《Coatings》：Hot-Dip Galvanized Steel in Fire: Linking NIR/MIR Reflection to Early-Stage Heating Delay Under Standard Fire Exposure
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# 摘要翻译
热浸镀锌（HDG）可保护钢材免受腐蚀，但其对火灾暴露期间升温过程的影响仍不确定。本研究将五种表面状态的参考归一化傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量与四种表面状态的指示性炉内试验相结合，研究对象为EN 1363-1加热制度下的HEA 200钢构件
# 摘要翻译
热浸镀锌（HDG）可保护钢材免受腐蚀，但其对火灾暴露期间升温过程的影响仍不确定。本研究将五种表面状态的参考归一化傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量与四种表面状态的指示性炉内试验相结合，研究对象为EN 1363-1加热制度下的HEA 200钢构件。达到500 °C的时间从裸钢的570 s增加至带面漆热浸镀锌钢的634 s、抛光钢的727 s以及完整热浸镀锌钢的773 s。这些趋势与反射表面对辐射吸收的减少相一致，而对流换热则持续供给热量。一个截面系数匹配的集总模型通过结合对流传热与斯特藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）辐射的能量平衡描述了该行为。敏感性分析表明，假设恒定低发射率相较于发射率在暴露过程中增加的场景会高估加热延迟。尽管初始反射信号相似，完整热浸镀锌钢与抛光钢表现出不同的升温特性。因此，从防火设计角度来看，热浸镀锌钢表面状况的变异性及其辐射特性的不确定性，可能使得镀锌钢材难以被视为具有足够可重复的物理特性以用于消防安全工程设计，或难以被认证为合格的被动防火保护系统。
# 论文解读
## 一、研究背景与问题
结构防火设计旨在确保钢构件在要求的耐火时间内保持足够的承载能力。在基于欧洲规范（Eurocode）的设计方法中，构件净热通量被分解为对流和辐射两个分量，其中辐射分量强烈依赖于表面发射率。EN 1993-1-2通常采用恒定发射率ε = 0.7来代表碳钢表面，但发射率实际上取决于表面化学性质、粗糙度、氧化皮、污染程度、温度和波长等多种因素。
多项实验研究表明，热浸镀锌（HDG）可通过降低辐射能量吸收来减缓钢材在标准火灾暴露下的早期升温，其效应大小和持续性强烈依赖于表面状态。已有研究提出了镀锌构件的两阶段表示方法：钢材温度低于500 °C时ε ≈ 0.35，高于500 °C时ε ≈ 0.7。然而，锌作为辐射屏障的实际有效性在最新文献中受到质疑，其局限性之一在于钢材化学成分（尤其是硅和磷含量）对涂层微观结构的影响：A类和B类钢材可实现低发射率值，而高硅钢材（D类）在低温下即表现出高得多的吸收值，几乎消除镀锌的优势。
从材料科学角度看，热浸镀锌涂层应被视为多层金属体系而非均匀锌层。典型涂层由外向内依次为η、ζ、δ1和Γ相，各层不仅化学成分不同，晶体结构、硬度、脆性、形貌和热响应也存在差异。此外，白锈（白蚀）的形成、制造缺陷、表面粗糙度以及烟尘沉积等因素均会影响镀锌钢材的辐射特性，其中烟尘沉积几乎可完全消除镀锌的益处。HDG并非传统意义上的被动防火保护（PFP）系统，火灾暴露期间表面状态可能随锌的氧化、熔化和形貌变化而迅速演变。因此，核心问题不在于镀锌钢是否能在标准火灾暴露中“争取几分钟”，而在于该效应是否可重复以及应如何在设计和产品声明中加以表述。
