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(jiǎn)單疊加. 基于隔熱性能試驗(yàn)的溫度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算復(fù)合涂層體系的等效熱阻常數(shù)，通過(guò)對(duì)不同試件等效熱阻常數(shù)的對(duì)比分析，考察補(bǔ)涂涂層對(duì)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(shí)，既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過(guò)20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時(shí)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(shí)間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時(shí)，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(shí)，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(hào)： 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(jiǎn)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(shù)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(guò)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(guò)42 循環(huán)濕熱老化試驗(yàn)后，水性膨脹型防火涂層（無(wú)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(shù)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(shí)涂覆面漆仍無(wú)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(shí)，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(jiǎn)單疊加.

本文通過(guò)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(guò)對(duì)不同試件等效熱阻常數(shù)的對(duì)比分析，考察補(bǔ)涂后既有涂層對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)間（無(wú)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(wú)面漆試件：補(bǔ)涂涂層與既有涂層類型相同時(shí)，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(shí)，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(wú)補(bǔ)涂涂層試件以供試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析. 試驗(yàn)參數(shù)相同的試件有3 個(gè)（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(shù)脂為苯丙乳液樹(shù)脂，溶劑型防火涂料的基體樹(shù)脂為單組份丙烯酸樹(shù)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(gè)測(cè)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(hào)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(duì)濕度98%±2%，8 h；溫度（23±3） ℃，相對(duì)濕度75%±2%，16 h；如此24 h為1 個(gè)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(duì)于無(wú)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(duì)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(cè)量鋼板底材和涂層表面熱空氣的溫度. 3 個(gè)相同試件中的2 個(gè)用于計(jì)算防火涂層的等效熱阻，鋼板溫度達(dá)到700 ℃時(shí)試驗(yàn)結(jié)束；另外1 個(gè)試件用于獲取膨脹炭層，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(duì)補(bǔ)涂涂層膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能的影響，本文對(duì)有、無(wú)既有涂層時(shí)補(bǔ)涂涂層炭層結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征作對(duì)比，部分試件的對(duì)比結(jié)果如圖2 所示. 有、無(wú)補(bǔ)涂涂層時(shí)既有涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的對(duì)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(wú)既有涂層，補(bǔ)涂涂層炭層結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異很小；而有無(wú)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(shuō)明既有涂層對(duì)補(bǔ)涂涂層的膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能的影響很小，而補(bǔ)涂涂層對(duì)既有涂層的膨脹反應(yīng)過(guò)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(guò)程中升溫條件的影響. 不同升溫條件下，溫度和升溫速率會(huì)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(duì)補(bǔ)涂涂層的升溫條件影響不大；而補(bǔ)涂一方面會(huì)使既有涂層升溫速率明顯下降，另一方面會(huì)引起既有涂層在膨脹過(guò)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(cè)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(shí)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(shí)間或溫度變化. 為便于對(duì)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(shí)間關(guān)系與采用Rp （t）計(jì)算得到的鋼板溫度-時(shí)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(hào)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(shí)間和補(bǔ)涂涂層厚度的變化，區(qū)分既有涂層有、無(wú)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(wèn)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(wú)面漆）熱阻的貢獻(xiàn)率隨其老化時(shí)間延長(zhǎng)和補(bǔ)涂涂層厚度的增加而減小. 對(duì)涂有面漆的既有涂層，熱阻貢獻(xiàn)率隨老化時(shí)間延長(zhǎng)變化很小. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層厚度大于1. 0 mm 時(shí)，無(wú)面漆既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過(guò)20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時(shí)可忽略既有涂層熱阻. 當(dāng)補(bǔ)涂涂層較薄（0. 5 mm）且既有涂層（無(wú)面漆）老化時(shí)間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，傳熱路徑變得彎曲且延長(zhǎng)［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(píng)價(jià)復(fù)合涂層的隔熱性能時(shí)，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(duì)補(bǔ)涂涂層膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能的影響很小，而補(bǔ)涂涂層對(duì)既有涂層的膨脹反應(yīng)過(guò)程和隔熱性能會(huì)造成顯著影響.

（2） 既有涂層（無(wú)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(shí)，既有涂層熱阻的貢獻(xiàn)率不超過(guò)20%，計(jì)算復(fù)合涂層熱阻時(shí)可忽略既有涂層熱阻；當(dāng)補(bǔ)涂涂層較薄（0. 5 mm）且既有涂層老化時(shí)間較短（≤21 循環(huán)），或既有涂層有面漆時(shí)，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(shí)，復(fù)合涂層具有更好的隔熱性能. 在評(píng)價(jià)復(fù)合涂層的隔熱性能時(shí)，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.

參考文獻(xiàn)：

［1］ Yasir M， Ahmad F， Yusoff P S M M， et al. Latesttrends for structural steel protection by using intumescentfire protective coatings： A review ［J］. SurfEng， 2020， 36： 334.

［2］ Sakumoto Y， Nagata J， Kodaira A， et al. Durabilityevaluation of intumescent coating for steel frames［ J］.J Mater Civil Eng， 2001， 13： 274.

［3］ Jimenez M， Bellayer S， Revel B， et al. Comprehensivestudy of the influence of different aging scenarios on thefire protective behavior of an epoxy based intumescentcoating［ J］. Ind Eng Chem Res， 2013， 52： 729.

［4］ Wang L L， Wang Y C， Li G Q. Experimental studyof hydrothermal aging effects on insulative propertiesof intumescent coating for steel elements ［J］. FireSafety J， 2013， 55： 168.

［5］ Wang L L， Deng H J， Li G Q， et al. Effect of topcoaton insulation properties of intumescent coatingsunder hydrothermal environmental condition ［J］. JBuild Mater， 2020， 23： 1424.［王玲玲， 鄧豪杰， 李國(guó)強(qiáng)， 等. 面漆對(duì)濕熱環(huán)境下膨脹型防火涂層隔熱性能的影響［J］. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2020， 23： 1424.］

［6］ Bilotta A， de Silva D， Nigro E. Tests on intumescentpaints for fire protection of existing steel structures［ J］. Constr Build Mater， 2016， 121： 410.

［7］ Wang J. The protective effects and aging process ofthe topcoat of intumescent fire-retardant coatings appliedto steel structures ［J］. J Coat Technol Res，2016， 13： 143.

［8］ EOTA. Reactive coatings for fire protection of steelelements： EAD 350402-00-1106 ［S］. Brussels：EOTA， 2017.

［9］ International Standards Organization. Fire resistancetests-elements of building construction：ISO 834［ S］.Geneva： International Standards Organization， 1975.

［10］ Wang L L， Sun Y， Fan G M， et al. Effect of heatingregime on thermal insulation properties of intumescentcoating ［J］. J Build Mater， 2019， 22： 101.［王玲玲， 孫毅， 范光明， 等. 升溫機(jī)制對(duì)膨脹型防火涂層隔熱性能的影響［J］. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2019，22： 101.］

［11］ Liu W， Fan A W， Huang X M. Theory and applicationof heat and mass transfer in porous media ［M］.Beijing： Science Press， 2006： 110.［劉偉， 范愛(ài)武，黃曉明. 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用［M］. 北京：科學(xué)出版社， 2006： 110.］

（責(zé)任編輯： 于白茹）

基金項(xiàng)目： 國(guó)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）