防火涂料耐火性能測試方法現狀及展望

孟 濤，陳振邦，楊守生

(1.中國人民警察大學，河北 廊坊 065000； 2.荊州市消防救援支隊，湖北 荊州 434000)

0 引言

鋼結構防火涂料是指涂覆于鋼結構表面，以提高構件耐火極限的特種涂料。如何準確高效地評價其耐火性能是鋼結構防火涂料研發領域的難點問題，目前學界尚未提出一套成本較小、結果可靠、重現性好的測試方法。本文梳理目前鋼結構防火涂料耐火性能測試的研究現狀，對比耐火性能測試非標方法的試驗條件，以探討耐火性能測試中存在的問題，展望耐火性能測試方法手段的發展方向，為鋼結構防火涂料的研發測試工作提供參考。

1 鋼結構防火涂料耐火性能測試的現狀

1.1 現行標準中耐火性能測試方法概述

測試鋼結構構件耐火極限的試驗裝置、試驗條件及判定條件源自《建筑構件耐火試驗方法》(GB/T 9978—2008)[1]中水平承重構件的耐火性能試驗方法。在此基礎上，《鋼結構防火涂料》(GB 14907—2002)[2]以涂覆有防火涂料的鋼梁失去承載能力的時間來確定耐火性能。與GB/T 9978的規定相同，當梁的最大撓度超過L/20(mm)時，試件達到耐火極限。

ASTM E119-15a[3]對鋼柱、鋼梁及組合梁提出了特殊規定，既可進行承載條件下的耐火試驗，也可用非承載條件下的替代試驗。對于外包防火保護層的鋼柱、鋼梁或組合梁，可在非承載條件進行試驗，即在規定的耐火極限時間內，鋼材的溫度不超過規定值即認為試件的抗火性能滿足要求。UL 1709[4]與之類似，規定了快速升溫的情況下，鋼結構保護材料應滿足的抗火性能要求。

對于鋼結構防火涂料的現場檢測，標準規定了測量高溫下膨脹倍數的方法。地方標準《建筑防火涂料(板)工程設計、施工與驗收規程》(DBJ 01-616—2004)[5]規定，取防火涂料粉末置于坩堝內在750 ℃下加熱5 min后，測量膨脹倍率，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍。《消防產品現場檢查判定規則》(GA 588—2012)[6]規定，膨脹型鋼結構防火涂料用汽油噴燈灼燒，噴燈外焰接觸涂層時間不低于5 min，停止供火后測量膨脹倍數，其中超薄型不小于10倍，薄型不小于5倍。

1.2 非標耐火性能測試方法概述

按照標準方法測試耐火性能，步驟繁瑣，工作量大，成本高，在實際涂料產品研發中，科研及工程技術人員更偏向采用非標方法進行耐火性能測試。因此目前產生了很多非標測試裝置，這些非標方法總體可概括為3大類。

1.2.1 中型梁試驗法

《鋼結構防火涂料》采用全尺寸鋼梁進行耐火極限試驗，每次需制備一根涂覆防火涂料的一般為5.5 m長(受火段不小于4 m)的I36b或I40b標準工字鋼梁。這項測試需要的基材工字鋼過于巨大，因此有學者考慮采用中型試驗，選取縮尺寸涂覆防火涂料的鋼梁進行耐火極限試驗。專利報道了一種中型臥式耐火極限爐[7-8]，其裝置的各項參數以標準爐按比例縮小設計，總投資僅2萬余元。使用鋼梁采用10 mm的A3鋼板焊制而成,梁長1 560 mm,高80 mm,輻板寬40 mm,整個試件重17.8 kg，也需加載荷載，但是將大爐子的均布載荷簡化為兩點加載，加載示意圖見圖1，每次試驗費用僅100元左右[9]。國外報道的中型耐火極限試驗爐[10-11]，可對中型梁板柱的耐火性能進行測試，但能否檢測涂覆有防火涂料的梁或梁構件的耐火極限，未見有文獻報道。

1.2.2 膨脹倍數測量法

有些專利從防火涂料的膨脹倍率這一角度出發，制作了涂料受火膨脹倍率的測量裝置[12-14]，其中防火涂料膨脹性能測試儀如圖2所示[13]，目前已應用于消防部門日常監督檢查。這類測試裝置一般重量低于10 kg，尺寸較小，方便移動，測試費用低，檢測時間短。主要用于消防監督部門、消防產品檢測機構、防火涂料生產企業，以及科研、施工單位等測試膨脹型防火涂料的膨脹性能。這些裝置相對于噴燈法或坩堝法，盡管提高了試驗精度，甚至其中部分裝置可以將測量精度提高至μm級別[12]，但對于涂刷時難以保證平整均勻的涂料，提高意義并不大。

