防火涂料對Q345鋼高溫力學(xué)性能影響的試驗研究

徐文毅

(武警學(xué)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(xué)性能影響的試驗研究

徐文毅

(武警學(xué)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(xué)性能隨時間的變化規(guī)律。結(jié)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(xué)性能

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其高強輕質(zhì)、抗震好、施工快等優(yōu)點而廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中，但其致命弱點是耐火性能差[1-3]。據(jù)統(tǒng)計,火災(zāi)中未加保護的裸露鋼結(jié)構(gòu)歷經(jīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)、外對單根裸露鋼構(gòu)件的高溫力學(xué)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(gòu)件高溫力學(xué)性能的影響研究較少，有關(guān)該研究的相應(yīng)數(shù)據(jù)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(xué)性能的影響，為鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計及防火涂料防護效果的定量研究提供參考。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)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(nèi)部直徑為80 mm，恒溫區(qū)長度為350 mm，最高升溫達(dá)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(cè)各安裝一個應(yīng)變片，變形值取二者的平均值，測量標(biāo)距為500 mm，最大量程為25 mm，精度0.78%。試驗設(shè)備如圖1所示。試件選材為國產(chǎn)Q345結(jié)構(gòu)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(nèi)測量的空氣溫度達(dá)600 ℃時所需最大升溫時間約為10 min。為保證試件內(nèi)外均溫，未噴涂防火涂料試件達(dá)目標(biāo)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(yīng)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(xué)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(shù)據(jù)文件后將試件置于加熱爐內(nèi)，夾緊試件上端；密封爐口，安裝應(yīng)變儀；夾緊下端，以0.5 kN·s-1的加載速度加載到預(yù)定載荷水平，保持該載荷不變升溫到預(yù)先設(shè)定溫度，恒溫一段時間停止試驗，由于恒載升溫試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能直接反映強度，只能根據(jù)變形-時間曲線判斷試件屈服強度的近似臨界值[7]。目標(biāo)溫度設(shè)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(shè)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(biāo)距內(nèi)的總變形。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無噴涂防火涂料Q345鋼的恒載升溫試驗結(jié)果及分析

由常溫力學(xué)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(shù)據(jù)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(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率不發(fā)生改變，當(dāng)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(dá)到目標(biāo)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(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率突然變大。據(jù)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(yīng)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(chǎn)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(jié)果及分析

通過對噴涂防火涂料試件恒載升溫試驗數(shù)據(jù)進行整理，并將無噴涂試件的試驗結(jié)果與之放在同一坐標(biāo)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(xiàn)了分離現(xiàn)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(dá)到載荷水平、目標(biāo)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(dá)載變形和達(dá)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(nèi)部傳遞，延緩了試件升溫的時間。因此，在一定安全時間內(nèi)，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(xué)性能，從而改善鋼構(gòu)件的安全性。

表1 兩組變形(mm)數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)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(jié)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(xué)性能，由此改善了鋼構(gòu)件的安全性。該研究可為鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計及防火涂料防護效果的定量研究提供參考。

[1] 施剛,石永久,王元清.超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2008,10(4):32-38.

[2] 徐文毅.軸向位移約束對工字鋼短柱高溫強度影響的試驗研究[J].武警學(xué)院學(xué)報,2016,32(12):20-22.

[3] 王衛(wèi)永,劉兵,李國強.高強度Q460鋼材高溫力學(xué)性能試驗研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2012,32(5):30-35.

[4] 邢君,王躍琴,李勝利,等.建筑結(jié)構(gòu)消防安全基礎(chǔ)[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社,2016:10-40.

[5] 薛攀龍,喇培清,劉輝,等.Al對310S耐熱鋼高溫拉伸性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報,2015,27(7):46-51.

[6] 閆興辰.截面形式對超薄型防火涂料防火性能影響的試驗研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2015.

[7] 屈立軍,史可貞,張粲,等.軸向約束鋼柱溫度應(yīng)力函數(shù)的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù),2014,33(3):258-261.

[8] 范欽珊,蔡新.工程力學(xué)[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2016.

(責(zé)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