CN113834898B - 一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法及装置，该测试方法及装置能够模拟在不同风速、风向的环境风作用下膨胀型防火涂料的受火场景，并且能够同时表征远风端和近风端涂料的防火阻燃性能，以测试特殊边界条件下的不同位置处的防火涂料阻燃性能，对于膨胀型防火涂料的实际应用研究具有重要意义。

Description

一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法及 装置

技术领域

本发明属于防火涂料技术领域，尤其是一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法及装置。

背景技术

火灾是引起钢结构建筑事故的主要原因，钢结构建筑发生火灾时，其强度和刚度会随着温度快速升高而显著降低，并最终发生建筑倒塌。因此，对钢结构采取有效的保护，使其免受高温火焰的灼烧，对避免钢结构建筑在火灾中局部和整体倒塌造成人员伤亡及灭火困难具有重要意义。

防火涂料是在工程应用中钢结构防火保护的最佳选材，膨胀型防火涂料凭借施工方便、装饰性好、成本低、易维护等优点，被广泛应用于各类钢结构建筑。其防火机理在于，当钢结构建筑着火或者受热时，其表面的防火涂料通过生成致密的膨胀炭层(相比于原厚度膨胀10-150倍)，隔绝氧气和热量传递，来保护基体材料。前人对钢结构防火涂料的阻燃性能进行了详细研究，研究人员在实验室条件下测试防火涂料的方法和设备主要有：(1)将带涂料样品暴露于服从标准温升曲线的封闭的标准耐火炉中，结合布置于试样背面的温度传感器测得的温度数据，评估试样的耐火性能和涂料的阻燃性能；(2)利用本生灯向含涂料试样表面施加火焰，并通过布置于试样背面的温度传感器测量背面温度曲线，评估防火涂料的阻燃性能；(3)利用将试样暴露于恒定的入射热通量下，通过试样背面温度传感器记录温度曲线，以评估防火涂料的隔热性能。其中耐火炉可以通过改变电阻丝发热量，改变升温曲线，以评估不同火势下防火涂料的阻燃性能，凭借着这一优势，该方法成为了最为常用的试验方法。但是，该方法是在一个封闭腔室内进行的，不能考虑复杂环境因素对防火涂料阻燃性能的影响。

然而，当一些建筑物，如高层建筑、大型场馆、大跨度桥梁、钢结构厂房等，发生火灾时，常伴有较大的环境风作用。环境风与火灾热源耦合作用对建筑物产生更大的破坏并诱导膨胀型防火涂料炭层的形貌结构、机械强度、氧化程度等特性发生变化，前人研究表明，这些变化会最终改变防火涂料的阻燃性能。此外，Jimenez等人指出风湍流会破坏膨胀炭层，致使涂层无法有效保护钢结构。

发明内容

为解决现有防火涂料阻燃性能测试存在的缺陷，本发明提供了一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法及装置，该测试方法及装置能够模拟在不同风速、风向的环境风作用下膨胀型防火涂料的受火场景，并且能够同时表征远风端和近风端涂料的防火阻燃性能，以测试特殊边界条件下的不同位置处的防火涂料阻燃性能，对于膨胀型防火涂料的实际应用研究具有重要意义。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试装置，包括测试系统和环境风系统；

所述测试系统包括加热器、热通量传感器、带有伸缩支架的双试样载物台和隔热罩，所述加热器、热通量传感器、双试样载物台由上到下依次垂直布置，所述双试样载物台被耐火石棉隔开为近风试样放置端和远风试样放置端，近风试样放置端和远风试样放置端内均埋设有热电偶，热电偶经温度传感器连接至数据处理终端；所述隔热罩的近环境风系统方向上开有与环境风系统匹配的进风口；

所述环境风系统包括依次连接的风机和整流箱，整流箱末端连接至测试系统的进风口，进风口处设有风速标定系统，包括若干个矩形布置的L型毕托管和对应的微压差传感器，所述微压差传感器连接至数据处理终端。

发明人在研究中发现环境风会导致试样表面出现不均匀膨胀，其中近风端涂料膨胀厚度明显高于远风端涂料膨胀厚度，如图6所示，这一变化将引起不同位置的涂料阻燃性能变化。此外，膨胀厚度差异表明环境风作用下近风端和远风端涂料氧化分解程度存在着差异(分解程度是影响涂料阻燃性能的重要因素之一)，其中最为直观的数据表现为质量损失率的不同，如图11所示。基于此，为准确表征环境风作用下膨胀型防火涂料的阻燃性能，本发明设计了双试样载物台结构，同时考虑到钢基材导热系数大，远风端和近风端基材可能会相互影响，导致温度数据出现误差，同时在双试样载物台的中间设置一定厚度的耐火石棉，阻隔热量通过载物台传递，减小实验误差，能够满足同时精准研究环境风作用下不同位置处的试样的阻燃性能的要求。