1.2.3 模擬大板燃燒法

模擬大板燃燒法是源于《飾面型防火涂料》(GB 12441—2005)[15]測定飾面型防火涂料耐燃時間的標準方法。在此方法基本原理與思路基礎上，衍生出測試鋼結構防火涂料的模擬大板燃燒法測試方法。原理是測量鋼板的背火面或者內表面溫度達到

1.熱電偶；8.氣孔；10,16.保溫層；11,12.爐體

一定值所需時間。簡易的模擬大板燃燒法裝置可直接搭建[16]，也可利用現有的小型試驗裝置，試樣大小與大板燃燒法一致，僅需100 mm×100 mm。這類裝置其最早的文獻報道可追溯至1999年[17]。

1.3 非標方法耐火性能測試的試驗條件概述

因為測試方法的選擇有較大差異，升溫條件、基材、加熱方式等會影響試驗結果，因此非標方法目前還沒得到學界的統一認識。下面對這些差異化的試驗條件進行探討，討論試驗條件的應用范圍與其合理性。

1.3.1 升溫條件的選擇

火災的發展過程影響因素較多，因此出現了各種火災研究模型。為了對試驗所測得的構件抗火性能進行相互比較，試驗必須在標準升溫條件下進行。許多國家和組織都制定了標準的室內火災升溫曲線，大體上可分為兩大系列：ISO 834、ASTM E119為代表的纖維火，以及UL 1709、ASTM E1529為代表的烴類火，如圖3所示。纖維火升溫至1 000 ℃需90～105 min(不同標準有所差別)，烴類火的特點是升溫速率快，在4 min即能升溫至1 000 ℃[18]。因此兩大系列評判的對象有所不同，纖維火常用于評價室

圖3 標準火測試升溫曲線

內型防火涂料，而烴類火常用于評價石化場所用防火涂料。

但是對于兩種升溫速率的比較，有研究認為烴類火與纖維火的熱沖擊沒有任何顯著差異。同一類防火涂料樣品的試驗結果中，烴類火與纖維火的時間-溫度曲線下的面積基本相同，由于升溫速率較快的烴類火平均溫度較高，導致烴類火環境的保護持續時間有所減少[19]。

1.3.2 基材的選擇

鋼結構防火涂料的檢測，必然要將涂料涂覆于基材之上。基材按照尺寸大小可分為大型、中型和小型基材。大型基材是指全尺寸鋼梁，中型基材是指縮尺寸鋼梁，也有采用L型角鋼作為基材的報道[20]，而小型基材則種類多樣，通常采用小尺寸鋼板，也有采用鋼筒[21]或采用0.5 m的I16b小鋼梁[22]作為基材的文獻報道。

1.3.3 加熱源的選擇

對升溫的控制目前可分為電加熱與火焰加熱兩種方法，各有利弊。

目前利用電爐進行加熱的裝置已較為成熟[23-24]，因其加熱功率能精準的受程序控制，試驗結果的重現性較佳。這種方法常見于涂料研制和質量控制過程，特別是小尺寸試驗溫升過程[25]。

而采用火焰加熱時，由于火焰產生的浮力及火焰噴射時的湍流，試驗空間內會產生強烈空氣擾動，結果的重現性較電加熱要差，但是火焰產生的浮力作用直接能對炭層產生沖擊[26]，從而更真實地反映防火涂料受火、受熱情況。對于膨脹體強度不夠的樣品，其膨脹體會迅速剝落使得樣品不能通過耐火極限測試，這是電爐加熱無法做到的。但是火焰加熱時對燃料的選用目前仍存在較大分歧，天然氣、液化石油氣、汽油、輕柴油均有使用[27-30]。

1.3.4 溫控系統的實現方式

飾面型防火涂料大板燃燒法采用固定燃氣量，改變空氣進氣量以實現溫度條件的改變[15]，也有采用空燃比調節閥的開度來實現[28]，采用燒嘴的燃油壓力與流量來實現[31]，其中改變空氣進氣量實現起來最為簡單。

1.3.5 背火面絕熱方法的選擇

對于模擬大板燃燒法，目前對背火面的絕熱方法還沒能統一。在單面涂覆涂料的鋼板背面用熱電偶測溫時，即使鋼板背面有隔熱材料，也很難做到完全絕熱，因此其所測溫度較其他方法偏低。為此有文獻提出改進方法，將兩塊單面涂覆涂料鋼板背對放置，中間夾上熱電偶[23-24]，此方法能一定程度上解決背火面散熱問題。也有在鋼板兩面都涂覆防火涂料[32]，這就要求涂覆前需預埋熱電偶，且熱電偶在預埋時需緊貼金屬板，否則熱電偶讀數將略低于鋼板表面溫度。

