基于正交試驗(yàn)的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能研究*

張宏濤 劉 超 閆興辰

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 北京 100144)

摘 要：通過試驗(yàn)研究具有代表性的方鋼管,、槽鋼和H型鋼三種不同截面形式對超薄型防火涂料的耐火性能的影響情況,，并通過正交對比分析，得出在其他影響因素共同作用下截面形式在超薄型防火涂料耐火試驗(yàn)中的影響情況,。試驗(yàn)結(jié)果表明：截面形式對于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)泡性能影響最大,，對其耐火極限影響僅次于涂層厚度。

關(guān)鍵詞：截面類型,； 耐火性能,； 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料； 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)在超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究中,，多以涂料配方和施工方法為主,，而針對適用性能的研究多以經(jīng)驗(yàn)為主，相關(guān)專業(yè)性,、數(shù)據(jù)性的研究文獻(xiàn)相對較少,，尤其針對石化環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)超薄型防火涂料的應(yīng)用研究還不完善，而且在國外起步較早的國家中,，截面形式適用情況也都僅停留在試驗(yàn)表觀現(xiàn)象的研究,，缺少數(shù)據(jù)支持的理論分析。實(shí)際中,，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻燃機(jī)理是依靠涂料受熱膨脹發(fā)泡的性質(zhì),，形成碳質(zhì)泡沫狀的隔熱層來包裹密封被保護(hù)的物體，減緩熱量傳遞到基材的速率,，阻止鋼材因溫度升高而產(chǎn)生的強(qiáng)度下降,。不同的截面形式在一定程度上會影響超薄涂料的膨脹，對防火涂料的耐火性能產(chǎn)生影響[1-16],。

因此,，本文為研究超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，得出在其他影響因素共同作用下鋼結(jié)構(gòu)截面類型對超薄型防火涂料耐火性能的影響大小情況,。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

評判膨脹型防火涂料的指標(biāo)一般可分為兩種,，一種是公認(rèn)的耐火極限即試驗(yàn)時(shí)間，用以總體說明涂料的耐火性能,，另一種是涂料試驗(yàn)后的發(fā)泡倍數(shù)，用以說明涂料配方的實(shí)際耐火情況,。試驗(yàn)以試驗(yàn)時(shí)間為主,，發(fā)泡倍數(shù)為輔，因?yàn)榘l(fā)泡性能的好壞直接影響耐火極限,。

選取試驗(yàn)因素時(shí),，截面形式作為主要研究對象列為試驗(yàn)因素之一,，而其他因素則定為影響較大的涂料種類和厚度以及未曾研究過的受火面情況。

1.2 試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)和終止條件

針對石化鋼結(jié)構(gòu)中烴類火升溫快和溫度高的特點(diǎn),，本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)烴類火升溫曲線加溫,。為保證試驗(yàn)試件的可持續(xù)使用，節(jié)約鋼材,，本試驗(yàn)并未采用破壞試驗(yàn)的方法,，這區(qū)別于現(xiàn)有的消防標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，而是根據(jù)燃燒爐配套軟件中的安全溫度,，即采取最高溫度達(dá)到649 ℃或平均溫度達(dá)到538 ℃為試驗(yàn)的終止條件,。根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)值模擬的研究結(jié)果和推算[1]，最終采取較為安全的平均溫度達(dá)到538 ℃為最終的試驗(yàn)終止條件,，統(tǒng)一對試件的試驗(yàn)進(jìn)行控制,，以確保起止標(biāo)準(zhǔn)一致。1.3 截面形式選定

此次正交試驗(yàn)的截面形式因素中,，三個(gè)水平分別為：方鋼管□175×175×6,；H型鋼HW150×150×7×10；槽鋼[60×65×8.5×10,。

1.4 涂料種類選定

基于一些涂料的試驗(yàn)測試[2],，最終選定A(助劑為增塑劑),B(助劑為穩(wěn)定劑),C(助劑為防水劑)三類發(fā)泡和耐火極限較為接近的防火涂料作為此次正交試驗(yàn)防火涂料的三個(gè)水平。

1.5 受火面選定

此次抗火試驗(yàn)是在THL-1燃燒爐中進(jìn)行的,，燃燒爐點(diǎn)火和試驗(yàn)中,，引風(fēng)機(jī)將混合好的燃?xì)夂涂諝恻c(diǎn)燃送至爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，高達(dá)3 kW功率的引風(fēng)機(jī)在出火口產(chǎn)生不可忽略的風(fēng)速,，在一定程度上影響超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在爐中的發(fā)泡情況和黏結(jié)性能,。為了排除其對試驗(yàn)的干擾，選取受火面作為正交試驗(yàn)的一個(gè)因素,，該因素的三個(gè)水平為正面,、背面和斜面。