## 二、研究内容与意义
研究人员将红外反射信号测量与指示性炉内试验相结合，对具有不同表面状态的钢构件进行了系统研究。该研究的一个独特贡献在于首次将实际结构钢构件上测量的初始参考归一化FTIR反射信号与其在标准火灾暴露下的后续升温响应直接关联。研究结合五种表面状态的光学测量与四种状态的指示性炉内试验，基于HEA 200截面几何，并采用简化截面因子热模型探讨发射率假设及其演变对升温的影响。该综合方法为设计人员提供了从表面表征、热敏性分析到评估结构防火设计中潜在益处的路线图，并探讨了实测加热延迟与在实际建筑设计中的允许使用之间尚未充分研究的关联。FTIR测量支持比较性解释，但并未建立通用的火灾温度发射率转换关系。
## 三、关键技术与方法
研究采用了以下主要技术方法：（1）傅里叶变换红外光谱（FTIR）反射测量：使用Shimadzu IRTracer-100光谱仪配备PIKE UpIR漫反射附件，在8000–550 cm?1（1.25–18.18 μm）范围内获取室温光谱，以哑光金表面为参考，计算相对反射信号（RRS）和平均光谱反射信号（ARRS），每个表面测量九个位置并取平均；（2）标准火灾炉试验：依据PN-EN 1363-1方法对HEA 200短柱进行炉内加热，采用K型热电偶按标准附录C布置（共9个），炉温由7个板式热电偶控制，达到500 °C的平均钢温时间作为热响应比较指标；样品来自实际结构型钢，锯切为1000 ± 50 mm短柱。
## 四、主要研究结果
### 4.1 试验样品与FTIR测量
五种HEA 200试样代表不同表面状态：裸钢、完整热浸镀锌钢（HDG）、可见表面变化的HDG、带有机面漆的HDG（复合体系）以及抛光钢。初始FTIR测量显示各表面之间存在显著差异。完整镀锌和抛光钢表面呈现最高的ARRS值，分别为193%和195%；可见表面变化的HDG为87%；有机面漆HDG为55%；裸钢仅为26%。HDG光谱在3300–3500 cm?1附近呈现宽反射信号最小值，在1500和1390 cm?1附近有明显谱带，这些特征被初步归因于O–H伸缩振动和碳酸盐不对称伸缩振动，与含羟基和碳酸盐的锌表面产物（可能包括水锌矿）一致。
### 4.2 钢构件在炉内暴露下的热响应
炉内暴露期间观察到类似的总体趋势。裸钢（ARRS最低）在570 s时达到500 °C；复合涂层镀锌试样在634 s达到相同温度；抛光钢在727 s达到；完整镀锌钢在773 s达到。ARRS与达到500 °C时间之间呈现正相关趋势，表明初始反射信号较高的表面对入射热辐射的吸收较少。然而，仅四种表面状态可用于比较且未进行重复炉试验，该回归关系应视为说明性而非预测性的。
完整HDG与抛光钢的对比提供了重要观察：两者初始ARRS几乎相同（193%和195%），但镀锌试样比抛光试样晚约46 s达到500 °C。这表明初始光学响应并不能完全决定后续温度发展，表面辐射特性可能在火灾暴露期间随氧化、污染、形貌变化等过程而演变。
复合涂层镀锌试样进一步证明了这种时间依赖行为：有机面漆将初始ARRS从完整HDG的193%降至55%，达到500 °C的时间从773 s降至634 s。加热过程中有机面漆可能发生热分解、燃烧、开裂或脱落，逐步暴露下层镀锌层，因此复合体系应被视为动态变化表面而非恒定辐射特性材料。
可见表面变化的镀锌试样ARRS为87%，远低于完整HDG。虽然该试样未进行炉试验，但光学结果表明完整镀锌所对应的高反射信号强烈依赖于表面状态。火灾暴露前后的照片证实表面条件在加热期间发生显著变化。总体而言，完整HDG可使钢构件在标准火灾暴露初期相对于未处理钢表面延迟加热，HEA 200试样达到500 °C的时间从裸钢的570 s增至完整HDG的773 s，对应约203 s（35.6%）的延迟，但该效应强烈依赖于初始表面状态。