作为优选，所述加热器为锥形加热器，由耐热不锈钢和电热丝制成，采取电加热方式，用于调节热通量。

作为优选，所述隔热罩的顶部、底部和远环境风系统方向均为开放式设置。

作为优选，所述整流箱包括依次连接的整流前段、蜂窝整流段和稳流段，前整流前段与蜂窝整流段之间、蜂窝整流段与稳流段之间均设有双层纱布；

所述蜂窝整流段内为空心六菱塑料管的蜂窝状布置。

作为进一步优选，所述整流箱为两段式，每一段结构一致，沿风向变径设置，第一段和第二段的内径比为2-5：1。

本发明中，环境风系统优选两段变径整流段布置，可提供稳定的风环境和可调的宽广的风速范围，模拟不同风速环境中的钢构件受风情况。

本发明还提供了一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，包括下述步骤：

S1、将试样表面与加热器下沿之间的垂直距离固定为标准间距25mm，改变加热器的温度，记录试样表面的热通量变化，拟合得到热通量Q与加热器的温度之间的函数关系：

Q(x)＝A1+B1·exp((x-C1)/D1)

其中：x为加热器的温度，单位为℃，A1、B1、C1和D1为拟合参数；

S2、通过风速标定系统，测量环境风系统送风速度，并拟合得到环境风速V与风机频率f之间的函数关系：

V(f)＝A2·f+B2

其中：f为风机频率，单位为Hz，A2和B2为拟合参数；

S3、设定热通量目标值和环境风速目标值，依据拟合函数Q(x)和V(f)，计算得到x和f值，并以计算得到的x和f值作为设定值，放置试样；

S4、数据采集：利用温度传感器收集得到近风端试样和远风端试样的背面温度变化数据。

根据上述测试方法，可以获取环境风作用下近风端试样和远风端试样的背面温度数据，用于定性和定量评价环境风作用下膨胀型防火涂料的热防护性能的优劣，具体的分析评价过程为本领域公知技术，此处不在赘述。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果在于：

(1)本发明能够模拟在不同环境风和热通量耦合作用下膨胀型防火涂料的受火场景，是首个全面系统研究膨胀型防火涂料在不同温度、风速和风向耦合作用下防火阻燃性能的方法及装置，更加贴近防火涂料实际应用场景。同时，本发明结构简单，操作方便，保证了实验的易操作性，对城市高层建筑、多风和气候恶劣地区的防火涂料研究和应用具有重要的意义；

(2)本发明设计了双试样载物台，以同时获取近风端试样和远风端试样的温度曲线，且可以进一步获得涂料质量曲线以及涂料膨胀厚度等防火阻燃特征参数，能够用于研究环境风作用下的近风端和远风端涂料的阻燃性能，明晰防火材料的受热特性以及失效特征；

(3)本发明的环境风系统进一步采用了变径的双整流段结构，可提供稳定的风环境和可调的宽广的风速范围，模拟不同风速环境中的钢构件受风情况。

总之，本发明能够模拟在不同风速、风向的环境风作用下防火涂料的受火场景，并且能够同时测得近风端和远风端涂料的防火阻燃性能特征参数，以研究环境风对防火涂料阻燃性能的影响阻燃性能，对于膨胀型防火涂料的实际应用研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试装置的整体结构示意图；

图2为本发明的带有伸缩支架的双试样载物台的剖面图；

图3为本发明的隔热罩的结构示意图；

其中：1-加热器，2-热通量传感器，3-伸缩支架，4-双试样载物台，5-隔热罩，6-进风口，7-风机，8-1#整流箱，9-2#整流箱，10-高精度电子天平，11-高速摄像机，12-红外摄像机；

