置中，在不同時刻的壓力要求不同。在試驗5min 后，爐壓要求為（15±5）Pa；在試驗10min后，爐壓要求為（17±3）Pa。

（2）爐壓測量與控制裝備。在爐壓測量中，檢測人員需選用可準(zhǔn)確高效測量靜壓頭的傳感器，且傳感器應(yīng)布置于遠(yuǎn)離火焰沖擊或煙氣濃度較高的區(qū)域。

（3）燃燒系統(tǒng)。在耐火試驗爐的燃燒中，可選擇輕柴油、天然氣等燃料，將其與空氣混合噴入爐內(nèi)，構(gòu)建燃燒系統(tǒng)。

（4）變形量測量設(shè)備。在試件變形檢測中，檢測人員可選用機械設(shè)備、力學(xué)或光學(xué)檢測設(shè)備。

（5）加載設(shè)備。檢測人員可選擇液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)或荷重塊方式，實現(xiàn)加載需求，確保試件承受四點集中荷載。

（6）約束設(shè)備。檢測人員可選擇液壓系統(tǒng)作為約束設(shè)備，滿足試件檢測的邊界條件設(shè)置需求。

1.1.2 試件制作

在鋼結(jié)構(gòu)試件制作時，檢測人員應(yīng)遵循《熱軋H 型鋼和剖分T 型鋼》（GB/T 11263-2017）或《熱軋型鋼》（GB/T 706-2016）的要求，前者要求試件規(guī)格為HN400mm×200mm 熱軋H 型鋼，后者要求為36b 熱軋工字鋼，二者截面系數(shù)要求不同，H 型鋼為161m-1，工字鋼為126m-1。在制作中，檢測人員應(yīng)進行試件熱電偶的設(shè)置，再使用防火涂料涂覆鋼結(jié)構(gòu)試件，并將試件置于溫度為5℃～35℃，相對濕度為50%～80%的環(huán)境下養(yǎng)護[2]。

1.1.3 安裝加載

在試件安裝和加載時，要求檢測人員將試件水平安裝于耐火試驗爐內(nèi)，確保試件三面受火，在背火面覆蓋標(biāo)準(zhǔn)混凝土蓋板，要求蓋板密度在450kg/m3～850kg/m3范圍內(nèi)，長度低于1m，寬度≥2 倍梁上翼緣，且超過600mm。同時，檢測人員應(yīng)在檢測梁結(jié)構(gòu)的上翼緣與蓋板的縫隙處，設(shè)置寬度與上翼緣寬度相同的硅酸鋁纖維棉。試件受火長度應(yīng)超過4000mm，凈跨度應(yīng)超過4200mm，支點內(nèi)外非受火區(qū)域的大小應(yīng)≤300mm。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)以外的檢測方法

由于國標(biāo)檢測方法流程相對復(fù)雜，檢測效率偏低，專家學(xué)者基于防火涂料的防火原理，研發(fā)出如下檢測方法：

1.2.1 熱分析法

在防火涂料應(yīng)用中，防火阻燃作用由脫水成酸、脫水成炭等反應(yīng)實現(xiàn)，反應(yīng)形成不燃?xì)怏w，防火隔熱。在防火性能檢測中，專家學(xué)者通過差示掃描量熱法、熱重法等熱分析法，分析防火涂料的組分，根據(jù)防火涂料的作用過程，繪制相應(yīng)圖譜，了解防火涂料組分的受熱分解過程和阻火過程，以此評估防火涂料的防火性能?；谠摍z測方法的檢測結(jié)果，既可準(zhǔn)確檢測防火性能，也可為防火涂料的配方優(yōu)化提供參考。

1.2.2 錐形量熱儀法

錐形量熱儀屬于燃燒測定儀，可通過總釋放熱量、點燃時間與熱釋放速率峰值等指標(biāo)，評估阻燃性能，有研究學(xué)者基于此原理，將錐形量熱儀用于防火性能檢測中。其將熱輻射條件設(shè)置為20kW/m3，檢測對比不同防火涂料的防火性能，根據(jù)兩種防火涂料的總釋放熱、點燃時間等指標(biāo)，進行防火性能對比評估。同時，有研究學(xué)者以點燃時間和熱釋放速率峰值的比值作為檢測指標(biāo)，分析防火涂料的阻燃性，以此評估其防火性能。另外，錐形量熱儀還可用于檢測防火涂料產(chǎn)生的煙氣含量、有害氣體含量，呈現(xiàn)防火涂料的降解過程，為錐形量熱儀在防火性能檢測中的推廣應(yīng)用提供支持。

