防火安全结构设计用薄膜膨胀涂层的基本原理( Fundamentals of thin intumescent coatings for the design of fire-safe structures )

A Lucherini

目前，膨胀涂料是火灾期间保护承重结构钢系统的主流解决方案。在加热时，膨胀涂层膨胀以形成厚的低密度和低导热率的多孔炭，其阻止基底材料达到可能损害结构完整性和稳定性的高温。在结构防火安全工程实践中，一般采用简化的工程方法，仅根据耐火炉试验中的标准温度-时间火灾曲线来评价膨胀涂料的性能。然而，许多研究人员强调了这种方法的局限性，这是由于多种因素的影响，如火灾加热条件，膨胀过程和整体隔热效果。因此，现时的设计架构并不代表一个足够的设计方法，以确保建筑物的防火安全。在一个向基于性能的工程解决方案迈进的世界中，有必要明确地理解不同因素（例如加热条件）如何可能影响膨胀涂层的有效性。本研究的目的是为发展稳健的工程方法建立基础，以基于性能的设计，以膨胀涂层保护的结构元件，考虑到他们的有效性，在广泛的潜在条件。为了了解不同因素如何影响膨胀涂料的性能，进行了各种研究。提出了一种实验方法，通过对热暴露期间热物理响应的详细表征来分析它们的性能。根据热传递率诱导系统（H-TRIS）试验方法，将涂覆有商用溶剂型膨胀薄层的钢板暴露于各种明确定义和高度可重复的加热条件下。研究了初始干膜厚度(DFT)和衬底热条件对薄膜性能的影响。此外，还利用标准实验方法进行了补充研究，通过确定膨胀涂层的物理、热和光学性质，研究不同温度和不同加热方式下的化学反应和热分解过程，来表征膨胀涂层的特性。实验结果表明，所测试的膨胀涂层需要高于20-23kW/m2的入射热流才能启动膨胀过程。定义了钢(100-250°C)和涂层(350-500°C)的溶胀起始阈值，发现加热条件和涂层初始厚度直接影响溶胀起始阈值。H-TRIS实验还证明了膨胀过程和由此产生的膨胀涂层厚度是如何控制膨胀涂层的热和物理响应，从而控制膨胀涂层的有效性。特别地，加热条件控制膨胀涂层的膨胀速率，而初始涂层厚度控制最大膨胀涂层厚度。溶胀过程中,涂层钢板趋于300-350°C,溶胀过程结束后,涂层钢板的温度升高到350°C以上。热重分析证实,该温度范围对应于涂层溶胀反应,溶胀反应通常发生在350-400°C左右,400°C以上可视为完成。这些结果表明，溶胀反应发生在基材-涂层界面附近：未溶胀的涂层通过向热源方向置换已溶胀的涂层而溶胀并保护基材。在不同的衬底热条件下进行的实验证实了这一点。衬底的物理和热性质控制系统在衬底-涂层界面集中/散热的能力，因此温度e

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