膨胀型钢结构防火涂层湿热老化规律研究.pdf

第 1 6卷第 3 期 2 0 1 3年 6月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F B UI LDI NG M ATERI ALS Vo 1 ．1 6， No ．3 J u n ． ， 2 0 1 3 文 章编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 3 0 4 5 6 0 6 膨胀型钢结构 防火涂层湿热老化规律研 究 王玲玲 ， 李 国强。 1 _ 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 3 6 1 0 2 1 ； 2 ． 同济 大学 土 木工程 学 院 ， 上 海 2 0 0 0 9 2 摘要膨胀型钢结构防火涂层 隔热性能的退化程度受涂料类型、 环境条件、 使 用时间、 涂层厚度等 因素的影 响． 为考察 上述 因素 对膨胀 型防 火涂层 耐老 化性 能 的影 响 ， 进 行 了 3种 _ T - 况 变化 参数 为 老化环境及涂料类型 共计 7 8个试件的湿热老化试验及 隔热性能试验． 结果表明 单组分溶剂型防 火涂料在 高温 高湿环境 下更 易发 生老化 ； 增加涂 层厚 度 可 以延缓 老 化进 程 ； 随使 用 时 间延 长 ， 涂 层 防 火隔热性 能下 降 ， 等 效导热 系数 增 大 ， 涂层 等 效 导 热 系数 随使 用 时 间变化 的规律 与涂 料 类型 和 环境条件有关． 工况 1中涂层在老化后期的等效导热 系数变化很 小， 此时涂层与环境所构成的体系 已达 到一 个稳定 的平衡 状 态 ； 工 况 2和 工况 3中涂层 等效 导热 系数 随 时间呈现 出递增 趋势． 关键词 膨胀型钢结构防火涂层 ；老化；等效导热 系数；隔热性能试验 中图分 类号 T U 5 4 5 ； TU3 9 1 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 4 S t u d y o n Fa c t o r s Af f e c t i n g An t i a g i n g Pr o pe r t i e s o f I n t u me s c e n t Co a t i n g f o r S t e e l S t r u c t u r e WA NG Li ng l i n g ，LI Gu o q i an g 1 ．Co l l e ge of Ci vi l En gi ne e r i ng，Hua q i a o Uni v e r s i t y，Xi a me n 3 61 0 21，Chi na 2 ． C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a Ab s t r a c t The i ns ul a t i v e pr o pe r t i e s of i nt u me s c e n t c o a t i ng s wi l l d e gr a de a f t e r a gi n g a n d t he d e g r a d a t i on pr o c e s s i s a f f e c t e d by s uc h f a c t o r s a s c o a t i n g t y pe，e n v i r o nme n t a l c o nd i t i on，c o a t i n g t h i c k ne s s a nd s e r v i c e t i me ．I n o r d e r t o i n ve s t i ga t e h o w i ns ul a t i v e p r op e r t i e s o f t h e c oa t i n gs a r e a f f e c t e d by t ho s e f a c t or s，a c c e l e r a t e d a gi n g t e s t s a n d f i r e t e s t s we r e c a r r i e d ou t o n 78 s t e e l s p e c i me ns c oa t e d wi t h i n t u m e s c e n t c o a t i ng ．Te s t r e s u l t s s ho w t ha t t yp e A c o a t i n g i s vu l ne r a bl e t o hy dr o t h e r ma l e n vi r o n m e nt ；t hi c ke r c o a t i ng s d e l a y de gr a d a t i o n p r oc e s s； e f f e c t i v e t h e r ma l c on du c t i v i t i e s o f i n t ume s c e nt c o a t i ng s i nc r e a s e wi t h p r o l o ng e d s e r v i c e t i me a nd t he r e i a t i on s h i p o f e f f e c t i v e t h e r ma l c o nd uc t i vi t y s e r v i c e t i me i s a f f e c t e d by c o a t i n g t yp e a n d e nv i r o nme n t a l c o nd i t i on ． Phy s i c a l a nd c he mi c a l e q u i l i br i u m o f i n t ume s c e nt c o a t i n g s y s t e m i s r e a c h e d i n c o nd i t i o n No ．