1.6 涂料厚度選定

為達(dá)到防火涂料規(guī)范[13]要求的耐火極限,，涂層厚度的計(jì)算和設(shè)計(jì)是必不可少的,，試驗(yàn)所需的三個(gè)水平即為簡單的插值均數(shù)：1，1.5,，2 mm,。旨在通過試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理，更好地說明涂層厚度的影響情況,，節(jié)約一定的資源,。

1.7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過以上的調(diào)查研究以及相應(yīng)的試驗(yàn)篩選，最終確定出最為合理的試驗(yàn)指導(dǎo)表格,，即正交表,。其中四個(gè)因素分別表示為I～Ⅳ,，三個(gè)水平在每個(gè)因素下用下標(biāo)表示為α、β,、γ,，見表1，例如Iα表示因素I水平α試驗(yàn)條件,。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)前數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)前的準(zhǔn)備階段所需的數(shù)據(jù)主要是養(yǎng)護(hù)后的鋼試件表面涂層的厚度,。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

序號涂料種類(因素I)截面形式(因素Ⅱ)受火面(因素Ⅲ)涂層厚度/mm(因素Ⅳ)1A(Iα)方鋼管(Ⅱα)正(Ⅲα)1(Ⅳα)2A(Iα)H型鋼(Ⅱβ)背(Ⅲβ)1.5(Ⅳβ)3(Iα)A槽鋼(Ⅱγ)斜(Ⅲγ)2(Ⅳγ)4B(Iβ)方鋼管(Ⅱα)背(Ⅲβ)2(Ⅳγ)5B(Iβ)H型鋼(Ⅱβ)斜(Ⅲγ)1(Ⅳα)6B(Iβ)槽鋼(Ⅱγ)正(Ⅲα)1.5(Ⅳβ)7C(Iγ)方鋼管(Ⅱα)斜(Ⅲγ)1.5(Ⅳβ)8C(Iγ)H型鋼(Ⅱβ)正(Ⅲα)2(Ⅳγ)9C(Iγ)槽鋼(Ⅱγ)背(Ⅲβ)1(Ⅳα)

2.2 試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集

ASTM E119《建筑構(gòu)件和材料的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)方法》[3](或其等同標(biāo)準(zhǔn)ANSL/UL263[4]和NFPA 251[5])是美國自1918年以來對建筑材料和構(gòu)件及其組件進(jìn)行傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)所采用的方法。等同的國際和歐洲標(biāo)準(zhǔn)是ISO 834,。ASTM E119適用于單個(gè)梁,、柱、樓板,、屋頂,、墻和其他任何材料制成的建筑構(gòu)件。每個(gè)被測試的組件或構(gòu)件均應(yīng)在試驗(yàn)爐中承受一定時(shí)間和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)暴露試驗(yàn),，也就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線,。另外ASTM E119還描述了更為嚴(yán)格的快速升溫標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度關(guān)系曲線[6]，該曲線代表了溫度穩(wěn)定在1 100 ℃(2 000 ℉)的烴類油池火災(zāi),。試驗(yàn)中的烴類火燃燒試驗(yàn)主要采集的數(shù)據(jù)是爐內(nèi)的平均溫度和試件在燃燒爐內(nèi)的高溫環(huán)境下達(dá)到的實(shí)時(shí)溫度,。爐內(nèi)溫度與實(shí)際的烴類火升溫曲線擬合，而試件的溫度應(yīng)在達(dá)到試驗(yàn)終止標(biāo)準(zhǔn)的溫度(即538 ℃)后停止試驗(yàn),。以4號試件為例說明見圖1,，圖2。

a—試驗(yàn)前,； b—試驗(yàn)后,。
圖1 4號試件對比

圖2 4號試件升溫曲線

根據(jù)試驗(yàn)前、后的表觀現(xiàn)象可知,，4號試件在經(jīng)過19.1 min的抗火試驗(yàn)后,，達(dá)到試驗(yàn)終止溫度538 ℃，試件上的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度由試

驗(yàn)前的均值2 123 μm發(fā)泡至均值45 650 μm,，實(shí)現(xiàn)了21.5倍的發(fā)泡倍數(shù),，滿足了20倍的發(fā)泡倍數(shù)要求。試件在經(jīng)過烴類火燃燒試驗(yàn)后,，在燃燒爐的進(jìn)風(fēng)口,，也就是受火面處脫落較多，其他部位無明顯缺損,，黏結(jié)性能一般,，發(fā)泡層連續(xù)、光滑、較密實(shí),、較理想。2.3 試驗(yàn)后數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)后的試件,，待溫度冷卻后采集相關(guān)的發(fā)泡厚度,，并計(jì)算出發(fā)泡倍數(shù)，見表2,。

