石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能研究

晏建波 戴培剛 張陽 劉成杰 藍世鋒

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其強度高、質(zhì)量輕、施工簡易、柔韌性好而被廣泛用于橋梁、高層建筑和大型建筑中，如車站、體育場、候機廳、倉庫等。但鋼結(jié)構(gòu)也存在耐高溫不足的缺陷，鋼的力學(xué)性能在高溫作用時會急速下降?；馂?zāi)條件下，不加耐火隔熱保護的鋼結(jié)構(gòu)在10min 左右即可升溫至800℃，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降，整體承重失效而垮塌，因此國內(nèi)外對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料開展了大量的研究。

石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為一種較為新興的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，以石膏為主要基材，采用無機輕質(zhì)隔熱和纖維材料組成的粉料，能夠涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面起到防火保護作用。相比于傳統(tǒng)水泥基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料有原材料低碳節(jié)能、密度小等優(yōu)點，同時粘結(jié)強度高，變形能力好，耐火性能好，因此逐漸廣泛運用在市場中。目前關(guān)于石膏基防火涂料的研究較少，應(yīng)珊珊對石膏基防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)試驗及數(shù)值模擬研究了其防火性能，并研究了界面劑對于其粘結(jié)強度的影響。何任飛研究了氧化石墨烯對石膏基防火涂料的改性作用，并評估其對涂料的力學(xué)性能及隔熱性能的影響。

本文研究了石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能，并結(jié)合其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)分析其耐火原理，探討了提高其耐火性能的研究方向。

1 耐火性能試驗

1.1 試驗樣品制備

選用石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為試驗樣品，試樣制備根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB 51249-2017）9.2.2、《建筑構(gòu)件耐火試驗方法 第7 部分：柱的特殊要求》（GB/T 9978.7-2008）進行，試驗基材采用I36b 熱軋工字鋼，鋼材長度500mm，在鋼梁預(yù)埋熱電偶用于測試試驗過程中的基材溫度變化，以此記錄基材表面及試樣內(nèi)部溫度變化情況，用于評價防火涂料對于基材的保護作用，每組試樣布置4 根K 型熱電偶，熱電偶采用藕絲為0.5mm，包裹材料外徑為2mm 內(nèi)部熱電偶，熱電偶布置于鋼梁中間截面，熱電偶截面布置如圖1 所示。

圖1 熱電偶布置示意圖

將石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按照產(chǎn)品施工工藝要求四面涂覆于工字鋼基材上，并按要求進行養(yǎng)護。施工工藝如下：（1）手工打磨，清除工字鋼表面的鐵銹，油污，灰塵等雜物；（2）在鋼梁表面刷涂環(huán)氧富鋅防銹底漆，底漆實干后刷涂涂料；（3）按照產(chǎn)品配方比例進行抹涂，每次抹涂厚度8～12mm，每次施工間隔24h，直至施工至25mm。施工完成后在溫度為5～35℃，相對濕度50%～80%環(huán)境下養(yǎng)護30 天。涂層厚度采用涂層測厚儀進行測量，共測量3 個截面，分別為鋼梁中間截面以及距離鋼梁中間100mm 截面，每個截面測量8 個點，截面上涂層厚度測量點如圖2 所示，最后取所有測量點剔除最大值和最小值后的平均值，精確至1mm。

圖2 試件截面上側(cè)層厚度測量點位置

本次試驗共制備4 組樣品，涂料涂層厚度均為25mm，制備養(yǎng)護好的樣品如圖3 所示。試件表面平整無裂縫，質(zhì)地堅硬密實，顏色為黃白色。

圖3 制備的試樣

1.2 試驗儀器及試驗方法

試驗儀器采用小構(gòu)件耐火試驗爐，能夠?qū)崿F(xiàn)《建筑構(gòu)件耐火試驗方法 第1 部分：通用要求》（GB/T 9978.1-2008）建筑纖維類火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。試驗過程中能夠?qū)崟r采集試驗過程中試樣溫度的變化情況。

