膨脹型防火涂層“新-老”涂層體系的熱阻

摘要： 在既有老化涂層上涂覆新涂層形成“新-老”復(fù)合涂層體系，復(fù)合涂層的熱阻并非既有涂層熱阻與補(bǔ)涂涂層熱阻的簡單疊加. 基于隔熱性能試驗(yàn)的溫度測量結(jié)果，計(jì)算復(fù)合涂層體系的等效熱阻常數(shù)，通過對不同試件等效熱阻常數(shù)的對比分析，考察補(bǔ)涂涂層對既有涂層和復(fù)合涂層熱阻的影響規(guī)律. 結(jié)果表明：既有涂層熱阻隨補(bǔ)涂涂層厚度增加而降低，當(dāng)補(bǔ)涂涂層厚度大于1. 0 mm 時，既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時可忽略不計(jì)；當(dāng)補(bǔ)涂涂層厚度較?。?. 5 mm）且既有涂層老化時間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)（貢獻(xiàn)率gt;20%）. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時，復(fù)合涂層體系的熱阻更大，隔熱性能更好.

關(guān)鍵詞： 膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層； 補(bǔ)涂； 復(fù)合涂層； 隔熱性能； 等效熱阻常數(shù)

中圖分類號： TU545 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 044002

1 引言

膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層具有施工簡便、重量輕、裝飾性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前鋼結(jié)構(gòu)防火工程中應(yīng)用最廣泛的防火保護(hù)材料［1］. 膨脹型防火涂料含有機(jī)組分，投入使用后涂層隔熱性能發(fā)生退化［2，3］.Wang 等［4］研究發(fā)現(xiàn)，濕熱環(huán)境下膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層內(nèi)的親水性物質(zhì)向涂層表面遷移和析出，涂層基體樹脂和阻燃體系的組分及配比發(fā)生變化，高溫下涂層膨脹反應(yīng)過程及膨脹層形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與未老化涂層不同，最終結(jié)果是涂層導(dǎo)熱系數(shù)增大，隔熱性能劣化；經(jīng)過42 循環(huán)濕熱老化試驗(yàn)后，水性膨脹型防火涂層（無面漆）導(dǎo)熱系數(shù)的增幅可達(dá)100%.

膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層涂覆面漆后，基體樹脂的氧化反應(yīng)和親水性物質(zhì)的遷移和析出得以延緩，隔熱性能退化程度減輕［5］. 但有時涂覆面漆仍無法保證膨脹型防火涂層使用壽命與建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限相同，Bilotta 等［6］和Wang［7］的研究證實(shí)了這一點(diǎn). 當(dāng)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層達(dá)到使用壽命時，可采用2 種方法處理，即替換（將原老化涂層刮掉后涂新涂層）和補(bǔ)涂（直接在原老化涂層上涂新涂層）. 相比之下，補(bǔ)涂方案更經(jīng)濟(jì). 在原老化涂層上補(bǔ)涂新涂層后形成復(fù)合涂層，確定復(fù)合涂層的熱阻是補(bǔ)涂方案設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，而復(fù)合涂層熱阻并非原老化涂層與補(bǔ)涂涂層熱阻的簡單疊加.

本文通過隔熱性能試驗(yàn)確定復(fù)合涂層體系的等效熱阻常數(shù)，通過對不同試件等效熱阻常數(shù)的對比分析，考察補(bǔ)涂后既有涂層對復(fù)合涂層熱阻的貢獻(xiàn)率，研究結(jié)果以期為補(bǔ)涂方案設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).

2 試驗(yàn)研究

2. 1 試件設(shè)計(jì)

鋼板表面涂覆底漆和膨脹型防火涂層組成試件（部分試件的防火涂層表面涂有面漆，面漆的名義干膜厚度為25 μm）. 對涂層試件進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)，老化期滿將試件從老化箱中取出，自然通風(fēng)條件下干燥2 w 后進(jìn)行補(bǔ)涂.

本文共制作了138 個試件，根據(jù)既有涂層類型不同（水性和溶劑型），這些試件分為2 組，每組試件變化的參數(shù)包括既有涂層老化時間（無面漆試件：0 循環(huán)、21 循環(huán)、42 循環(huán)；有面漆試件：0 循環(huán)、42 循環(huán)、63 循環(huán)），補(bǔ)涂涂層類型（水性和溶劑型）和補(bǔ)涂涂層厚度（無面漆試件：補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型相同時，補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為0. 5、1. 0和2. 0 mm，補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時，補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為1. 0 mm；有面漆試件：補(bǔ)涂涂層名義干膜厚度為1. 0 mm）. 此外，本文還制作了名義干膜厚度為0. 5、1. 0 和2. 0 mm 的無補(bǔ)涂涂層試件以供試驗(yàn)結(jié)果的對比分析. 試驗(yàn)參數(shù)相同的試件有3 個（i=3）.