1 a f t e r 1 0 y e a r s 2 1 c y c l e s ．E f f e c t i v e t h e r ma l c o n d u c t i v i t i e s o f i n t u me s c e n t c o a t i n g i n c r e a s e p r o g r e s s i v e l y i n c o nd i t i on No ． 2 a n d c o nd i t i on No． 3 ． Ke y wo r d si n t ume s c n e t c o a t i ng f o r s t e e l s t r uc t u r e ；a g i n g；e f f e c t i v e t h e r m a l c o nd uc t i v i t y；f i r e t e s t 膨 胀型钢结构 防火涂料 因其具 有质轻 、 装 饰效果 好等优点 而在钢 结构 防火 工程 中得 到 了非 常广 泛 的 应用． 由于膨胀 型 防火 涂料 的组成 中包含 有机 物 ， 在 室 内外各 种复杂 环境 因素 作用 下极 易 产生 降解 和 老 化 ， 老化后其涂 层隔热性 能的退化会 引起 钢结构抗 火 性能 的下降 ， 进而 导致 严重 的后 果 ， 因此 该 问题受 到 了国内外学者 的关 注 并对 此进 行 了研 究 ， 但这 些 研究 多集 中在材料 的微观结 构及组 成上 ， 虽然 取得一 些进 展但所得结果无法用 于指导钢结构抗火设计 ． 膨 胀型 钢 结 构 防火 涂 料 的老 化 进 程 受 涂 料 类 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 6 ；修订 日期 2 0 1 2 - 0 3 0 6 ‘ 第一作者 王玲玲 1 9 8 1 一 ， 女 ， 吉林磐石人 ， 华侨大学讲师 ， 溥士． E ma i l wa n g l i n g l i n g ma r y y a h o o ． c o m． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王玲玲 ， 等 膨胀型钢结构防火涂层湿热老化规律研究 4 5 9 表 2 3种 工况下试件的耐火时间 Ta b l e 2 Fi r e r e s i s t a nc e t i me a t d i f f e r e nt c o n d i t i o n s mi n ’ 宇 芭 f 一 ● g ● ≥ r a Co n d i t i o n 1 ， wi t h o u t a g i n g 膨胀型钢结构防火涂层作为防火保护材料使用 时 ， 涂 层质 量与 被保 护基材 质量 相 比通 常 十分微 小 ， 在热 传导 计算 时 可 忽 略涂 层 内储 存 的热 量 ， 这种 做 法对计算结果 的精度影 响很小却 大大减少 了计算 量． 简化后 膨胀 型 钢 结构 防火 涂 层等 效 导 热 系数 的 计算 公式 为 广 1， 1 1 ] 一 i d i 考 l0 s 亍 干 J [ T ￡ A t 一T ] 2 采用式 2 可得防火涂层等效导热系数随钢板 温度 的变 化 曲线 ， 如 图 4 所 示． 由图 4可 见 ， 相 同试 件计 算 结 果 具 有较 好 的重 复性 ． 通 常在钢 结 构抗 火 设 计 中关注 的钢 结 构温 度 范 围是 5 O O ～6 0 0℃． 研 究结 果 表 明l 1 ， 取钢 板 温度 T 为 5 0 0 ～6 0 0℃时涂层 等效 导 热 系数 的算 术平 均 值 。 可 以较 好地 预测钢 板 温度 T 3 0 0℃ 时 ， 且 大大 简化 了计 算． 本 文下 述 分 析 中就 采 用 该 系数 来 代表 某一 试件 涂层 的等 效 导热 系数． 表 3为 钢板 温 度为5 O 0 ～6 0 0℃时涂层等效导热系数 A 一览表． 3膨胀型钢结构 防火涂层耐湿热老化 性能影响因素分析 湿热 环境 下 ， 膨胀 型钢 结 构 防火 涂 层 隔 热性 能 的退化程度即防火涂层等效导热系数随使用时间的 f ● 吕 ● ≥ t ， ● 宕 ● P t ／。 C b C o n d i t i o n 2 ， a g i n g c C o n d i t i o n 3 ， wi t h o u t a g i n g d C o n d i t i o n 3 ， a g i n g 图 4 涂层 等效 导热 系数一 钢板温度关系曲线 Fi g ．