钢结构防火涂料是目前最理想、可靠、经济实用的钢结构防火措施, 采用科学、便捷的检测手段进行钢结构防火涂料耐火性能的检测是保证防火涂料领域健康、有序发展的重要手段。
钢结构与其他结构相比, 具有综合造价低、抗震性能好、施工工期短、增加使用面积、质量好、节能环保等优势。为了提高钢结构的耐火极限, 一般都需要对钢结构建筑构件进行防火保护, 提高钢结构抗火性能的主要方法有: 单面屏蔽法、水冷却法、浇筑混凝土、采用耐火轻质板材作为防火外包层、涂抹防火涂料。最具典型的防火保护措施是涂敷防火涂料减缓火灾下的升温, 从而增加钢结构构件的耐火极限。这种方法施工简便、重量轻、耐火时间长, 而且不受钢构件几何形状限制, 具有较好的经济性和实用性。检测带防火涂层的钢结构耐火极限不但是钢结构设计的重要依据, 也是对钢结构防火涂料性能的最重要的评价标准。
钢结构防火涂料的类型和特点
钢结构防火涂料品种较多, 通常根据高温下的涂层变化分为膨胀型和非膨胀型两大系列。膨胀型防火涂料又称为薄型防火涂料, 厚度一般为2 mm~ 7 mm。涂层厚度在3 mm 以下的为普通型; 涂层厚度在3 mm ~ 7 mm 的为超薄型。其基料为有机树脂, 配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分, 遇火后自身会发泡膨胀, 形成比涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层。多孔碳质层可以阻挡外部热源对基材的传热, 如同绝热屏障, 用于钢结构防火, 耐火极限可以达到0. 5 h~ 1. 5 h。非膨胀型防火涂料又称为厚型防火涂料, 其涂层厚度为7 mm~ 50 mm。
厚型防火涂料又分两类: 1) 以矿物纤维为骨料采用干法喷涂施工; 2) 以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为主的骨料, 采用湿法喷涂施工。主要成分为无机绝热材料, 遇火不膨胀, 涂层自身具有良好的绝热性, 并且通过高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用, 来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递, 从而延缓钢构件达到临界温度的时间。对应耐火极限可达到0. 5 h~ 3 h。20 世纪90 年代以来, 我国钢结构防火涂料的研制发展迅速,产品类型由最初的厚涂型发展到薄涂型、超薄型。
国内外现行钢结构防火涂料的耐火性能检测
1 建筑构件的耐火极限及判定条件
建筑构件的耐火极限是指按标准升温曲线进行耐火试验, 从构件受到火作用开始到达极限状态( 构件失效) 时所经历的时间,一般以小时计。
所谓构件的失效, 是指构件无法继续承担其使用功能。对于有承载要求的结构构件, 在规定的耐火时间内应保证其稳定性;对于起分隔、防止火灾扩散作用的构件, 在规定的耐火时间内应保证其完整性与隔热性。结构构件的稳定性是指在标准试验条件下, 承重构件在一定时间内能承受试验荷载作用而不出现坍塌或破坏的能力。当试件无法支撑荷载作用或者试件的变形速率超出如下规定的数值时, 则判定构件失去稳定性。
1) 水平承重构件( 主要承受弯矩作用, 如梁、板) 。
最大挠度: δ≥L / 20。
最大挠度的变形速率: dδ/ d t ≥ L 2 / 900 h( 当δ≥ L / 30 后适用) 。
其中, 变形速率从试验开始1 min 后使用计算, 计算时间间隔为1 min。这个判定条件为ISO 834-1990, BS 476-20:1987 等标准所采用, 我国标准只采用最大挠度作为判定条件。
2) 竖向承重构件( 主要承受轴力作用, 如承重墙、柱等) 。
轴向压缩变形: δ≥H / 100。
轴向压缩变形速率: dδ/ d t ≥3H / 1 000。