試驗(yàn)所用水性和溶劑型膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火功能體系均為碳磷氮體系，水性防火涂料的基體樹脂為苯丙乳液樹脂，溶劑型防火涂料的基體樹脂為單組份丙烯酸樹脂. 試件底材選用Q235 鋼板，鋼板尺寸為270 mm×200 mm×16 mm. 每塊鋼板埋設(shè)3 個測溫?zé)犭娕迹?直徑2. 0 mm，K 型），熱電偶的埋設(shè)深度為鋼板厚度的1/2. 圖1 給出了試件尺寸及熱電偶埋設(shè)位置，試驗(yàn)參數(shù)及試件編號如表1 所示.

2. 2 試驗(yàn)方法

濕熱老化試驗(yàn)參照EAD 350402-00-1106［8］規(guī)定進(jìn)行，選用Z1 型試驗(yàn)條件（模擬沿海地區(qū)的高溫高濕環(huán)境），即：溫度（40±3） ℃，相對濕度98%±2%，8 h；溫度（23±3） ℃，相對濕度75%±2%，16 h；如此24 h為1 個循環(huán). 根據(jù)EAD 350402-00-1106［7］的規(guī)定，不間斷地進(jìn)行21 循環(huán)加速老化試驗(yàn)相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下使用10 a. 對于無面漆的涂層試件，本文分別進(jìn)行了0 循環(huán)（未老化）、21 循環(huán)（相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下使用10 a）和42 循環(huán)（相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下使用20 a）的濕熱老化試驗(yàn)；對于有面漆的涂層試件，本文分別進(jìn)行了0 循環(huán)、42 循環(huán)和63 循環(huán)（相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下使用30 a）的濕熱老化試驗(yàn).

隔熱性能試驗(yàn)在華僑大學(xué)抗火實(shí)驗(yàn)室的垂直火災(zāi)爐內(nèi)進(jìn)行，升溫條件按照ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)［9］升溫曲線控制. 鋼板內(nèi)部和試件表面均布有熱電偶，用以測量鋼板底材和涂層表面熱空氣的溫度. 3 個相同試件中的2 個用于計(jì)算防火涂層的等效熱阻，鋼板溫度達(dá)到700 ℃時試驗(yàn)結(jié)束；另外1 個試件用于獲取膨脹炭層，試驗(yàn)結(jié)束時鋼板溫度在300 ℃ 左右. 火災(zāi)爐控制系統(tǒng)每隔15 s 記錄1 次溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄.

2. 3 既有涂層與補(bǔ)涂涂層炭層的形態(tài)特征

高溫下，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層依次經(jīng)歷熔融、膨脹、固化和失炭等階段. 涂層經(jīng)歷這一系列反應(yīng)后形成多孔炭層，炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征（膨脹高度、泡孔尺寸）決定了涂層的隔熱性能. 為考察既有涂層對補(bǔ)涂涂層膨脹反應(yīng)過程和隔熱性能的影響，本文對有、無既有涂層時補(bǔ)涂涂層炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征作對比，部分試件的對比結(jié)果如圖2 所示. 有、無補(bǔ)涂涂層時既有涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的對比結(jié)果如圖3 所示. 圖中膨脹倍率ε 為炭層高度與防火涂層干膜厚度的比值.

從圖2 和圖3 可以看出，有無既有涂層，補(bǔ)涂涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異很?。欢袩o補(bǔ)涂涂層，既有涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異較大. 這說明既有涂層對補(bǔ)涂涂層的膨脹反應(yīng)過程和隔熱性能的影響很小，而補(bǔ)涂涂層對既有涂層的膨脹反應(yīng)過程和隔熱性能造成顯著影響. 主要原因是炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征受膨脹反應(yīng)過程中升溫條件的影響. 不同升溫條件下，溫度和升溫速率會引起防火涂層膨脹倍率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征存在差異［10］. 既有涂層對補(bǔ)涂涂層的升溫條件影響不大；而補(bǔ)涂一方面會使既有涂層升溫速率明顯下降，另一方面會引起既有涂層在膨脹過程中的泡孔壓力增加. 即新涂層的存在使既有涂層的反應(yīng)變得困難，導(dǎo)致既有涂層的隔熱性能變差.

