熊宇微

摘要：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在我國(guó)最近幾年發(fā)展迅猛，本文簡(jiǎn)單介紹了鋼結(jié)構(gòu)的防火要求、防火涂料的種類及其防火原理。著重講述了最新超薄型防火材料及其良好的發(fā)展趨勢(shì)，并指出防火涂料研發(fā)所面臨的耐久性、穩(wěn)定性、安全性問題。最后對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究進(jìn)展做出了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；防火涂料；超薄型防火涂料；發(fā)展趨勢(shì)

概述

鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑工程中較普遍的結(jié)構(gòu)形式之一，就因?yàn)樗奶攸c(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強(qiáng)，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜；材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動(dòng)力荷載；建筑工期短；其工業(yè)化程度高，可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)。雖然鋼結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但卻有一個(gè)重大弊病：不耐火。鋼結(jié)構(gòu)通常在450～650℃溫度中就會(huì)失去承載能力、發(fā)生很大的形變、導(dǎo)致鋼柱、鋼梁彎曲，結(jié)果因過大的形變而不能繼續(xù)使用，一般不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限為15分鐘左右。為克服鋼材這一弱點(diǎn)，就須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的防火處理，以便將鋼結(jié)構(gòu)中各建筑構(gòu)件的燃燒性能及耐火極限提高到規(guī)范要求范圍。

1.鋼結(jié)構(gòu)防火的要求

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2015版）中，對(duì)建筑物的耐火等級(jí)及相應(yīng)的構(gòu)件的耐火極限作出了具體的規(guī)定：在設(shè)計(jì)和施工過程中只要保證各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限能夠達(dá)標(biāo)即可。

2.鋼結(jié)構(gòu)防火的方法

現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)防火的方法有很多種，主要有兩個(gè)方面的防火：失火前的防火和失火后保護(hù)措施。失火后的保護(hù)措施主要是疏導(dǎo)法。失火前的防火從原理來分主要可以分為屏蔽和噴涂法。

屏蔽法是將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料里，然后在特殊部位設(shè)置防火屏障，將火源隔開。這樣將會(huì)加重鋼結(jié)構(gòu)自重，不利于高層、大型建筑。

疏導(dǎo)法允許熱流量傳到鋼構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，從而使構(gòu)件溫度不致于升高到臨界溫度。

噴涂法是直接將防火涂料涂在鋼結(jié)構(gòu)的表面，這個(gè)方法最經(jīng)濟(jì)有效，而且不會(huì)加重鋼結(jié)構(gòu)本身的自重，適用各種鋼結(jié)構(gòu)工程。

3.防火涂料、防火原理

防火涂料是用于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滯火災(zāi)的迅速蔓延，用以提高被涂材料耐火極限的一種特種涂料。其原理：

（1）防火涂料本身具有難燃性或不燃性，使被保護(hù)基材不直接與空氣接觸，延遲物體著火和減少燃燒的速度。

（2）防火涂料除本身具有難燃性或不燃性外，它還具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以延遲火焰溫度向被保護(hù)基材的傳遞。

（3）防火涂料受熱分解出不燃惰性氣體，沖淡被保護(hù)物體受熱分解出的可燃性氣體，使之不易燃燒或燃燒速度減慢。

（4）含氮的防火涂料受熱分解出NO、NH3等基團(tuán)，與有機(jī)游離基化合，中斷連鎖反應(yīng)，降低溫度。

3.1防火涂料的種類

防火涂料的分類方法很多種，根據(jù)基料的不同可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類；按其燃燒后的狀態(tài)可分為膨脹型和非膨脹型兩種；按涂層厚度將涂料分為超薄型（0～3mm）、薄型（3～7mm）及厚型涂料（7～50mm）三種