4 Ef f e c t i ve t he r ma l c o ndu c t i vi t y as f unc t i o n o f s t e e l t e m p e r a t u r e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 O 建筑材料学报 第 1 6卷 表 3涂层等效导热 系数一览表 Ta b l e 3 Ef f e c t i v e t h e r ma l c o n d u c t i v i t i e s f o r a l l s p e c i me n s 5 0 06 0 0℃ sD e c i ． m ／ p ／ W ． m ． ℃ s p e c i m a ／ W ． m 1 ． ℃ 1 一 U O 0 1 0 ． 0 1 8 6 2 一 U一 1 1 1 0． 0 2 2 9 1 一 U O 2 1 0 ． 0 1 9 0 2 一 U 2 1 1 0 ． 0 2 5 0 1 一 U 0 4 1 0 ． 0 1 9 1 2 一 U一 4 2 1 0 ． 0 3 1 4 1 一 U一 1 1 1 0 ． 0 2 0 4 3 A一 0 0 1 0 ． 0 1 5 5 1 一 U 2 l 一 1 0 ． 0 2 2 6 3 一 A一 0 4 1 0 ． 0 1 7 6 1 一 U一 4 2 1 0 ． 0 2 2 9 3 一 A一 1 l 一 1 0 ． 0 2 1 0 1 一 U O O 一 2 0 ． 0 3 3 0 3 一 A一 2 卜 1 0 ． 0 2 4 1 1 一 U O 2 2 0． 0 3 3 l 3 一 A一 4 2 1 0 ． 0 3 2 4 卜 U一 0 4 2 0． 0 3 3 2 3 一 A 0 0 2 0 ． 0 3 0 6 1 一 U 1 1 2 0． 0 3 5 l 3 一 A一 0 4 2 0 ． 0 3 l 8 1 U一 2 1 2 0 ． 0 3 8 1 3 一 A 1 1 2 0． 0 3 3 9 1 一 U 4 2 2 0 ． 03 9 6 3 一 A一 2 卜 2 0 ． 0 4 6 2 2 U一 0 0 1 0 ． 0 2 1 O 3 一 A一 4 2 2 0． 0 63 5 变化规律受涂料类型 、 环境条件及涂层厚度等 因素 的影 响． 工 况 1和 工况 2所 用 涂料 类 型 相 同但 老 化 环境 不 同 ； 工况 2和 工况 3老 化 环境 相 同但所 用 涂 料不 同 ； 工况 1和 工况 3分 别 考察 了 2种 厚度 涂 层 隔热 性能 的退 化情况 ． 为考 察环 境条件 的影 响 ， 本文 取工 况 1中 1 mm 涂层 试 件 组 的 涂 层 等 效 导 热 系 数一 老 化循 环次 数 关 系 曲线 与 工况 2的相 关 曲线 进 行 对 比 ， 结果 如 图 5所示 ． 图 5 环境条件对涂 层等效 导热系数一 老化循环次数曲线的影 响 Fi g ． 5 Ef f e c t o f e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n o n e f f e c t i v e t he r ma l c o nd uc t i v i t y a gi ng c y c l e r e l a t i o ns hi p 由图 5可 以看 出 ， 工况 1 老化环境为 Z 2型 ， 模 拟 我 国北方 干燥 寒冷地 区环境 中涂层 等效 导热 系数 随 使用时 间的变化 规律 为 老化初 期 经 过 4次循 环 老 化 几乎未 发生 变 化 ； 经 过 1 1 次 湿热 老化 循 环后 ， 增 大 1 l ； 随老化时 间延 长其值进一步增 大 ， 经过 2 1 次 湿热老 化循环后增大 2 3 ； 之后涂层与周 围环境所构 成的系统达到一 个稳 定 的平衡 状 态 ， 经 过 4 2次湿 热 老化循 环后其 增 长 幅度仅 为 2 5 ． 工 况 2 老化环 境 为 Z 1 型 ， 模拟 我国东部沿海高温高湿 地 区环境 中涂 层等效导热系数随使用时间呈现出近似线性递增 的 趋势 ， 经过 2 1次和 4 2次 湿热 老化 循环 后 ， 涂 层 等效 导热系数 的增 长幅度 分别为 2 0 和 4 9 ． 为考察 涂料类 型 的影 响 ， 本 文 取工 况 2涂 层 等 效 导热 系数 一 老化 时 间关 系 曲线 与 工 况 3中 1 mi l l 涂层 试件 组 的相 应 曲线 进行对 比， 结 果如 图 6所示 ． 图 6 涂料类 型对涂层等效导热系数一 老化循环次数 曲线的影响 Fi g． 6 E{ f e c t o f c o a t i ng t y p e on e f f e c l i v e t he r ma l c o ndu c t i vi t y a gi ng c y c l e r e l a t i on s hi p 由图 6 可 以看 出 未老 化时 ， A型涂 层 的防火 隔 热 性能要 优 于 U 型防火涂 层 A 型涂层 的等效 导 热 系数低 ； 经过 一段 时 间 的老 化 后 ， U 型 涂层 的 防火 隔热性能要优于 A 型涂层． 因此 ， 在选用 防火涂料 时 ， 如 无需考 虑 涂 层 的 耐久 性 问题 ， 应选 择 A 型 防 火涂料 ， 反 之 ， 则应 选择 U 型 防火涂 料． 为考察 涂层 厚度 的影 响 ， 本 文取 T 况 l和 T况 3中 1 ， 2 mm 这 2组涂层 的等 效导热 系数一 老化 循环 次数 关 系曲线进行 对 比， 结果 如 图 7所示 ． 