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”復合涂層體系，復合涂層的熱阻并非既有涂層熱阻與補涂涂層熱阻的簡單疊加. 基于隔熱性能試驗的溫度測量結果，計算復合涂層體系的等效熱阻常數，通過對不同試件等效熱阻常數的對比分析，考察補涂涂層對既有涂層和復合涂層熱阻的影響規律. 結果表明：既有涂層熱阻隨補涂涂層厚度增加而降低，當補涂涂層厚度大于1. 0 mm 時，既有涂層熱阻的貢獻率不超過20%，計算復合涂層熱阻時可忽略不計；當補涂涂層厚度較薄（0. 5 mm）且既有涂層老化時間較短（≤21 循環），或既有涂層有面漆時，建議考慮既有涂層熱阻的貢獻（貢獻率gt;20%）. 當補涂涂層與既有涂層類型不同時，復合涂層體系的熱阻更大，隔熱性能更好.

關鍵詞： 膨脹型鋼結構防火涂層； 補涂； 復合涂層； 隔熱性能； 等效熱阻常數

中圖分類號： TU545 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 044002

1 引言

膨脹型鋼結構防火涂層具有施工簡便、重量輕、裝飾性好等優點，是目前鋼結構防火工程中應用最廣泛的防火保護材料［1］. 膨脹型防火涂料含有機組分，投入使用后涂層隔熱性能發生退化［2，3］.Wang 等［4］研究發現，濕熱環境下膨脹型鋼結構防火涂層內的親水性物質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生變化，高溫下涂層膨脹反應過程及膨脹層形態結構特征與未老化涂層不同，最終結果是涂層導熱系數增大，隔熱性能劣化；經過42 循環濕熱老化試驗后，水性膨脹型防火涂層（無面漆）導熱系數的增幅可達100%.

膨脹型鋼結構防火涂層涂覆面漆后，基體樹脂的氧化反應和親水性物質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構的設計使用年限相同，Bilotta 等［6］和Wang［7］的研究證實了這一點. 當膨脹型鋼結構防火涂層達到使用壽命時，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）和補涂（直接在原老化涂層上涂新涂層）. 相比之下，補涂方案更經濟. 在原老化涂層上補涂新涂層后形成復合涂層，確定復合涂層的熱阻是補涂方案設計的前提和基礎，而復合涂層熱阻并非原老化涂層與補涂涂層熱阻的簡單疊加.

本文通過隔熱性能試驗確定復合涂層體系的等效熱阻常數，通過對不同試件等效熱阻常數的對比分析，考察補涂后既有涂層對復合涂層熱阻的貢獻率，研究結果以期為補涂方案設計提供參考和依據.

2 試驗研究

2. 1 試件設計

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）. 對涂層試件進行濕熱老化試驗，老化期滿將試件從老化箱中取出，自然通風條件下干燥2 w 后進行補涂.

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

試驗所用水性和溶劑型膨脹型鋼結構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3 個測溫熱電偶（ 直徑2. 0 mm，K 型），熱電偶的埋設深度為鋼板厚度的1/2. 圖1 給出了試件尺寸及熱電偶埋設位置，試驗參數及試件編號如表1 所示.

2. 2 試驗方法

濕熱老化試驗參照EAD 350402-00-1106［8］規定進行，選用Z1 型試驗條件（模擬沿海地區的高溫高濕環境），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. 根據EAD 350402-00-1106［7］的規定，不間斷地進行21 循環加速老化試驗相當于實際環境下使用10 a. 對于無面漆的涂層試件，本文分別進行了0 循環（未老化）、21 循環（相當于實際環境下使用10 a）和42 循環（相當于實際環境下使用20 a）的濕熱老化試驗；對于有面漆的涂層試件，本文分別進行了0 循環、42 循環和63 循環（相當于實際環境下使用30 a）的濕熱老化試驗.

