防火涂料對Q345鋼高溫力學性能影響的試驗研究

徐文毅

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

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●消防理論研究

防火涂料對Q345鋼高溫力學性能影響的試驗研究

徐文毅

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

采用恒載升溫試驗方法，研究了有、無噴涂防火涂料Q345鋼的高溫力學性能隨時間的變化規(guī)律。結果表明：未噴涂防火涂料鋼在400 ℃、500 ℃、600 ℃時臨界載荷水平k分別為0.60,0.55,0.30，鋼變形速率增大起決定作用的是耦合變形，且載荷越大，溫度越高，耦合變形越大；噴涂防火涂料鋼的膨脹變形和耦合變形相對減小，改善了鋼的安全性。

Q345鋼；防火涂料；恒載升溫；高溫力學性能

0 引言

鋼結構因其高強輕質、抗震好、施工快等優(yōu)點而廣泛用于建筑結構中，但其致命弱點是耐火性能差[1-3]。據統(tǒng)計,火災中未加保護的裸露鋼結構歷經15～20 min即會發(fā)生倒塌破壞，給滅火工作和人員疏散造成極大困難[4]。為提高鋼結構的耐火性能，工程上常將其噴涂防火涂料加以保護。目前國內、外對單根裸露鋼構件的高溫力學性能和防火涂料的阻燃機理及性能研究較多，也取得了一定研究成果，但防火涂料對鋼構件高溫力學性能的影響研究較少，有關該研究的相應數據不多[5-6]。為此，采用恒載升溫的試驗方法研究防火涂料對Q345鋼高溫力學性能的影響，為鋼結構耐火設計及防火涂料防護效果的定量研究提供參考。

1 試驗內容

1.1 試驗設備及材料

試驗設備由WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機、加熱和溫度控制及特制的電子引伸計組成。萬能試驗機最大加載能力1 000 kN，控制精度為±1%，加熱溫控系統(tǒng)配有TL-1000筒式高溫爐，爐室內部直徑為80 mm，恒溫區(qū)長度為350 mm，最高升溫達1 000 ℃，控溫精度為±1 ℃。電子引伸計是由北京鋼鐵研究總院定做的，左右兩側各安裝一個應變片，變形值取二者的平均值，測量標距為500 mm，最大量程為25 mm，精度0.78%。試驗設備如圖1所示。試件選材為國產Q345結構用鋼，形狀與尺寸如圖2所示。

圖1 加載升溫及變形測量裝置

圖2 試件形狀與尺寸

試驗按圖3所示升溫速率進行加溫。高溫爐內測量的空氣溫度達600 ℃時所需最大升溫時間約為10 min。為保證試件內外均溫，未噴涂防火涂料試件達目標溫度后需保持恒溫15 min左右，噴涂防火涂料試件的恒溫時間應再延長10 min左右。

圖3 高溫爐升溫速率

1.2 試驗過程

取18根試件分3組進行試驗，其中2根進行常溫力學性能試驗，確定Q345鋼的常溫屈服強度；8根已噴涂0.5 mm薄型防火涂料和8根未噴涂試件分別進行恒載升溫試驗。建立數據文件后將試件置于加熱爐內，夾緊試件上端；密封爐口，安裝應變儀；夾緊下端，以0.5 kN·s-1的加載速度加載到預定載荷水平，保持該載荷不變升溫到預先設定溫度，恒溫一段時間停止試驗，由于恒載升溫試驗的應力-應變曲線不能直接反映強度，只能根據變形-時間曲線判斷試件屈服強度的近似臨界值[7]。目標溫度設計為400 ℃、500 ℃、600 ℃三個水平，因鋼的承載力隨溫度升高而降低，則載荷水平k在600 ℃時設計為0.35，0.30，0.25；500 ℃時k為0.60，0.55，0.50；400 ℃時k為0.65和0.60。每個溫度、每種載荷水平下分別進行有、無噴涂防火涂料試件的試驗，由引伸計記錄試件500 mm標距內的總變形。

2 試驗結果及分析

2.1 無噴涂防火涂料Q345鋼的恒載升溫試驗結果及分析

由常溫力學性能試驗測得Q345鋼的常溫屈服強度σs=395 MPa[8]。通過對無噴涂試件的恒載升溫試驗數據進行整理，得到400 ℃、500 ℃、600 ℃時不同載荷水平下的變形-時間曲線如圖4～圖6所示。由圖4可知，600 ℃、k=0.30時，試驗達到目標溫度后試件的變形速率不發(fā)生改變，當k增大到0.35時，試件在恒溫過程中變形速率越來越大；由圖5可知，500 ℃、k=0.55時，試驗達到目標溫度后試件的變形速率亦未發(fā)生改變；由圖6可知，400 ℃、k=0.60時，變形速率逐漸變小，k=0.65時，試驗達到目標溫度后試件的變形速率突然變大。據材料屈服時其變形速率增大的特點可判斷試件在400 ℃、500 ℃、600 ℃時屈服臨界載荷水平k分別為0.60，0.55，0.30。

