基于膨胀特性的钢结构防火层防水耐热性能研究分析

曹丁

摘 要：防火涂料的研究在我国经过了几十年的发展历史，目前越来越标准，并且进入了系列化的发展阶段。至今，国内有数百家的厂家都在专业生产防火涂料，但是并不能保证每一个厂家生产的防火涂料都有着可靠的性能。本文在膨胀特性的基础上，分析了钢结构防火层防水耐热性能，希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：膨胀特性；钢结构；防火层

中图分类号：TU391 文献标识码： A 文章编号：1671-3362（2013）07-0022-01

有很多因素都会影响到膨胀型防火涂料的老化进程，比如涂料类型、环境类型等，它有着十分复杂的老化机理；近些年来，研究人员深入研究了膨胀型防火涂料的老化机理。有专家认为，防火土层耐久性会在很大程度上受到水的影响；有专家则在经过湿热老化的土层表明检测出了聚磷酸铵。本文主要研究了防火涂料的老化机理和隔热性能。

1 膨胀型钢结构防火特曾等效导热系数计算方法

本文在评价涂层的防火隔热性能时，依据的是等效导热系数。膨胀型钢结构防火涂层的等效导热系数有一个固定的公式来进行计算：

（1）

其中，t表示的是受火时间；Csρs表示的是钢板底材和涂层的比热；dp表示的是涂层的初始厚度。

依据这个公式，就可以得出防火涂料保护层钢结构的升温表达式。通常情况下，我们将 △t控制在30s以内，这是因为如果△t较大的话，计算结果的准确性就会受到很大的影响。此外，需要注意的是，采用上文所述的公式来对涂层等效导热系数进行计算时，会存在着一些跳跃现象，那么就需要人们特别的注意，通常会采用这个公式：

（2）

本文采用文献[1]和文献[2]中的方法对U型和A型两种涂层部分试件的等效导热系数进行了计算和对比，得出了这样一个结果，如果钢板温度没有达到400℃，那么这两种计算方法就有较大差异的计算结果；如果钢板温度>400℃，那么两种方法就有着十分接近的计算结果。通常情况下，钢结构抗火设计中钢结构的温度控制在500～600℃之间。我们采取了两种计算方法钢板温度为500～600℃时涂层等效导热系数的平均值作为该试件涂层等效导热系数，依据这个系数来对钢板的温度进行计算，那么我们就可以了解到，如果Ts低于350℃，那么总体上计算结果就低于试验结果；如果Ts高于350℃，那么计算结果就正好吻合于试验结果，这个结果就说明了可以推广应用公式（2）。

2 湿热老化对涂层等效导热系数的影响

我们将钢板的温度设置为500～600℃，采用公式（2）来对各试件涂层的等效导热系数进行计算，同组试件计算结果具有较好的重复性；本文取同组试件涂层等效导热系数的算数平均值，并且比较各个试件涂层的等效导热系数，对老化对其的影响进行考察。

没有经过湿热老化试验时，A型涂层的防火隔热性能要比U型涂层好很多，但是在湿热的环境中，经过了一段时间的使用之后，A型涂层却有着较快的防火隔热性能退化速度。从总体上来讲，U型涂层的等效导热系数随老化时间的延长，呈递增的发展趋势。

可以用涂层湿热老化机理来解释涂层等效导热系数随湿热老化循环次数的变化规律。本文中的人工加速老化试验，主要是对环境参数中温度和湿度的变化进行控制，那么主要是高湿度下的水和氧气等两种因素影响到了涂层老化。在这样的环境下，在水汽和氧气的侵蚀作用下，涂层的基体树脂发生了氧化反应，并且涂层表面还会积聚阻燃体系中的亲水性物质，这样就会流失掉一部分的有效组分，改变防火阻燃体系中三组分的配比，它们在阻燃过程中应该发挥出来的功能和作用也会受到很大程度的影响，高温下炭质层的内部泡孔结构和炭质层的膨胀厚度也会受到很大的影响，最终改变涂层等效导热系数。而老化程度则关系着涂料的组分，老化程度也就是涂层导热系数，A型涂料是单组分溶剂型涂料，有着较差的耐水性，那么导热系数就会呈现较大幅度的增长。有一个非常有力的证据就是老化试验结束之后涂层表面所出现的起泡现象以及凹凸不平现象。

从结构防火设计的角度分析，钢结构抗火设计中一个非常重要的参数就是涂层的等效导热系数，结构构件温度场分析的精度会在很大程度上受到等效导热系数准确度的影响；从涂料的角度上来讲，涂层等效导热系数就是一个综合评价指标，来有效的反应涂层防火隔热性能，它是涂层在高温条件下一系列反应的最终体现，比如吸热反应、放热反应和分解反应等等。涂层等效导热系数的变化是因为在高温的环境下，改变了炭化层的内部结构，比如膨胀高度、内部泡孔尺寸等，炭化层内部结构的变化是因为外部湿热环境下涂层内的组分及各组分的配比发生了变化。

3 结语

通过实践研究表明，A型防火涂料的耐湿热性能要弱于U型防火涂料的耐湿热性能。并且在某一特定使用环境下，涂层的耐湿热性能会在很大程度上受到使用时间和涂层厚度的影响。如果涂层有着相同的厚度，那么使用时间越长，涂层的防火隔热性能就越差，导热系数也就越大。本文首先介绍了膨胀型钢结构防火特曾等效导热系数计算方法，然后探讨了湿热老化对涂层等效导热系数的影响，希望可以提供一些有价值的参考意见。

参考文献

[1] 李国强，韩林海，楼国彪，等.钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：55-57.

[2] 李国新，梁国正，周文英.防火涂料热降解的测试研究技术[J].涂料工业，2007，37（4）：123-125.

[3] 王铁宝，王国建，刘琳.室外用超薄型钢结构防火涂料的耐湿热性能研究[J].现代涂料与涂装，2003，2（6）：14-23.