隔熱性能試驗在華僑大學抗火實驗室的垂直火災爐內進行，升溫條件按照ISO 834 標準［9］升溫曲線控制. 鋼板內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 個用于計算防火涂層的等效熱阻，鋼板溫度達到700 ℃時試驗結束；另外1 個試件用于獲取膨脹炭層，試驗結束時鋼板溫度在300 ℃ 左右. 火災爐控制系統每隔15 s 記錄1 次溫度數據，連續記錄.

2. 3 既有涂層與補涂涂層炭層的形態特征

高溫下，膨脹型鋼結構防火涂層依次經歷熔融、膨脹、固化和失炭等階段. 涂層經歷這一系列反應后形成多孔炭層，炭層結構的形態特征（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涂涂層膨脹反應過程和隔熱性能的影響，本文對有、無既有涂層時補涂涂層炭層結構的形態特征作對比，部分試件的對比結果如圖2 所示. 有、無補涂涂層時既有涂層炭層結構形態特征的對比結果如圖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，補涂涂層炭層結構形態特征的差異很小；而有無補涂涂層，既有涂層炭層結構形態特征的差異較大. 這說明既有涂層對補涂涂層的膨脹反應過程和隔熱性能的影響很小，而補涂涂層對既有涂層的膨脹反應過程和隔熱性能造成顯著影響. 主要原因是炭層結構的形態特征受膨脹反應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，進而導致炭層結構的形態特征存在差異［10］. 既有涂層對補涂涂層的升溫條件影響不大；而補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變得困難，導致既有涂層的隔熱性能變差.

3 “新-老”復合涂層體系的等效熱阻常數

基于鋼板溫度和涂層表面熱空氣溫度測量結果，本文采用式（1）計算復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 ） 為防火涂層等效導熱系數，W/（m·℃）；Ap V 為鋼構件截面形狀系數，m?1；c a 為鋼材比熱，J/（kg·℃）；ρa 為鋼材密度，kg/m3；Tg 為熱空氣溫度，℃ ；Ts 為鋼構件溫度，℃ ；ΔTs 為Δt 時間內鋼構件的溫升，℃；Δt≤30 s.

復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（Rc）的概念，并采用試算的方法確定等效熱阻常數，即采用等效熱阻常數（Rc）計算得到的鋼板溫度-時間關系與采用Rp （t）計算得到的鋼板溫度-時間關系曲線吻合良好（鋼板溫度Ts≥300 ℃）. 復合涂層體系等效熱阻常數的計算結果如表2～表5 所示. 表中T 和E 分別表示復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合涂層體系的總熱阻減去補涂涂層熱阻. 假設補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. 表中括號內的百分數表示復合涂層體系中既有涂層熱阻的貢獻率.

4 復合涂層熱阻影響因素討論

圖4 給出了復合涂層試件的等效熱阻常數隨既有涂層老化時間和補涂涂層厚度的變化，區分既有涂層有、無面漆2 種情況. 柱狀圖中的百分數表示復合涂層體系中既有涂層熱阻的貢獻率.

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

補涂通常在既有涂層使用了若干年后進行，可能出現補涂涂層與既有涂層組分和配比不同的情況. 為此，本文考察了補涂涂層類型對復合涂層和既有涂層熱阻的影響，結果如圖5 所示.

從圖5 可以看出，相比補涂涂層與既有涂層類型相同的情況，補涂涂層與既有涂層類型不同時，復合涂層熱阻值和既有涂層熱阻貢獻率更高. 產生這種現象的原因是因為熱量流經形態特征明顯不同的炭層時，傳熱路徑變得彎曲且延長［11］，復合涂層體系中既有涂層炭層和補涂涂層炭層的交界面處還存在接觸熱阻. 在評價復合涂層的隔熱性能時，將補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 結論

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

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

（3） 當補涂涂層與既有涂層類型不同時，復合涂層具有更好的隔熱性能. 在評價復合涂層的隔熱性能時，將補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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（責任編輯： 于白茹）

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