由图 7可见 ， 在工 况 3下 ， 1 mm 涂层 试 件 在 经 过 短短 的 4次循 环 老 化试 验 后 ， 涂 层 等效 导 热 系 数 便 有较 为明显 的增 加 ； 涂 层 厚 度 的增 加 延缓 了老 化 进 程 ， 因此 2 mm 涂 层试件 在经 过 1 1 次 循环 老化 试 验后， 涂层等效导热系数才有明显增加的趋势． T况 1中 2组涂 层等效 导热 系数 随使 用 时 问 总体 上遵 循 相 同 的变化 规 律 老 化 初 期 经 过 4次 湿 热 老 化 循 环 涂层 等 效 导 热 系数 几 乎 未 发 生 变 化 ； 经 过 1 1 ， 2 1 ， 4 2次 湿 热 老 化 循 环 后 ， 与 未 老 化 涂 层 相 比 ， 1 ， 2 mm这 2组涂 层 等效 导 热 系数 增 长 幅 度分 别为 1 1 ， 2 3 ， 2 5 和 6 ， 1 5 ， 2 0 ． 由此 町见 ， 因涂 层 厚度 的增 加而使 老化进 程延 缓 的趋 势在 工况 1中 同样存在 ， 只是表现不如T况 3中明显． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 王玲玲 ， 等 嘭胀型钢结构 防火涂 层湿热 老化 规律研 究 4 6 1 f 一 ● 宕 ● 富 r 4 结 论 0 l 1 2 2 3 3 4 4 Ag i n g c y c l e ／ t i me s a Co n d i t i o n 1 0 1 1 2 2 3 3 4 4 Ag i n g c y c l e ／ t i me s b Co n d i t i o n 3 图 7 涂层厚度对涂层等效导热系数一 老化循环次数 曲线 的影响 Fi g． 7 Ef f e c t of c oa t i ng t h i c kne s s on e f f e c t i ve t h e r mal c o ndu c t i vi t y a gi ng c yc l e r e l a t i o ns hi p 投入使 用后 膨胀 型钢结 构 防火涂 层 的隔热 性 能 与涂 料 类 型 、 环 境 条 件 、 使用 时 间 、 涂 层 厚度 等 因素 均有 关 系． U 型 防火涂料 的耐湿 热 性 能优 于 A 型 防 火涂料； 膨胀型 防火涂层在高温高湿环境下更容易 发生 老化 ； 涂层 厚度 的增 加可 以延 缓老化 进程 ． 随使用时间延长， 涂层防火隔热性能下降， 等效 导热 系数 增大 ． 涂 层 等 效导 热 系数 随 使 用 时 间 的变 化规 律与 涂料类 型 、 环境 条件有 关 ． 工况 1 耐 久性 最 好 ， 经过 4 2 次 湿热 老化 循环后 涂层 等效 导热 系数 的 增 长幅 度为 2 0 左 右 ； 工况 2和工况 3在经 过 4 2次 湿热 老化 循环 后涂层 等 效导热 系数 的增 长 幅度分 别 达 到 5 O 和 1 ． A 型涂 层在 经过 4 2次 湿热 老化循 环后 ， 钢 板温 度上升 幅度超过 2 0 0℃， 耐火 时间下降最大幅度为 2 6 mi n ， 这在 工程 中是 无法 接 受 的． 为解 决 膨胀 型钢 结 构 防火涂 层 的老 化 问 题 ， 需 要 对不 满 足 要 求 的涂 层 进行 替换 或者 在初始 设计 时就 将老 化 问题加 以考 虑 从而 加大 涂层 厚 度 ． 这 些 都 需要 一 个 准 则 可 供参 考 ， 如 规定 当耐 火极 限下 降超 过 2 0 时 对 涂层 进 行 替换 ， 则 U 组涂 层 工 况 2 5 a后 需 要 替 换 而 A 组 涂层 工况 3 1 0 a 后 需要替 换 ． 参考 文献 [1 ] [2 ] ADI ZARRABI B．I nf l u e n c e o f t e mpe r a t ur e ， mo i s t u r e ， s a l t ， c l e a n e r c o mp o u n d s a n d r a i n wa t e r o n t h e e x p a ns i o n o f i n t u me s c e n t f i r e s e a l [ R ] ．S we d e n Te c h n i c a 1 R e s e a r c h I n s t i t u t e， 2 0 0 7 ． SAKUM j T Y， NAGATA J， K DAI RA A， e t a 1 ． Dur a b i l i t y e v a l u a t i o n o f i n t u me s c e n t c o a t i n g f o r s t e e l f r a me s l- J ] ． J o u r n a l [3 ] [4 ] [5] [ 6] [7 ] [ 8] [9] [ 1 o ] o f M a t e r i a l s i n Ci v i l En g i ne e r i n g， 2 0 01 ， 1 3 1 2 7 4 2 81 ． 刘琳 ， 王 国建 ， 王铁宝． 室外用钢结 构 防火涂 料的耐湿热 性能 研究 E J ] ． 