試驗方法根據(jù)文獻[5]規(guī)定的耐火性能試驗方法進行，試樣四面受火且不加載。

1.3 試驗過程

將養(yǎng)護好的試樣豎直安裝在耐火試驗爐中，試樣四面受火且不進行加載，升溫條件按文獻[7]建筑纖維類火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行，試驗中爐內(nèi)溫度任意時刻溫度由公式（1）、圖4 確定。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)時間溫度曲線

式中:t為時間，單位為分鐘(min) ;T為爐內(nèi)平均溫度，單位為攝氏度（℃）。

試驗過程中每分鐘記錄試驗內(nèi)部熱電偶溫度情況，繪制溫升曲線。

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

試驗過程共進行150min，爐內(nèi)升溫曲線如圖5 所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 爐內(nèi)實際升溫曲線圖

試驗后試件上的涂料質(zhì)地松軟脆，表面呈淡黃色，未出現(xiàn)明顯裂縫，也無明顯脫落與破損。

試驗中每組樣品采集4 個熱電偶的平均值作為該樣品內(nèi)部溫度，共采集4 組試樣內(nèi)部溫度情況，繪制試樣內(nèi)部溫升曲線和溫升速率如圖6、7 所示。

圖6 試樣內(nèi)部溫度升溫曲線

圖7 試樣內(nèi)部溫度升溫速率曲線

由圖6、7 能夠看出，4 組樣品內(nèi)部溫度升溫曲線相似，說明試樣及試驗穩(wěn)定，結(jié)果具有參考性。分析其升溫及升溫速率曲線，整個耐火升溫過程可分為4 個階段，2 個平緩升溫階段和2 個快速升溫階段。第一階段：緩慢升溫階段。在此階段，溫升較小，溫度由室溫上升到40℃左右，最大升溫速率最大僅為2℃/min 左右；第二階段：快速升溫階段。此階段溫升較快，溫度由40℃上升到100℃左右，升溫速率不斷增加直到4℃/min；第三階段：平緩升溫階段。此階段為熱解吸熱過程，溫升較小，持續(xù)時間比第一階段長，溫度由100℃上升到300℃左右，此階段升溫速率有一個先下降后上升的過程，最低升溫速率為1℃/min 左右；第四階段：快速升溫階段。此階段升溫速率較快，內(nèi)部溫度由300℃持續(xù)上升直至試驗結(jié)束，升溫速率逐漸增大，然后趨于一個穩(wěn)定值，最大升溫速率達到5.5℃/min 左右，穩(wěn)定后的升溫速率為5℃/min 左右。

石膏基原材料主要包括石膏粉，膨脹蛭石，膨脹珍珠巖，施工過程中會使用水、乳液等混合。結(jié)合涂料組分及相應(yīng)組分化學(xué)結(jié)構(gòu)分析內(nèi)部溫升4 個階段情況如下。第一階段：涂料中的大量水分及其他易揮發(fā)物揮發(fā)吸熱，溫升較小；第二階段：水分和易揮發(fā)物揮發(fā)完后，依靠膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等材料的隔熱效果吸熱；第三階段：熱解吸熱過程。二水石膏（CaSO·2HO）的分子結(jié)構(gòu)中含有2 個結(jié)晶水。在此階段，石膏受火發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變釋放出結(jié)晶水變成自由水，自由水分子受熱揮發(fā)吸熱，此階段升溫緩慢；第四階段：當(dāng)內(nèi)部溫度達到300℃左右時，石膏中的結(jié)晶水基本分解揮發(fā)完畢，此后階段即為石膏及其他材料本身吸熱過程，升溫速率較快。

3 結(jié)論

通過以上研究結(jié)果表明，石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在耐火試驗過程中分成四個階段：第一階段為水分及易揮發(fā)物揮發(fā)吸熱，升溫速率較慢，第二階段為無機隔熱材料吸熱，升溫速率較快，第三階段為二水石膏結(jié)晶水分解吸熱，升溫速率較慢，第四階段為無機隔熱材料吸熱，升溫速率加快。對于提高石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能需要著重在第一和第三階段介入，延長此兩階段的時間將能夠提高其耐火性能。