1.2.3 光電子能譜法

在防火涂料的防火原理中，膨脹型防火涂料的阻燃效果與其炭層的絕熱效果存在密切聯(lián)系，而絕熱效果由炭層的組成成分決定。因此，專家學(xué)者采用光電子能譜法測定炭層的組成成分，以此評估其防火性能。有研究學(xué)者選擇APP、PER 與LRAM3.5 三種型號的防火涂料為樣本，設(shè)置不同燃燒溫度，計算防火涂料燃燒后殘余物的磷、碳、氧、氮等元素的含量及比例關(guān)系，根據(jù)不同元素比例，評估炭層中的元素存在形式，如炭層中碳/磷的比例較高或磷/氮的比例較低時，炭層內(nèi)部更易形成稠環(huán)結(jié)構(gòu)，使防火涂料更加穩(wěn)定，增強防火涂料的防火性能。因此，在防火性能檢測中，可應(yīng)用光電子能譜法測定防火涂料炭層的碳、磷及磷、氮比例。

1.2.4 其他方法

在防火性能檢測中，研究學(xué)者也提出其他檢測方向與方法，但并未得到廣泛應(yīng)用，在未來發(fā)展中可以此為發(fā)展思路，探究更高效、準(zhǔn)確的檢測方法。例如，紅外光譜法，可通過紅外光譜法測定防火涂料的羥基含量，分析-Si-O 鍵的吸收峰，如含量下降，吸收峰增強，則表明防火涂料出現(xiàn)縮聚反應(yīng)，防火涂料穩(wěn)定性更強，防火性能更好；掃描電鏡法，檢測人員可使用掃描電子顯微鏡觀察防火涂料的燃燒物，分析其孔泡結(jié)構(gòu)的分布狀況和大小，評估防火性能，如孔泡結(jié)構(gòu)分布區(qū)域變小，結(jié)構(gòu)大小增大，說明防火涂料內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘結(jié)性增強，防火性能更高；X 射線衍射法，測定防火涂料的涂層膨脹倍數(shù)，評估其隔熱效果，檢測防火性能。

2.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測方法發(fā)展

2.1 研發(fā)現(xiàn)場檢測技術(shù)

在國標(biāo)規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測中，檢測方法的操作相對復(fù)雜，且檢測成本較高，需花費一定時間才能獲取檢測結(jié)果。為提高檢測效率，滿足不同情況下的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測需求，建議專家學(xué)者研發(fā)現(xiàn)場檢測技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用現(xiàn)場，進行高效、準(zhǔn)確的防火性能檢測，實現(xiàn)快速檢測操作。例如，某研究學(xué)者研發(fā)的控溫電加熱爐裝置，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，對比分析鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的隔熱性能及防火性能，檢測人員可根據(jù)耐火極限時間，計算防火涂料的膨脹厚度，以及檢測時的背火面平均溫升，準(zhǔn)確評估防火性能，為鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場快速檢測提供支持，在短時間內(nèi)評估防火涂料是否符合鋼結(jié)構(gòu)施工需求，為鋼結(jié)構(gòu)的高效利用提供技術(shù)支持。

2.2 構(gòu)建完善檢測體系

通過現(xiàn)狀分析可知，在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測中，可用方法相對多樣，專家學(xué)者應(yīng)在國標(biāo)檢測方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建完善檢測體系，將國標(biāo)以外的其他檢測方法進行統(tǒng)一整合，歸納總結(jié)不同檢測方法的適用范圍、操作要點及檢測優(yōu)缺點，為防火性能實際檢測工作提供指導(dǎo)和參考。在此基礎(chǔ)上，檢測人員可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的檢測需求，配合使用兩種及以上的檢測方法，提高檢測質(zhì)量。同時，為保障防火性能檢測體系的完整性及全面性，專家學(xué)者應(yīng)加強對防火涂料防火性能檢測的關(guān)注，通過互聯(lián)網(wǎng)了解最新檢測理論與方法，及時將先進檢測方法納入檢測體系，為檢測體系的實踐應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[3]。

3.結(jié)論

綜上所述，目前鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能檢測方法包括《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB14907-2018）規(guī)定的檢測方法以及熱分析法、錐形量熱儀法、光電子能譜法等其他方法，檢測人員可根據(jù)檢測需求和檢測條件，選擇合適的方法進行檢測。為進一步提高檢測的精度與準(zhǔn)確性，應(yīng)加強現(xiàn)場檢測技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建完善的檢測體系。