1、第19卷第3期 2016年6月 建筑材料学报 J0URNAL 0F BUILDING MATERIALS Vo119No3 Jun，2016 文章编号：10079629(2016)03051606 非膨胀型防火涂料等效热传导系数研究 韩 君 ， 李国强 。， 楼国彪 。 (1同济大学土木工程学院，上海200092； 2同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092) 摘要：基于防火涂料标准耐火试验方法，对涂覆非膨胀型防火涂料的钢板试件和工字型钢试件进 行了耐火试验，用所得的试件升温曲线计算非膨胀型防火涂料的热传导系数随涂层温度变化曲 线提出将涂层温度为400 800时的热传导系数平均值作
2、为涂层等效热传导系数，并用以进行 被保护钢构件火灾下升温计算，所得钢构件的升温曲线与试验测得的升温曲线符合良好参数分 析表明，等效热传导系数与试件截面形状系数无关，与涂层厚度相关，表明用小尺寸钢板试件耐火 试验结果计算所得的等效热传导系数可用于预测其他被保护钢构件在火灾下的升温对不同涂层 厚度热传导系数进行线性拟合，提出以涂层厚度20 mm时的等效热传导系数作为非膨胀型防火涂 料等效热传导系数特征值 关键词：火灾；非膨胀型防火涂料；钢构件；热传导系数 中图分类号：TU54 5 文献标志码：A doi：lO3969jissn10079629201603017 Study on Equivalen
3、t Thermal Conductivity of Fire Spray Coating HAN Jun ，L Guoqiang ，LOUGuobiao t。 (1College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China) Abstract：To investigate the feasibility o
4、f using a constant thermal conductivity for fire spray coating when calculating protected steel temperature in fire，a series of fire tests on spray coating protected steel sections with a range of section factors and coating thicknesses were tested in fireThe constant thermal conductiv ity was calcu
5、lated as the average temperature within the temperature range of interest for fire resistance de sign and was used to calculate the protected steel temperatures。The calculated steel temperatures were compared with the measured values from the fire testsThe results of this comparison suggest that it
6、is feasible to use a constant thermal conductivity for spray coatingThe constant thermal conductivity value would be independent on the steel section factor and dependent on the coating thickness，which indicates that small steel plates can be used as standard specimens to predict the steel temperatu
7、re of other steel members protected with spray coatingLinear fitting is performed on the equivalent thermal conductivity of different coating thickness，and result of coating thickness 20 mm is selected as the characteristic value of the equivalent thermal conductivity of fire spray coating Key words