4.超薄膨脹型防火涂料及其發(fā)展

按厚度來分的防火涂料中，又以超薄型最為常見。傳統(tǒng)的膨脹型防火涂料主要由聚磷酸胺為催化劑，季戊四醇為成炭劑、三聚氰胺為發(fā)泡劑組成的阻燃系統(tǒng)，再加上各種外添加劑、顏料的配制以適應(yīng)不同的使用需求。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的多數(shù)產(chǎn)品屬于溶劑型，主要由基料、阻燃劑、顏填料、溶劑和稀釋劑組成。該類防火材料有很強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度、耐候、耐水性好，在受熱后會(huì)緩慢的膨脹并發(fā)泡形成一層致密堅(jiān)硬的隔熱層，從而使鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度降低在耐火極限一下，有效的保護(hù)鋼材。這種超薄型的防火涂料涂層更薄，用量少，施工方便，裝飾性能高。因此在此基礎(chǔ)上開發(fā)復(fù)合型的超薄防火涂料成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前國(guó)外的代表性防火涂料：英國(guó)的Nullitifer鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；德國(guó)的佑民生和柏茲鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；加拿大A/Dfirefilm防火涂料等。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品主要有：四川消防科研制的SCB（溶劑）、SCA（水性）、LF（溶劑型）、L6（溶劑型）和SF（溶劑型）等超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

當(dāng)前，由于中國(guó)加入世貿(mào)組織，在國(guó)際上的地位也是越來越高，面對(duì)地球生態(tài)環(huán)境、溫室效應(yīng)等問題的嚴(yán)峻，加之中國(guó)國(guó)情需要我們堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的方針。因此，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料不可避免的將面臨低碳和環(huán)保這一課題，為解決這一課題，就要求鋼結(jié)構(gòu)防火涂料生產(chǎn)工業(yè)從原材料生產(chǎn)、涂料生產(chǎn)、施工、殘留物處理等全部過程的能耗、物耗、廢物排放進(jìn)行量化計(jì)算，特別是考察防火涂料燃燒產(chǎn)物的毒性，以達(dá)到全面評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的環(huán)保指標(biāo)。隨著科技的發(fā)展，納米、可膨脹石墨材料的開發(fā)與應(yīng)用為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展注入了新的活力，可以利用納米TiO2、TiO2、納米SiO2和納米Sb2O3具有的特殊效應(yīng)、可膨脹石墨層間的插層物質(zhì)（H2SO4）與石墨發(fā)生氧化還原反應(yīng)放出氣體，使石墨體積膨脹增大數(shù)百倍。這樣新型材料提高鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻燃性能，并最大限度地節(jié)約資源和能源，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料向環(huán)境友好型、無機(jī)水性和生態(tài)型的發(fā)展。

5.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用的不足

5.1耐久性

由于超薄型防火涂料的厚度很薄，而且都暴露在空氣當(dāng)中，火災(zāi)的發(fā)生又是不可預(yù)測(cè)的，在發(fā)生火災(zāi)前的這段時(shí)間防火涂料或多或少的會(huì)分解、降解、老化以及受到室外酸雨、碳化、鋼材撓曲變形等因素影響其耐久性。

5.2穩(wěn)定性

超薄型防火材料的作用原理基于失火后高溫中涂料發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)膨脹形成疏松，致密的炭化層，劇烈的化學(xué)方應(yīng)使涂料防火隔熱層成為非穩(wěn)定的傳熱過程，同時(shí)又必須要求反應(yīng)過程復(fù)雜，所以在苛刻的火災(zāi)環(huán)境中形成穩(wěn)定性好的炭化層非常困難，加上高溫情況下催化劑的催化作用降低，這樣嚴(yán)重阻礙失火后防火涂料中的阻燃系統(tǒng)發(fā)揮作用。

5.3安全性

超薄膨脹性防火涂料在失火后可能釋放出氨、HCN、NO、二氧化氮、CO、二氧化碳、鹵化氫、CL等有毒有害氣體，，這些有毒氣體對(duì)未及時(shí)逃離火場(chǎng)人員及消防滅火人員產(chǎn)生危害。

因此，防火涂料這些方面的不足之處也給未來的研究制造加重的難度。未來的產(chǎn)品也應(yīng)該具有更耐久、更穩(wěn)定、更安全的方向發(fā)展。

6.結(jié)論

雖然我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)研究要比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家晚20年左右，但就普遍采用的主要指標(biāo)防火性能而言，發(fā)展速度較快。目前，我國(guó)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火性能普遍較高，然而在耐久性、穩(wěn)定性和安全性能上仍需進(jìn)一步提高，因此在研究提高防火性能的同時(shí)應(yīng)著重改善其綜合性能。另一方面，研究開發(fā)無毒低污染的高性能防火涂料已成為科研重點(diǎn)，因此對(duì)水性型以與新型（石墨、納米）超薄膨脹型型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進(jìn)一步研究具有重要意義。（作者單位：重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院）

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