圖4 600 ℃變形-時間曲線

圖5 500 ℃變形-時間曲線

圖6 400 ℃變形-時間曲線

恒載升溫過程中，試件變形包括初始載荷變形、膨脹變形和耦合變形三部分，其中相同溫度下的膨脹變形是相同的，而載荷水平又相差不大，則對應的載荷變形也近相同，因此對試件的變形速率增大起決定作用的是溫度和載荷共同作用所產生的耦合變形，載荷越大，溫度越高，耦合變形越大，試件越容易屈服破壞。

2.2 噴涂防火涂料Q345鋼的恒載升溫試驗結果及分析

通過對噴涂防火涂料試件恒載升溫試驗數據進行整理，并將無噴涂試件的試驗結果與之放在同一坐標系中，得到400 ℃、500 ℃、600 ℃時的變形-時間曲線如圖7～圖14所示。由圖7～圖14可知：有、無噴涂防火涂料的試件在升溫過程的開始階段其變形-時間曲線基本重合，但恒溫后，兩種工況下的曲線出現了分離現象，隨著時間的延長，相互間的變形差值越來越大，且大部分試件的變形隨時間的延長并沒有顯著增加，只有溫度600 ℃時k=0.30和0.35的情況下才顯著變化。

圖7 600 ℃、k=0.35變形-時間曲線

圖8 600 ℃、k=0.30變形-時間曲線

圖9 600 ℃、k=0.25變形-時間曲線

圖10 500 ℃、k=0.60變形-時間曲線

圖11 500 ℃、k=0.55變形-時間曲線

圖12 500 ℃、k=0.50變形-時間曲線

圖13 400 ℃、k=0.65變形-時間曲線

圖14 400 ℃、k=0.60變形-時間曲線

將有、無噴涂防火涂料的試件達到載荷水平、目標溫度、恒溫一段時間、最終變形值分別記錄于表1中。由表1可知，兩種工況下達載變形和達溫變形相差不大，但在臨界載荷水平下兩者的最終變形差值較大，600 ℃(k=0.35)變形差值為0.940 mm；500 ℃(k=0.55)為0.860 mm；400 ℃(k=0.60)為0.605 mm。

試驗表明，恒溫一段時間后，有防火涂料的試件變形明顯比沒有涂料的試件變形小。由于防火涂料能有效阻止熱量向試件內部傳遞，延緩了試件升溫的時間。因此，在一定安全時間內，噴涂防火涂料可減小鋼的膨脹變形和耦合變形，由此間接地影響了鋼的高溫力學性能，從而改善鋼構件的安全性。

表1 兩組變形(mm)數據對比

3 結論

通過對Q345鋼在溫度為400 ℃、500 ℃、600 ℃三個水平，有、無噴涂防火涂料兩種工況下恒載升溫的變形-時間曲線的研究，可得結論：(1)未噴涂防火涂料Q345鋼在400 ℃、500 ℃、600 ℃時臨界載荷水平k分別為0.60，0.55，0.30。對鋼材變形速率增大起決定作用的是耦合變形，載荷越大，溫度越高，耦合變形越大，試件越容易屈服破壞。(2)噴涂防火涂料Q345鋼的變形比未噴涂的明顯減小。噴涂防火涂料間接影響了鋼的高溫力學性能，由此改善了鋼構件的安全性。該研究可為鋼結構耐火設計及防火涂料防護效果的定量研究提供參考。

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(責任編輯 馬 龍)

Research on Fire-proof Coating’s Impact on High Temperature Mechanical Properties of Q345 Steel

XU Wenyi

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The change of the mechanical properties of Q345 steel with or without fire-proof coating is studied when the temperature is elevated at constant load over time. The result is as following: the critical loadkof the steel without fire-proof coating is 0.60, 0.55 and 0.30 when the temperature is at 400 ℃, 500 ℃ and 600 ℃, and the decisive factor of the deforming speed is coupling deformation. That is to say, the heavier the load, the higher the temperature, the bigger the coupling deformation. As for the steel with the fire-proof coating, both the swelling deformation and the coupling deformation are smaller, thus increase the security of the steel structure.

Q345 steel; fire-proof coating; elevating temperature at constant load; high temperature mechanical property

2017-03-13

徐文毅(1968— )，女，河北廊坊人，副教授。

TG142.41；TU54+5

A

1008-2077(2017)06-0005-04