1.3.6 耐火極限溫度的選擇

對于小尺寸試驗，鋼板的背火面或者內表面溫度達到一定值時，即認為達到耐火極限。國際上對鋼結構受熱破壞的溫度一般定為540～650 ℃[22]。GB 14907規定的極限平均溫度為538 ℃(其中單點不超過649 ℃)[2]。有的裝置規定背火面的溫度達到580 ℃時停止試驗[21,24]，這是較為合理的數值。但也有裝置規定的溫度明顯過低，只有400 ℃[26]，其原因在于背火面未有效保溫，因此在規定極限溫度時要偏低考慮。

1.3.7 試件放置方法的選擇

小尺寸試驗裝置的待測試件大部分為水平放置，但也有少數電加熱裝置的試件豎直放置[33]，豎直放置的試件受到垂直方向的重力作用弱，難以測試出膨脹產生的炭層受重力作用發生掉落等極端情況。

1.3.8 加載荷載的選擇

有的小尺寸裝置設計了重塊加載在鋼板背火面，模擬基材承重，期望測試結果更加貼合實際情況[34]。由于小尺寸試樣的撓度難以測量，這種做法實際意義不大，僅能作為壓緊被測試件的配重，并不能模擬基材加載荷載。

2 鋼結構防火涂料耐火性能測試存在的問題

根據1.3.2節中介紹的基材大小，耐火性能測試分為全尺寸試驗、縮尺寸試驗及小尺寸試驗，全尺寸試驗往往用于鋼結構防火涂料的產品認證中耐火極限的測定，縮尺寸試驗及小尺寸試驗往往用于科研、產品研發等僅需橫向比較耐火性能的場合。目前3種試驗方法均存在一定問題。

2.1 全尺寸試驗試件大、費用高、周期長

上文已提到過全尺寸試驗的工字鋼重量體積過大，而且市場上不同廠家生產的工字鋼質量不同，承載能力有差別，因此基材的質量對試驗結果影響較大。同時由于基材過大，而且工字鋼表面不規則，要涂覆出均勻的厚度，比較困難，薄弱環節也會對測試的結果產生影響；基材過大的情況也會影響到制樣時間、干燥時間等，造成測試的周期比較長。

2.2 縮尺寸試驗的結果與全尺寸試驗不一致

中型臥式耐火極限試驗爐各項參數是以標準爐按比例縮小的，但實際使用中發現耐火極限的測試結果約比國家防火建材質檢中心(四川)及國家固定滅火系統及構件檢測中心(天津)大爐低10%～30%[29]。應考慮調整中型鋼梁的尺寸來改進中型爐，使其Hp/A更加接近標準大爐的鋼梁，使測試結果與標準大爐更加一致。

2.3 小尺寸試驗無法與標準方法建立對應關系

在測量膨脹倍數時，具有較高膨脹倍率的涂料，在受火后膨脹產生的炭層因為不夠致密，炭層受火時間一長，便燒蝕得所剩無幾，耐火性能大打折扣，因此涂料的膨脹倍率不能反映出其耐火性能的好壞。

模擬大板燃燒法雖然是主流的非標方法，但其測量的是涂料的隔熱性能，并不能等效于鋼結構試件的耐火極限。有文獻研究過隔熱性能與耐火極限之間的經驗換算關系[33]，但是尚未被廣泛接受。

3 防火涂料耐火測試發展方向

3.1 設備小型化

為節約測試中耗費的基材、燃料等，今后大型設備小型化，小型設備便攜化是試驗裝置發展的必然趨勢。若能以便攜化設備耐火試驗結果代替大型試驗評價鋼結構防火涂料耐火性能，則可用少量成本及勞動力在短時間內、在使用現場進行鋼結構防火涂料耐火性能的評價，達到監督鋼結構防火涂料的質量的目的。

3.2 方法標準化

學界對耐火性能測試方法及裝置的研究過程中，涌現出各異且繁多的測試方法。不同的測試方法各有利弊，其測試結果通常也無法相互比較、折換。因此，對于鋼結構防火涂料耐火性能測試方法，尤其是小尺寸試驗中加熱源、基材等關鍵影響因素的選擇，學界應盡快達成一致，進一步整合測試方法及條件，最終形成標準化的測試方法。

3.3 結果通用化

盡管有很多學者針對縮尺寸與小尺寸耐火極限試驗結果之間的一致性進行了一定研究[35]，但它們的試驗結果還存在差異，不能通用。

4 結語

對于鋼結構防火涂料的耐火性能測試方法，相關標準、專利等文獻已相當豐富，但是針對目前現行測試方法，其一致性、準確性、經濟性仍需進一步提高。未來針對耐火性能測試方法的研究，應進一步整合相關測試方法，同時注重節約測試成本，力爭形成相對統一、準確的測試方法，為防火涂料的研發測試工作奠定基礎。