上述两个判定条件为ISO 834-1990, GB/ T 9978-1999 等标准所采用。BS 476-20:1987 只采用变形判定条件。规定最大压缩变形限值为120 mm。
隔热性-- 试件背火面平均温升超过试件表面初始平均温度140 ℃ 或背火面上任何一点的温升超过该点初始温度180 ℃时, 则认为试件失去隔热性。
完整性-- 棉签试验时棉签被点燃或背火面窜火达10 s 以上时, 或当时间背火面出现贯通至试验炉内的裂缝, 直径6 mm 的探棒可以沿裂度方向移动不小于150 mm 或直径25 mm 的探棒可以穿过裂缝进入炉内时, 则认为试件失去完整性。
2 现行钢结构防火涂料的耐火性能试验
我国现行钢结构构件的耐火性能试验是在一种可以按照标准升温曲线升温的模拟火灾的试验装置中进行的。GB/ T 9978-1999一般采用燃气或轻柴油作为热源, 试验时要求火焰不得直接作用在构件上, 炉温的测量点应与试件保持一定的距离, 这种试验是一种大型的破坏性试验, 对于承重构件在受火时间时还应按照构件设计荷载的要求施加相应的载荷, 由于边界条件的模拟较为困难, 一般只进行简支构件的测试。现有规范构件的耐火极限值,也均以这类构件的试验结果作为参考。
我国钢结构防火涂料耐火性能检测GB 14907-2002, 采用水平承重构件的耐火性能试验方法。一般选用国家标准中规定材质为Q235、型号为I 36b 或I 40b 的工字钢梁作为基材, 除锈后,涂刷防锈漆( 有的涂料本身为防锈型) , 再涂刷该涂料至试验厚度, 经养护达到试验状态, 加载方式为模拟垂直均布荷载, 按国家标准规定的设计荷载加载, 荷载在试验过程中为定值。钢梁两侧和底面三面受火, 试验炉点火后, 以超薄型膨胀涂料为例, 随着温度升高, 涂料逐层发泡, 随着时间的增长和温度的升高, 由于火焰的热辐射, 热量经过涂料发泡层逐渐向钢梁基面传递, 当钢梁达到临界温度时, 承载能力开始下降, 以缓慢的速度开始变形, 此时为弹性变形。随后逐渐为塑性变形, 随即变形速率迅速增大, 钢梁的挠度达到挠度极限L / 20 时, 以此时的耐火时间作为涂料的耐火极限。
存在的问题及研究方向
钢结构防火涂料作为一类功能性涂料, 其性能主要由理化和耐火两方面组成, 现行的防火检测方法还存在一定的问题。如国内现行规范对同种防火涂料只规定一种涂层厚度的检验报告, 实际工程中由于钢梁、钢柱、钢楼板所要求的耐火极限各不相同, 并且防火涂料因其应用环境不同、受火类型不同, 对基材的保护作用也不同, 因此对钢板钢柱采用何种厚度的防火涂料进行保护,目前从理论上或是实际工程中都缺乏相应的研究。
耐火极限检验中使用的基材是Q235 的标准I 36b 或I 40b热轧普通钢梁, 而实际工程中, 钢构件的截面尺寸各种各样。同种防火涂料在具有不同截面系数的钢构件上耐火性能的差异较大。检验报告中描述的钢梁与实际工程中的构件并无完全对应关系, 实际使用的钢构件和实际标准钢梁间应如何进行换算, 如何确定实际使用钢构件的涂层厚度, 国家尚无规定。我国现有方法检测防火涂料耐火极限需要较多的原材料、较大的钢构件和较大的设备, 无法用人工的办法加快涂后工件的养护, 也无法在较短的时间得出可以参考的结果, 这就给许多假冒伪劣产品有了可乘之机。
防火涂料工程中常出现试验涂料与现场涂料不符的情况, 造成防火涂料工程质量难以控制的局面。虽然北京现已颁布了对于钢结构防火涂料进行质量控制的地方标准DBJ 01-616-2004 建筑防火涂料( 板) 工程设计、施工与验收规程, 其中也仅提出现场检测涂层厚度的要求等, 防火涂料厚度并不能完全反应涂料的防火保护效果, 因此即便是进行了现场的涂料厚度检测, 也不能杜绝使用假涂料或以次充好的现象发生。由于现有方法检测钢结构防火涂料耐火性能需要较多的财力、物力, 且检测周期长, 这给质量监督工作带来诸多不便, 使实际工程中存在很多隐患。
结语
钢结构防火涂料是目前最理想、可靠、经济实用的钢结构防火措施, 采用科学、便捷的检测手段进行钢结构防火涂料耐火性能的检测是保证防火涂料领域健康、有序发展的重要手段。