### 4.3 数值模拟
研究人员建立了截面因子匹配的等效圆柱集总热容模型。选择圆柱直径使截面因子（加热周长与体积之比，Am/V）与参考钢型材（HEA 200，Am/V = 214 m?1）匹配，对应的圆柱半径R = 9.35 mm。毕奥数（Biot number）计算表明Bi ? 0.1，内部导热足够快，温度梯度可忽略。模型结合对流换热与斯特藩-玻尔兹曼辐射，采用ISO 834标准火灾曲线和欧洲规范温度相关钢比热容进行计算。
对于裸HEA 200构件，模型预测达到500 °C时间为8:24，而实验为9:30，实验比预测晚66 s（相对约12%），差异可能与理想化均匀暴露和未考虑H型截面遮蔽效应有关。若采用恒定低发射率ε = 0.3建模HDG钢，预测达到500 °C时间增至11:15，比ε = 0.7相对增加约34%（+2:51）。这表明仅辐射边界条件即可显著影响无保护钢构件的预测升温历史。
然而，恒定ε = 0.3应被解释为理想化上限情形，它隐含假设初始辐射特性在加热至500 °C的全过程中保持不变，这一假设不太可能普遍适用于真实HDG结构。实验FTIR结果证实了这一区分的重要性：完整镀锌表面ARRS为193%，而可见变化的镀锌表面仅为87%。此外，引入发射率从23 °C时0.30线性增加至500 °C时0.70的灵敏度案例（作为表面退化包络线的一阶表示），预测达到500 °C时间为9:10，比恒定ε = 0.30情形短2分钟以上。这表明假设恒定低发射率会大幅高估热效益，且高估程度随截面因子减小（更大截面构件）而增大。
## 五、讨论与结论总结
讨论部分指出，实验结果证实表面光学特性可显著影响钢材在标准火灾曲线下的早期升温：高反射金属表面（理想HDG和抛光钢）相对于裸钢延迟了500 °C的到达时间，而有机面漆降低了反射率并导致更快升温。物理上，低有效发射率/高红外反射降低了净辐射热吸收，这在暴露最初几分钟辐射项主导表面热通量时影响最大。然而，该效应是瞬态和场景依赖的：镀锌表面可随温度升高而氧化和改变形貌，可能形成缺陷，烟尘沉积可增加发射率并抑制清洁金属表面的任何益处；复合体系进一步表明腐蚀防护实践可能与辐射效益相冲突。
研究结论可归纳如下：（1）在所研究的炉条件下，完整HDG达到500 °C需773 s，裸钢为570 s，复合体系试样为634 s，抛光钢为727 s，完整HDG相对于裸钢增加203 s（35.6%）；（2）完整HDG和抛光钢产生最高的初始参考归一化FTIR信号，但测量表征的是固定几何条件下的收集光学响应，不能直接转换为绝对反射率或发射率；（3）热敏模型表明表面发射率的假定演变显著影响预测升温，Am/V = 214 m?1时，ε从0.30线性过渡到0.70的示例情形比恒定ε = 0.30情形早约两分钟达到500 °C；（4）结果支持可测量的、条件依赖的早期加热延迟存在，但并未建立耐火等级分类或通用设计值。
从监管角度看，HDG不应仅依据早期加热延迟被描述为认证的被动防火保护产品。被动防火保护（PFP）声明需要适当的测试和分类路径；镀锌层不提供隔热或膨胀作用，其热效应主要由瞬态表面辐射行为控制，且该效益可能因氧化、缺陷、有机面漆或烟尘沉积而减弱或丧失。因此，镀锌钢在结构防火设计中应被视为具有明确有效性限制的修正边界条件，而非未经专门测试和分类即可作为认证防火保护进行推广。若提议此类应用，HDG应首先经过适当的标准化评估（如EN 13381-4），以建立可重复的时间-温度-截面因子关系，并验证在代表性试验和加载条件下观察到的热效益能够维持。