3 “新-老”復(fù)合涂層體系的等效熱阻常數(shù)

基于鋼板溫度和涂層表面熱空氣溫度測量結(jié)果，本文采用式（1）計(jì)算復(fù)合涂層體系的等效熱阻Rp.

式（1）中，dp 為防火涂層名義干膜厚度，m；λp （t ） 為防火涂層等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Ap V 為鋼構(gòu)件截面形狀系數(shù)，m?1；c a 為鋼材比熱，J/（kg·℃）；ρa(bǔ) 為鋼材密度，kg/m3；Tg 為熱空氣溫度，℃ ；Ts 為鋼構(gòu)件溫度，℃ ；ΔTs 為Δt 時間內(nèi)鋼構(gòu)件的溫升，℃；Δt≤30 s.

復(fù)合涂層體系的等效熱阻隨時間或溫度變化. 為便于對比分析，本文提出等效熱阻常數(shù)（Rc）的概念，并采用試算的方法確定等效熱阻常數(shù)，即采用等效熱阻常數(shù)（Rc）計(jì)算得到的鋼板溫度-時間關(guān)系與采用Rp （t）計(jì)算得到的鋼板溫度-時間關(guān)系曲線吻合良好（鋼板溫度Ts≥300 ℃）. 復(fù)合涂層體系等效熱阻常數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2～表5 所示. 表中T 和E 分別表示復(fù)合涂層體系的總熱阻和既有涂層熱阻. 既有涂層熱阻等于復(fù)合涂層體系的總熱阻減去補(bǔ)涂涂層熱阻. 假設(shè)補(bǔ)涂涂層熱阻與相同組分和厚度的單一類型防火涂層熱阻相等. 表中括號內(nèi)的百分?jǐn)?shù)表示復(fù)合涂層體系中既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率.

4 復(fù)合涂層熱阻影響因素討論

圖4 給出了復(fù)合涂層試件的等效熱阻常數(shù)隨既有涂層老化時間和補(bǔ)涂涂層厚度的變化，區(qū)分既有涂層有、無面漆2 種情況. 柱狀圖中的百分?jǐn)?shù)表示復(fù)合涂層體系中既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率.

確定復(fù)合涂層熱阻的關(guān)鍵問題是明確既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率. 從圖4 可以看出，既有涂層（無面漆）熱阻的貢獻(xiàn)率隨其老化時間延長和補(bǔ)涂涂層厚度的增加而減小. 對涂有面漆的既有涂層，熱阻貢獻(xiàn)率隨老化時間延長變化很小. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層厚度大于1. 0 mm 時，無面漆既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時可忽略既有涂層熱阻. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層較?。?. 5 mm）且既有涂層（無面漆）老化時間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)（貢獻(xiàn)率gt;20%），可在一定程度上降低補(bǔ)涂成本.

補(bǔ)涂通常在既有涂層使用了若干年后進(jìn)行，可能出現(xiàn)補(bǔ)涂涂層與既有涂層組分和配比不同的情況. 為此，本文考察了補(bǔ)涂涂層類型對復(fù)合涂層和既有涂層熱阻的影響，結(jié)果如圖5 所示.

從圖5 可以看出，相比補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型相同的情況，補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時，復(fù)合涂層熱阻值和既有涂層熱阻貢獻(xiàn)率更高. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)闊崃苛鹘?jīng)形態(tài)特征明顯不同的炭層時，傳熱路徑變得彎曲且延長［11］，復(fù)合涂層體系中既有涂層炭層和補(bǔ)涂涂層炭層的交界面處還存在接觸熱阻. 在評價復(fù)合涂層的隔熱性能時，將補(bǔ)涂涂層與既有涂層均視為相同類型的做法是可行且較安全的.

5 結(jié)論

（1） 既有涂層對補(bǔ)涂涂層膨脹反應(yīng)過程和隔熱性能的影響很小，而補(bǔ)涂涂層對既有涂層的膨脹反應(yīng)過程和隔熱性能會造成顯著影響.

（2） 既有涂層（無面漆）熱阻隨補(bǔ)涂涂層厚度增加而降低. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層厚度大于1. 0 mm 時，既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時可忽略既有涂層熱阻；當(dāng)補(bǔ)涂涂層較?。?. 5 mm）且既有涂層老化時間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)（貢獻(xiàn)率gt;20%），可在一定程度上降低補(bǔ)涂成本.

（3） 當(dāng)補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型不同時，復(fù)合涂層具有更好的隔熱性能. 在評價復(fù)合涂層的隔熱性能時，將補(bǔ)涂涂層與既有涂層均視為相同類型的做法是可行的.

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（責(zé)任編輯： 于白茹）

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51778250）; 福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2022J01289）