2.4 試驗(yàn)匯總

對9個(gè)試件進(jìn)行了耐火性能研究,，在確保試驗(yàn)真實(shí)性和準(zhǔn)確性的前提下，將本次試驗(yàn)的前,、后數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和整理,，見表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

序號涂層厚度/μm發(fā)泡厚度/μm發(fā)泡倍數(shù)試驗(yàn)時(shí)間/min發(fā)泡倍數(shù)隸屬度試驗(yàn)時(shí)間隸屬度綜合分11066255902415.50.170.510.4421536414702711.90.350.030.09321785064023.2519.20.121.000.82421234565021.519.10.020.990.80510163810037.511.71.000.000.20615523298021.2517.00.000.710.57715393886025.2512.30.250.080.11819794849024.516.30.200.610.5391047272202613.20.290.20.22

3 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)正交表的綜合可比性,，利用極差分析法可以直觀簡便地計(jì)算處理試驗(yàn)結(jié)果,，確定因素的主次程度和試驗(yàn)的最優(yōu)組合。

Ki表示任何一列上水平號為i時(shí),，所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的總和,。針對四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來說，假設(shè)評價(jià)指標(biāo)經(jīng)試驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)結(jié)果為Xi(i=1,2,… ,9),則各個(gè)因素所對應(yīng)的Ki計(jì)算結(jié)果見表3,。

表3 Ki計(jì)算結(jié)果

水平I因素Ⅱ因素Ⅲ因素Ⅳ因素αX1+X2+X3X1+X4+X7X1+X6+X8X1+X5+X9βX4+X5+X6X2+X5+X8X2+X4+X9X2+X6+X7γX7+X8+X9X3+X6+X9X3+X5+X7X3+X4+X8

注：Xi(i=1,2,…,9)為某一因素某個(gè)水平下的綜合評分,。

ki表示任一列上的因素取對應(yīng)水平i時(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值，按下式計(jì)算,。

(1)

式中：s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù),。

3.1 綜合平衡法

針對此次正交試驗(yàn)后的評價(jià)指標(biāo)匯總整理結(jié)果，按照綜合平衡法進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算統(tǒng)計(jì),，結(jié)果見表4,。

表4 采用綜合平衡法的結(jié)果分析

評判指標(biāo)結(jié)果I因素Ⅱ因素Ⅲ因素Ⅳ因素發(fā)泡倍數(shù)K174.2570.7569.7587.50K280.2589.0074.5073.50K375.7570.5086.0069.25k124.7523.5823.2529.17k226.7529.6724.8324.50k325.2523.5028.6723.08試驗(yàn)時(shí)間K146.6046.9048.8040.40K247.8039.9044.2041.20K341.8049.4043.2054.60k115.5315.6316.2713.47k215.9313.3014.7313.73k313.9316.4714.4018.20

經(jīng)由綜合平衡法計(jì)算所得的優(yōu)選方案有兩個(gè)，分別是由發(fā)泡倍數(shù)作為評判指標(biāo)的ⅡβⅣαⅢγIβ和由試驗(yàn)時(shí)間作為評判指標(biāo)的ⅣγⅡγIβⅢα,。由于此次的試驗(yàn)指標(biāo)以試驗(yàn)時(shí)間為主,，發(fā)泡倍數(shù)為輔，最終采用以試驗(yàn)時(shí)間為評判指標(biāo)所得的結(jié)果,，即ⅣγⅡγIβⅢα,。由此可以初步看出構(gòu)件的截面形式對其超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能的影響是很大的。3.2 綜合評分法

根據(jù)此次試驗(yàn)的目的和形式,，確定如下評分方法：先對每號試驗(yàn)的每個(gè)指標(biāo)按制定的評分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出相應(yīng)的分?jǐn)?shù),，若指標(biāo)的重要程度不同，此時(shí)要先明確各項(xiàng)指標(biāo)相對重要性的權(quán)數(shù),，然后計(jì)算出加權(quán)和作為該號的試驗(yàn)總分?jǐn)?shù),。另外，此次試驗(yàn)后的評判指標(biāo)均是定量指標(biāo)，因此,，使用“隸屬度”來表示分?jǐn)?shù),。指標(biāo)最大值的隸屬度為1，最小值的隸屬度為0,。

由于本次試驗(yàn)的兩個(gè)指標(biāo)的重要性是不一樣的,，根據(jù)實(shí)際的要求，分別賦予發(fā)泡倍數(shù)0.2和試驗(yàn)時(shí)間0.8的權(quán)重,，進(jìn)行后續(xù)的綜合分計(jì)算,。