涂料 工业 ， 2 0 0 4 ， 3 4 3 1 4 ． I I U L i n， W ANG Gu o j i a n ， W AN G Ti e - h a o ． S t u d y o n mo i s l u r e a n d he a t r e s i s t a n c e o f f i r e r e t a r d a n t c o a t i n g f o r e x t e r i o r s t e e l s t r u c t u r e s [ J ] ． P a i n t 8 L C o a t i n g s I n d u s t r y ， 2 0 0 4 ， 3 4 3 卜4 ． i n Ch i n e s e 王铁 宝， 王国建 ， 刘琳 ， 等． 室外用超薄型钢结构防火涂料的耐 湿热性能研 究F J ] ． 现代涂料 与涂装 ， 2 0 0 3 6 7 - 1 0 ． WANG Ti e ba o， WANG Gu o j i a n， I I U I in．S t u d y o n mo i s t u r e a n d h e a t r e s i s t a n c e o f e x t e r i o r u l t r a t h i n f i r e p r o o f i n g p a i n t f o r s t e e l s t r u c t u r e s [ J ] ． Mo d e r n P a i n t 8 L F i n i s h i n g ， 2 0 0 3 6 7 - 1 0 ． i n Ch i n e s e W ANG Z Y． H AN E H ． KE W ． Ef f e c t o f n a n o p a r i t i c a l s o n t h e i mp r o v e me nt i n f i r e r e s i s t a n t a n d a n t i a g i n g pr o p e r t i e s o f f l a me r e t a r d a n t c o a t i n g l- J ] ． S u r f a c e C o a t i n g s T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 2 0 0 5 7 0 6 5 71 6 ． ETAG 0 1 8 Gu i d e l i n e f o r Eu r o p e a n t e c h n i c a l a p p r o v a l o f f i r e p r o t e c t i v e p r o d u c t s Pa r t 2 Re a c t i v e c o a t i n g s f o r f i r e p r o t e c t i o n o f s t e e l e l e me n t s [ S ] ． I S 0 8 3 4 Fi r e r e s i s t a n c e t e s t s El e m e n t s o f b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n S ] ． GB 1 4 9 0 7 2 0 0 2 钢结构 防火涂料I s ] ． GB1 4 9 0 7 2 0 0 2 Ge n e r a l s p e c i f i c a t i o n s o f f i r e r e s i s t i v e c o a t i n g f o r s t e e l s t r u c t u r e [ S ] ． i n C h i n e s e ENV 1 33 81 - 4 Te s t m e t h o d s f o r de t e r m i n i n g t h e c o n t r i b u t io n t o t h e f i r e r e s i s t a n c e o f s t r u c t u r a l m e m b e r s Pa r t 4 Ap p l i e d p r o t e c t i o n t o s t e e l me mb e r s [ S ] ． 王玲玲 ， 李国强， WANG Yo n g c h a n g ． 膨胀型钢结构 防火涂层 耐湿热性 能的理论分析与机理研究[ J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 1 2 ， 1 5 1 8 5 - 9 0 ． W ANG Li ng l i n g，L I Gu o q i a n g， W ANG Yo n g c h a n g ．Th e o r e t i c a l a n a l y s i s o f h y d r o t h e r ma l p r o p e r t y o f i n t u me s c e n t c o a t i n g f o r s t e e l e l e me n t s [ J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r ia l s ， 2 0 1 2 ， 1 5 1 8 5 9 0 ． i n Ch i ne s e _． ． ．．． 吡 ． ≥ O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m