《Fire Safety Journal》：In situ test method to assess the fire resistance of steel profiles with aged intumescent coating
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摘要膨胀型涂层（intumescent coating）通过暴露于火灾时形成热保护炭层（thermal protective char）来增强钢结构的耐火性能（fire resistance），从而显著减缓钢温升。然而，环境条件可能导致膨胀型涂层老化，降低其热
摘要膨胀型涂层（intumescent coating）通过暴露于火灾时形成热保护炭层（thermal protective char）来增强钢结构的耐火性能（fire resistance），从而显著减缓钢温升。然而，环境条件可能导致膨胀型涂层老化，降低其热保护性能。因此，膨胀型涂层的耐久性（durability）作为欧洲评估和审批程序的一部分进行检验。该评估主要依赖于加速人工老化试验（accelerated artificial ageing tests）后的火灾试验。相应的测试和评估程序旨在确保至少10年的工作寿命（working life）。如果工作寿命已过或对涂层性能存在疑虑，可从现有结构中提取涂覆的钢构件并在火灾实验室中进行测试。然而，由于该方法的破坏性和高成本，实践中很少采用。由于目视检查不足以确定膨胀型涂层在火灾中的有效性，因此实际需要一种微创（minimally invasive）的原位测试方法（in situ test method）。研究人员已描述了用于原位测试以评估膨胀型涂层实际防火性能的移动式原型炉（prototype furnace）的开发。当前论文展示了从未涂层和涂层钢板以及IPE和HEB截面获得的测试结果。特别关注了试样几何形状、干膜厚度（dry film thickness, DFT）、加热制度（heating regime）以及试样内部热传递（heat transition）对最终钢温和炭层形态（char morphology）的影响。
论文解读
研究背景：钢结构因其优异的力学性能在建筑中广泛应用，但在火灾中迅速升温导致强度丧失，因此需采用防火措施。膨胀型涂层（intumescent coating）通过形成热保护炭层（thermal protective char）延缓钢温升，是常用方法。然而，环境条件（如温湿度、紫外线等）会引起涂层老化，降低其热保护性能。欧洲评估程序通过加速人工老化试验（accelerated artificial ageing tests）和后续火灾试验检验涂层耐久性（durability），旨在确保至少10年工作寿命（working life）。但现有结构中的老化涂层缺乏可靠的原位评估方法：目视检查结合厚度测量仅提供一般信息，而实验室火灾测试需从结构中提取试样，具有破坏性、耗时且成本高。因此，亟需一种微创（minimally invasive）的原位测试方法（in situ test method）来直接评估老化涂层的实际防火性能。
研究内容：研究人员开发了BAM原型炉2.0（prototype furnace 2.0），并开展了系统的实验研究，包括未涂层和涂层钢板以及IPE 220和HEB 260截面。通过调整加热制度（heating regime）以补偿炭层形成导致的距离变化，并利用激光距离传感器（laser distance sensor）实时监测炭层厚度（char thickness）。研究分析了试样几何形状、干膜厚度（dry film thickness, DFT）、加热制度及内部热传递对钢温和炭层形态的影响。此外，还进行了案例研究，验证了该方法在真实老化涂层结构上的适用性。论文发表在《Fire Safety Journal》。
关键技术方法：研究人员主要采用以下关键技术方法：1）原型炉2.0设计：基于电加热元件（heating elements）模拟标准温度/时间曲线[18]的热暴露，并配备激光距离传感器（LMB 101，Proxitron GmbH）连续测量炭层厚度，精度±1.0 mm；2）加热制度修正：基于辐射传热分析（Stefan-Boltzmann定律和视角因子），考虑炭层形成导致加热元件与试样表面距离减小，计算修正加热温度，使原型炉热输入与标准炉（DIN 4102-8 furnace）等效；3）钢温校正：根据EN 13381-8附录D的方法，基于实际DFT与目标DFT之比对钢温时间进行校正。试样来源为热轧钢S235JR，未涂层试样经预氧化处理以统一表面发射率。
研究结果：
3.1 未涂层钢板和型材（试验系列1）：通过对比未涂层钢板（500×220×6 mm3和500×260×10 mm3）与IPE 220和HEB 260型材的钢温测量，发现钢温在最初10分钟内几乎一致，但随后钢板温度上升更快，原因在于型材翼缘作为热沉（heat sink）吸收热量，且HEB 260翼缘截面更大，温差更显著。试验重复性良好，加热制度在23分钟达到峰值1000°C后保持恒定。
3.2 涂层钢板（试验系列2）：针对原型炉因炭层膨胀导致加热距离减小的问题，研究人员基于辐射传热公式（Q?
h,s）和视角因子（V
h,s）推导出修正加热制度，使涂层钢板（110×110×5/10 mm3，DFT=0.50 mm）在原型炉中的钢温与标准炉（DIN 4102-8）结果高度一致。炭层厚度测量通过手动线测量和3D激光扫描（T-SCAN hawk 1，Carl Zeiss GOM Metrology GmbH）对比，平均值偏差极小，验证了手动测量的可靠性。修正后的加热制度对5 mm和10 mm厚钢板分别采用不同温度曲线（见表2）。
3.3 涂层钢板和型材（试验系列3）：对未涂层和涂层钢板（500×220×6 mm3和500×260×10 mm3）及型材（IPE 220和HEB 260）进行测试，发现钢温在最初5分钟内差异很小，但随后涂层试样因炭层形成而显著缓慢升温，且DFT越大（0.50 mm vs. 0.25 mm）效果越明显，部分试样在测试时间内未达到400°C目标温度。钢温受截面几何形状影响显著：型材翼缘作为热沉进一步降低钢温，且HEB 260相比IPE 220效果更强。此外，未绝缘的试样因热传导至未暴露区域导致钢温更低，因此推荐采用矿物纤维保温。炭层形态分析显示，除边缘区域外，炭层均匀且完全反应，但钢板（110×110 mm2）炭层膨胀最大，大尺寸钢板和型材则因热传导导致炭层厚度减小，且表面气泡更少更小，这与文献[30]一致。
案例研究：对一栋1996年涂覆溶剂型膨胀型涂层（indoor环境）的IPE 220钢梁进行原位测试。目视检查无损伤，但厚度测量显示总厚度低于批准值。使用原型炉2.0进行30分钟火灾测试，涂层未发生反应或炭化，钢温达约360°C（终止测试以避免损伤）。结论是该钢梁无法满足30分钟耐火要求，验证了方法在实际条件下评估老化涂层热保护性能的有效性。
结论与展望：研究人员开发了微创原位测试方法，可评估现有钢结构上膨胀型涂层的耐火性能。主要发现包括：1）原型炉2.0升级了空气冷却系统、精确温度测量和激光距离传感器；2）基于修正加热制度，可充分考虑炭层形成对热传递的影响；3）测试显示极佳重复性和可靠性，炭层形态均匀，但试样几何形状和DFT显著影响热保护性能，需考虑局部热传导；4）案例研究证实了方法的实际适用性，即使涂层外观完好，厚度的降低也可能导致完全丧失热保护性能。研究结论表明，该方法可用于评估老化涂层的实际防火性能，为现有钢结构的安全评估提供了有力工具。