41-耐火石棉，42-近风试样放置端，43-远风试样放置端，44-热电偶；

81-整流前段，82-蜂窝整流段，83-稳流段，84-双层纱布。

图4为本发明实施例1的试样表面距锥形加热器下沿设定为25mm时试样表面的热通量随加热器温度的变化曲线图。

图5为本发明实施例1的环境风系统的风速随风机频率的变化曲线图。

图6为本发明实施例1的前、后端试样炭层厚度图：(a)无风环境下；(b)1.5m/s环境风作用下。

图7为本发明实施例1的前、后端试样背面温度变化曲线图；

图8为本发明实施例1的前、后端试样表面温度分布及最高温度变化曲线；

图9为本发明实施例1的前、后端试样膨胀演化过程图；

图10为本发明实施例1的前、后端试样膨胀炭层厚度变化图；

图11为本发明实施例1的前、后端试样质量损失图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，以膨胀型钢结构防火涂料为研究对象，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本实施例中，前端即近风端，后端即远风端。

如图1所示，为本发明一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试装置的具体实施方案，包括测试系统和环境风系统；

测试系统包括加热器1、热通量传感器2(图示中位置可垂直移动)、带有伸缩支架3的双试样载物台4和隔热罩5，所述加热器1、热通量传感器2、双试样载物台4由上到下依次垂直布置，加热器1为锥型加热器，由耐热不锈钢和电热丝制成，采取电加热方式，用于调节热通量，调节范围为0-75kw/m²。

如图2所示，所述双试样载物台4被耐火石棉41隔开为近风试样放置端42和远风试样放置端43，近风试样放置端42和远风试样放置端43内均埋设有热电偶44，热电偶经温度传感器连接至数据处理终端(图中未画出)，用于处理收集的近风端试样和远风端试样的背面温度。

如图3所示，所述隔热罩5的材质为绝热钢化玻璃，厚度为10mm，其近环境风系统方向上开有与环境风系统匹配的进风口6，进风口尺寸为20cm*15cm，隔热罩5的顶部、底部和远环境风系统方向均为开放式设置。

所述环境风系统包括依次连接的风机7、1#整流箱8和2#整流箱9，风机7与1#整流箱8、1#整流箱8与2#整流箱9均为变径连接，连接处材质可选择橡胶，1#整流箱8和2#整流箱9的内径比为3:1，2#整流箱9末端连接至测试系统的进风口6，进风口6处设有风速标定系统，包括若干个矩形布置的L型毕托管(例如16个，以4*4的方式布置)和对应的微压差传感器，所述微压差传感器连接至数据处理终端，用于处理收集的环境风系统送风速度；本发明中，环境风系统优选两段变径整流段布置，可提供稳定的风环境和可调的宽广的风速范围，模拟不同风速环境中的钢构件受风情况。

1#整流箱8和2#整流箱9结构相同，均包括依次连接的整流前段81、蜂窝整流段82和稳流段83，风机7与1#整流箱8之间、整流前段81与蜂窝整流段82之间、蜂窝整流段82与稳流段83之间、1#整流箱8与2#整流箱9之间均设有双层纱布84；蜂窝整流段内为空心六菱塑料管的蜂窝状布置；

所述蜂窝整流段内为空心六菱塑料管的蜂窝状布置，空心六菱塑料管的内接圆直径为6mm，管长为25cm。

为了研究环境风对膨胀型防火涂料的影响状况，进一步探究环境风对膨胀型防火涂料阻燃性能的影响机理，在本具体实施方案中，在伸缩支架7底部设置高精度电子天平10，其中近风试样放置端42和远风试样放置端43各放置一台，分别用于检测并记录近风端试样和远风端试样质量变化情况；在双试样载物台4周边设置高速摄像机11和红外摄像机12，红外摄像机用于观察并记录近风端试样和远风端试样表面温度分布和变化情况；高速摄像机用于记录近风端试样和远风端试样的形貌演变过程。

实施例1

一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，包括如下步骤：

S1、将试样表面与加热器下沿之间的垂直距离固定为标准间距25mm，改变加热器的温度，记录热通量传感器(热通量传感器设置于试样表面)的热通量变化，拟合得到热通量Q与加热器的温度之间的函数关系：

Q(x)＝1.44+23.56exp((x-605)/210.79)

其中：参见图4，x为加热器的温度，单位为℃；

S2、通过风速标定系统，测量环境风系统送风速度，并拟合得到环境风速V与风机频率f之间的函数关系：

V(f)＝0.153·f-0.2651

其中：参见图5，f为风机设定频率，单位为Hz；

S3、本实施例为探究在热通量为50kw/m²和环境风速为1.5m/s或无环境风(对照组)作用下水平布置的膨胀型钢结构防火涂料的阻燃性能，根据实验需要，结合上述拟合函数，计算实验所需的基本参数：