8、：fire；spray coating；steel member；thermal conductivity 钢结构的抗火性能较差，其原因主要有两个方 面：一是钢材热传导系数很大，火灾下钢构件升温 快；二是钢材强度随温度升高而迅速降低无防火保 护的钢结构耐火时间通常仅为1520 min，故极易 收稿日期：20150305；修订日期：20150408 基金项目：国家自然科学基金重大国际合作研究项目(51120185001)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B02) 第一作者：韩君(1988一)，女，山东济南人，同济大学博士生E-mail：junhanyahoocorn 第3期 韩
9、君，等：非膨胀型防火涂料等效热传导系数研究 在火灾下破坏 为了防止和减小建筑钢结构的火 灾危害，在绝大多数情况下都需要对钢结构进行防 火保护 涂抹非膨胀型防火涂料(我国又称厚型防火涂 料)是目前普遍采用的钢结构防火保护方法，其保护 机理是通过阻挡外部热源向钢构件直接传热，从而 延缓钢构件的升温速度，延长钢构件达到临界温度 的时间，提高钢构件的耐火极限因此，防火隔热性 能是钢结构防火涂料最重要的性能材料的隔热性 能通常采用热传导系数来表征 热传导系数的测试方法及其配套仪器有很多 种2_4，可满足不同的材料及一定工作环境的需要 但是这些试验方法主要基于较低温度下的热传导， 并不能反映火灾高温条件下
10、涂料外表面的热对流、 热辐射传热效应，存在一定的不足 非膨胀型防火涂料在火灾下的受火温度范围很 大，从常温直至1 000以上，在此温度范围内其热 传导系数一般随温度而变化因此，采用常温下的热 传导系数来计算钢构件在火灾下的温度将导致较大 的误差ISOCD 834-11：20035中提出了钢构件温 度以5O为时间间隔计算热传导系数，并采用该计 算结果来计算钢结构升温；Rahmanian等 叼分别 通过试验方法和数值方法研究了无机非膨胀型隔热 材料在火灾下的性能以上方法虽然对隔热材料的 性能和钢构件的升温计算比较准确，但是计算过程 比较复杂，而且不同构件之间的计算结果不容易对 比从工程应用角度，热
11、传导系数若为常数则可极大 地简化计算 有鉴于此，本文提出了非膨胀型防火涂料等效 热传导系数的概念及其计算方法该方法基于非膨 胀型防火涂料保护钢构件的标准耐火试验，可综合 反映涂料在火灾下的实际性能 1钢构件受火升温的计算 对于火灾下表面受热均匀并采用非膨胀型防火 涂料保护的钢构件，根据集总热容法原理可建立构 件内部升温迭代计算公式1 n： 0。( +At)一0。( )一 ( + )一0。( )7at (1) p 3c s y 当保护层不满足c,p V2pic F 时，采用修正后的截 面形状系数(FiV) ： ( ) ，其 = J 甜 r 具甲 ：=： 。 上述式中：t为升温时间，S；At为时间
12、步长，s，一般 不应大于5 S； ，0 分别为火灾下周围空气、钢构件 内部温度，；pi， 分别为防火涂料、钢材的密度， kgm。ci，C。分别为防火涂料、钢材的比热容， J(kgK)；F 为钢构件单位长度保护层的内表面 积，m。m；、，r为钢构件单位长度的体积，m。m； 为钢构件截面形状系数；d为防火保护层的厚度，m； 为防火保护层材料的热传导系数，W(mK) 式(1)为迭代公式，应用不便当防火保护层厚 度d和热传导系数 均为常数时，基于式(1)计算结 果，通过数学拟合可得出ISOCD 83411：2003标 准升温曲线下受防火涂料保护的钢构件升温简化计 算公式1 ： ，厂_； 一 0s一(5
13、10 d。 -“i+004402) +20 (2) 式(1)，(2)的比较如图1所示(图中aad) 钢构件的临界温度(即构件失效温度)通常为400 700，从图1可知，在该温度区段内，升温简化计 算公式和升温迭代计算公式的计算结果十分接近 由于式(2)为显式表达式，因此极大地简化了钢构件 的升温计算 图1升温迭代计算公式(1)与升温简化计算公式(2)的比较 Fig1 Comparison between calculated results of Eq(1)and Eq(2) 2等效热传导系数的概念与确定方法 21热传导系数的计算 如已知钢构件受火t时刻的温度 。，可求得防 火涂料的热传导系数
14、 ： ：20 000d-_Vf8,-20-o21 0044(3) ，i L 0 ， J 根据钢构件标准耐火试验记录的构件升温曲线，由 式(3)可得到热传导系数 与0。之间的关系曲线 由于热传导系数随温度而变化，对于构件升温计算 不便为此，本文在试验基础上，提出一种等效热传 建筑材料学报 第19卷 导系数的概念，采用一个有代表性的常量作为防火 涂料的等效热传导系数 22等效热传导系数的确定方法 取炉温和钢构件温度的平均值作为涂层温度， 将防火涂层温度为400800时的热传导系数平 均值作为等效热传导系数，如式(4)，(5)所示： 一 (4) 口P 400 1 r e一 。J A(O )dO (5