針對此次正交試驗(yàn)后的評價(jià)指標(biāo)匯總整理結(jié)果，按綜合評分法進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算統(tǒng)計(jì),，見表5,。

表5 采用綜合評分法的結(jié)果分析

KiI因素Ⅱ因素Ⅲ因素Ⅳ因素K11.341.351.540.86K21.570.821.110.77K30.861.611.132.15

3.3 關(guān)于指標(biāo)發(fā)泡倍數(shù)的優(yōu)選方案

經(jīng)過試驗(yàn)后的分析處理，得到了以發(fā)泡倍數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)選方案：ⅡβⅣαⅢγIβ,，分別是B涂料,、H型鋼、斜面受火和1 mm涂層厚度,。其中影響最大的因素是截面形式,，占比重31.4%，其次涂層厚度30.9%,，受火面27.5%,，涂料種類10.2%。但在實(shí)際應(yīng)用中,，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料種類對于發(fā)泡倍數(shù)而言影響較大,，應(yīng)該引起注意。截面形式以31.4%的比重位居第一,，從而得出其對發(fā)泡倍數(shù)的影響最大,。對涂層厚度而言，1 mm的厚度發(fā)泡性能最好,，由此可知,，涂料的涂層厚度越小，不僅可以降低成本,，在一定程度上還可以提高發(fā)泡倍數(shù),，提高涂料指標(biāo)。受火面,，即風(fēng)口的影響對于發(fā)泡倍數(shù)來說也是不容忽視的,，受風(fēng)部位不同，開裂脫落的位置不同,，同樣會影響防火涂料的發(fā)泡性能,。

3.4 關(guān)于指標(biāo)試驗(yàn)時(shí)間的優(yōu)選方案

經(jīng)過試驗(yàn)后的分析處理,，得到了以試驗(yàn)時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)選方案：ⅡγⅣγⅢαIβ，分別是B涂料,、槽鋼,、正面受火和2 mm涂層厚度。其中影響最大的因素是涂料的涂層厚度,，占比重40.2%,，其次截面形式占26.9%，涂料種類占17.0%,，受火面占10.2%。由于試驗(yàn)中的涂料種類是篩選后的結(jié)果,，因此影響情況有所受限,，但實(shí)際應(yīng)用中對于涂料種類的選取還是很重要的。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度對于其耐火性能的影響遠(yuǎn)高于其他幾個(gè)因素,，說明涂料涂刷越厚,，其耐火性能越好，但過厚的涂層厚度不僅浪費(fèi)成本,，還可能降低其發(fā)泡性能和附著性能,。截面形式的影響情況占第二位，說明其重要性,。受火面的情況對于試驗(yàn)時(shí)間這個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響比較低,，說明其對耐火極限的影響是比較小的。

4 結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)研究了方鋼管,、槽鋼和H型鋼三種不同截面形式對超薄型防火涂料的耐火性能的影響情況,，并通過正交對比分析，得出不同因素和水平共同作用下超薄型防火涂料耐火性能,。主要結(jié)論如下：1)截面形式對于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)泡性能影響最大,，而其中以H型鋼最為突出。2)截面形式對于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限影響次之,，僅次于涂層厚度的影響,，而在三種截面形式中，槽鋼的影響最大,。

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RESEARCH ON THE FIRE RESISTANCE PERFORMANCE OF ULTRA-THIN STEEL FIRE PROOF COATING BASED ON THE ORTHOGONAL EXPERIMENT

Zhang Hongtao Liu Chao Yan Xingchen

(Civil Engineering Department of North China University of Technology, Beijing 100144,， China)

ABSTRACT：The effects of three different cross section types-square steel tube, channel steel and H-typed steel on the fire resistance performance of ultra-thin steel fire proof coating were studied. With the orthogonal contrast analysis, the influence of cross section forms on the fire resistance performance of ultra-thin steel fire proof coating experiment under the mutual effects of other influence factors were concluded. The results showed that the cross section form had the largest effect on the foaming performance of ultra-thin fire proof coating for steel structure, and the effect on fire-resistant limit was second only to the coating thickness.

KEY WORDS：cross section types; fire resistance performance; ultra-thin steel fire proof coating; orthogonal experiment design

*北京市教委科研專項(xiàng)和北方工業(yè)大學(xué)人才強(qiáng)校項(xiàng)目資助,。

第一作者：張宏濤，男,，1978年出生,，博士，副教授。

Email:[email protected]

收稿日期：2016-05-21

DOI：10.13206/j.gjg201610023