现行钢结构防火涂料的隔热性能参数

钢材虽为不燃材料,但是钢结构的耐火性能比较差。一方面是因为普通结构钢的强度和弹性模量随着温度的上升而下降,当温度达到600 ℃时,普通结构钢的屈服强度下降到常温下的30 %以下;另一方面是钢的导热性能非常好,热传导系数是45 W/ (mK) 左右,约为普通混凝土(114～210W/ (mK) ) 的30 倍。因此,没有防火保护层的钢结构构件在火灾下的升温速度非常快,一般不到15 min ,温度就会超过600 ℃。为了提高钢结构建筑的耐火极限,一般都需要对钢结构构件进行防火保护,最典型的防火保护措施是涂敷防火涂料,减缓火灾下的升温速度,从而增加钢结构构件的耐火时间。抗火设计的主要目的之一,就是确定钢结构构件的防火保护层厚度。

目前,钢结构抗火设计方法主要有两种:基于标准试验的抗火设计方法和基于计算的抗火设计方法。基于标准试验的抗火设计方法存在严重缺陷,缺陷主要源自于:

(1) 荷载分布与大小的影响。由于实际结构构件所受的荷载分布与大小千变万化,结构各构件的实际受载状态与试验的标准受载状态很难完全一致;

(2) 构件端部约束状态的影响。实际结构中构件的端部约束状态同样千变万化,试验很难准确和全面地加以模拟;

(3) 实际构件的截面形状和传热条件的影响。实际结构中构件截面形式很多,防火保护的构造形式多样,导致传热条件也与试验中的试件不同,要在试验中完全模拟也不现实。基于计算的抗火设计方法可以克服上述缺陷,该方法在结构抗火设计中应用越来越广泛

目前,我国厚型钢结构防火涂料仅有常温下的热传导数、密度等参数,这些参数还不足以完全反映该涂料的基本功能———隔热性能,主要存在以下问题:

 (1) 涂料的热工参数是常温下测得的一个常数,不是随温度升高而变化的一个参数。

(2) 在高温下,防火涂料的部分成分会发生化学反应,在反应中会伴随有热量的吸收或释放,这会影响钢结构抗火设计时构件温度计算的准确性,在传热分析时,考虑这些可变因素的影响是非常困难的。

 (3) 钢结构防火涂层中都含有一定的水分,火灾时防火涂层内的水分要蒸发吸收热量,会降低构件的升温速度,这一影响也很难在钢结构构件的抗火设计中予以精确考虑。膨胀型防火涂料除了存在与厚型涂料相同的问题外,还会在高温下发泡膨胀形成较厚的保护层,从而起到保护钢结构构件的作用。发泡膨胀使其热工参数和厚度都发生了很大的变化,采用一般的热工参数来评价其隔热性能是不可能的。而且,现在也没有针对采用膨胀型防火涂料保护层的钢结构构件在火灾下的温度计算方法。基于以上问题,目前迫切需要有一种能够准确评价防火涂料隔热性能的参数,该参数既要反应防火涂料的隔热性能,也要方便、准确地计算有防火涂料保护层的钢构件在火灾下的温度。防火涂料的主要功能是为了减小构件在火灾下的升温速度,使火灾作用时间达到耐火极限时构件的温度小于临界温度。可以看出,在抗火设计中,与钢构件承载力直接相关的是构件温度,因此,只要能按照传热学的原理用一个参数计算出构件的真实温度,则这个参数就可以用来评价防火涂料的隔热性能。

防火涂料等效热传导系数的确定方法

钢结构构件在火灾下的升温情况除了与防火保护层材料的厚度和热工参数(主要是热传导系数λi ) 有关外,同时还受上面提到的一些因素的影响,这些因素随温度变化,因此,给抗火设计时计算构件的温度带来很大困难。由于在抗火设计中只关心构件在某一时刻(尤其是达到耐火极限时) 的温度,那么,就可以抛开防火涂料的真实热传导系数,而用一个等效的热传导系数来计算构件的温度。等效的原则是采用该参数计算得到的构件温度与火灾中或试验中构件的实际温度相同,而防火涂料的其它热工参数仍然采用常温下的数值。要求得防火涂料的等效热传导系数,首先根据一般传热学的原理,给出火灾下有防火保护层钢构件的温度计算方

法(该方法对所有防火涂料都适应) ;其次是要测定在已知空气升温条件下有防火涂料保护层的钢构件的升温过程。具体的确定方法为:用一段有待测防火涂料保护层的钢构件(构件的截面形状、防火涂料厚度等均已知) 在试验炉中进行升温试验(该试验可结合防火涂料的常规检测试验进行) ,记录试验过程中炉内的空气温度—时间关系曲线和构件的截面温度—时间关系曲线,然后根据已知的空气温度、构件温度、防火涂料相关参数,求得防火涂料的等效热传导系数。

等效热传导系数测定试验变量关系

由于求解等效热传导系数的过程实际上是已知输入和输出、求解内部参数的问题,与结构中的参数识别问题类似,属于反问题的一种。火灾下构件的传热问题属于非稳态传热问题,直接求解这类反问题非常困难,只能通过数值方法求解。本文先假设等效热传导系数初始值,然后根据该值用有限差分法计算求得的构件温度与试验实测温度差值进行修正迭代,最后求得防火涂料的等效热传导系数。确定防火涂料等效热传导系数的过程如下:

(1) 输入构件的截面特性参数(构件受火面积、截面积、

钢材热工参数等) ;

(2) 输入防火涂料涂层在常温下的密度和比热等;

(3) 输入防火涂料涂层的厚度;

(4) 输入试验炉内空气温度—时间关系及受火时间;

(5) 假定防火涂料的初始等效热传导系数等于防火涂料__本文针对目前钢结构防火涂料热工性能评价参数中存在的问题和困难,给出了一种确定防火涂料等效热传导系数的方法。通过几种防火涂料产品抗火检测试验试算结果表明,该方法可行,为涂有膨胀型防火涂料钢构件的抗火设计与验算奠定了基础。建议在进行防火涂料性能测试时,增加采集测试中的钢构件升温过程,并在检测结果中将防火涂料等效热传导系数作为一个性能指标提供给用户。