15、) 800 式中： 为涂层温度，； 为防火涂层的等效热传 导系数，W(mK) 进行防火涂料保护钢构件在标准火灾升温下的 试验，量测钢构件的受火升温，由式(3)计算得到钢 构件在不同温度下的热传导系数在400 800区 段内，防火涂料的隔热性能比较稳定，试选择这一温 度段内防火涂料热传导系数的平均值作为等效热传 导系数 3等效热传导系数试验方法 31试验装置 试验在同济大学工程结构抗火试验室小型火灾 试验炉内进行，该试验炉的炉膛尺寸为10 m 10 m12 m，按ISOCD 83411：2003标准升温曲 线升温如图2所示，试验炉内可一次放置4个钢板 试件，试件悬挂于有防火保护的支撑梁上；工字型
16、钢 试件一次可放置2个，竖直放在炉内地板上 图2火灾试验炉内试件布置 Fig2 Arrangement of specimens in furnace(size：mm) 32试件 321标准试件 采用尺寸为16 mm200 mm270 mm的钢板 作为基板试件的截面形状系数 为1450 m_。， 与GB 14907-2002钢结构防火涂料所采用的试件 截面形状系数接近对涂覆厚度为1O，20，30 ITlm防火 涂料的钢板试件分别进行防火测试，用热电偶测量试 件温度试件尺寸及测点布置(1，2，3)如图3所示 1 L Steel plat, 旺 Fire insulation 3 2 - 1 -_
17、 Thermal couple 叶 l 7o I30 3Ol 7O I I 2( )o 图3被保护钢板试件尺寸及测点布置 Fig3 Dimensions of plate specimens and arrangement of thermal couples(size：mm) 322对照试件 对照试件选取了截面分别为H200 mm 40O mmX 16 minx 12 mm和H200 iTlrrl400 mrn 2O mmX16 mm两种工字型钢，其长度均为10 m 涂层厚度分别与标准试件厚度相对应，即10，20， 30 mm图4给出了工字型钢的尺寸和测点布置(1， 2，3为测温热电偶) 4
18、试验结果 41等效热传导系数的计算 表1为按上述方法确定的各试件等效热传导系 数值由表1可见，标准试件及对照试件在同等涂层 厚度下的等效热传导系数值具有很好的一致性 笔者曾提出等效热传导系数的计算方法，取钢 构件在400600内的热传导系数平均值作为等 效热传导系数_1 n，结果发现所得计算值有较大的 离散性，不同试件的计算结果不方便进行统计分析 这是由于防火涂料的热传导系数与涂层温度有关， 在不同涂层厚度下，钢构件处于同一温度区段时的 炉温相差较大，致使涂层温度差别较大，难以得到等 效热传导系数在不同涂层厚度下的规律因此，不能 用一定涂层厚度下的测试结果来预测其他厚度防火 涂料保护下的钢构件
19、温升 第3期 韩君，等：非膨胀型防火涂料等效热传导系数研究 519 n 250 250 ， 250 250 l l l l l I I 、 、lj L Al 1 000 。十 3 衰1 计算所得等效热传导系数值 Table I Equivalent thermal conductivity Note：To is steel plate，Tl is Hshaped 1，T2 is Hshaped 2；10，20，30 are the design thickness，mm；1，2，3 are the specimen number 第3期 韩君，等：非膨胀型防火涂料等效热传导系数研究 521 图
20、 Fig8 5 结论 tlnn 8计算结果与试验结果的对比 Comparison between tested result and calculated result (1)自主设计的测试方法能够模拟非膨胀型防 火涂料保护钢构件理论计算中采用的一维传热环 境，且设计的标准试件尺寸小、制作方便，便于工程 运用 (2)提出了计算非膨胀型防火涂料等效热传导 系数的方法，计算所得不同涂层厚度下非膨胀型防 火涂料的等效热传导系数具有较好的一致性和稳 定性 (3)对不同涂层厚度下的等效热传导系数进行 了线性拟合，并以20 miD涂层厚度下的等效热传导 系数作为特征值 (4)利用计算所得等效热传导系数，计
21、算采用非 膨胀型防火涂料保护钢构件在火灾下的升温试验 与升温计算的对比表明，采用小钢板试件试验结果 计算所得的等效热传导系数可相当精确地模拟非膨 胀型防火涂料保护钢构件在火灾下的升温 参考文献： 1 E 2 板法)S YBT 4130-2005 Refractory materials-Determination of thermal conductivity(calorimeter)s(in Chinese) 3GBT 17911-2006耐火材料陶瓷纤维制品试验方法s 4 5 6 7 8 9 1O 11 12 李国强，韩林海，楼国彪，等钢结构及钢一混凝土组合结构的 抗火设计M北京：中国建筑
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