S31、加热器的温度设定为765℃；

S32、环境风系统风机频率设定为11.95Hz，并待温度和风速平稳后，放置近风端试样和远风端试样，开始实验。

S4、数据采集：

S41、利用温度传感器收集得到近风端试样和远风端试样的背面温度变化数据，用于定性和定量评价环境风作用下膨胀型防火涂料的热防护性能的优劣，具体的分析评价过程为本领域公知技术，此处不在赘述。如图7可看出在1700s左右环境风作用下前端试样背面温度的增长速率明显高于无风条件下前、后端试样和环境风作用下后端试样的温升速率，这表明环境风不利于前端涂料的隔热，且随着时间的推移影响越发显著。

S42、利用红外摄像机观察并记录近风端试样和远风端试样表面温度分布和变化情况。如图8可看出无风条件下前、后端炭层表面温度分布较为对称，而环境风会对试样表面起到冷却作用，且会导致前端温度高于后端温度，前、后端炭层表面温度分布出现非对称性，这为解释环境风作用下不同位置处涂料热保护性能的差异提供了依据。

S43、利用高速摄像机记录近风端试样和远风端试样的形貌演变过程。从图9、图10可看出，环境风会诱导涂料出现斜坡状的非对称结构，并且环境风加剧了膨胀炭层的氧化分解，导致炭层厚度逐渐降低。

S44、利用高精度电子天平检测并记录近风端试样和远风端试样质量变化情况。从图11可看出环境风作用下的前端和后端涂料质量损失率差异较大，对于整个试样而言，环境风的冷却作用放缓了试样的氧化分解。但是，相比于环境风作用下后端试样，环境风作用下前端试样的质量损失较大，这可能是由于环境风带来了更多的氧气，加剧了前端膨胀炭层的氧化分解，进而导致质量损失加大。

Claims (5)

1.一种环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，其特征在于，应用如下测试装置，包括测试系统和环境风系统；

所述测试系统包括加热器、热通量传感器、带有伸缩支架的双试样载物台和隔热罩，所述加热器、热通量传感器、双试样载物台由上到下依次垂直布置，所述双试样载物台被耐火石棉隔开为近风试样放置端和远风试样放置端，近风试样放置端和远风试样放置端内均埋设有热电偶，热电偶经温度传感器连接至数据处理终端；所述隔热罩的近环境风系统方向上开有与环境风系统匹配的进风口；

所述环境风系统包括依次连接的风机和整流箱，整流箱末端连接至测试系统的进风口，进风口处设有风速标定系统，包括若干个矩形布置的L型毕托管和对应的微压差传感器，所述微压差传感器连接至数据处理终端；

具体包括下述步骤：

S1、将试样表面与加热器下沿之间的垂直距离固定为标准间距25mm，改变加热器的温度，记录试样表面的热通量变化，拟合得到热通量Q与加热器的温度之间的函数关系：

Q（x）=A1+B1·exp（（x-C1）/D1）

其中：x为加热器的温度，单位为°C，A1、B1、C1和D1为拟合参数；

S2、通过风速标定系统，测量环境风系统送风速度，并拟合得到环境风速V与风机频率f之间的函数关系：

V（f）=A2·f+B2

其中：f为风机频率，单位为Hz，A2和B2为拟合参数；

S3、设定热通量目标值和环境风速目标值，依据拟合函数Q（x）和V（f），计算得到x和f值，并以计算得到的x和f值作为设定值，放置试样；

S4、数据采集：利用温度传感器收集得到近风端试样和远风端试样的背面温度变化数据。

2.根据权利要求1所述的环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，其特征在于：所述加热器为锥形加热器，由耐热不锈钢和电热丝制成，采取电加热方式，用于调节热通量。

3.根据权利要求1所述的环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，其特征在于：所述隔热罩的顶部、底部和远环境风系统方向均为开放式设置。

4.根据权利要求1所述的环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，其特征在于：所述整流箱包括依次连接的整流前段、蜂窝整流段和稳流段，前整流前段与蜂窝整流段之间、蜂窝整流段与稳流段之间均设有双层纱布；

所述蜂窝整流段内为空心六菱塑料管的蜂窝状布置。

5.根据权利要求4所述的环境风作用下膨胀型防火涂料阻燃性能的测试方法，其特征在于：所述整流箱为两段式，每一段结构一致，沿风向变径设置，第一段和第二段的内径比为2-5：1。

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