溫 婧,吳發(fā)紅,2,殷劍亮

1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002； 3.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004

鋼結(jié)構(gòu)憑借其強(qiáng)度高、施工速度快、抗震性能好，以及發(fā)生破壞前會有較大的變形預(yù)兆等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，例如：492 m高的上海環(huán)球金融中心、2008年北京奧運(yùn)會主體育場——“鳥巢”體育館和2019年9月正式投入運(yùn)營的北京大興國際機(jī)場等等。鋼結(jié)構(gòu)被稱作“不會燃燒的材料”，但它耐熱不耐火，在高溫影響下，其強(qiáng)度會迅速下降。不采取任何防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)，其耐火極限僅為15 min左右[1]；溫度達(dá)500 ℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)會因高溫發(fā)生變形扭曲導(dǎo)致構(gòu)件軟化，溫度800～1 000 ℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)很快會發(fā)生塑性變形，喪失全部強(qiáng)度[2]，因此，必須對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)，保證其耐火極限在規(guī)定范圍內(nèi)。在鋼結(jié)構(gòu)表面涂覆防火涂料是最高效、最經(jīng)濟(jì)的防火保護(hù)措施之一[3]。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料概述

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為一種自身不易燃燒的特殊材料，在防火的同時(shí)還具有防腐、耐凍融等良好性能[4]；均勻涂覆在建筑材料表面，在給建筑物提供耐火隔熱保護(hù)層的同時(shí)提高建筑材料的耐火極限；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠減緩溫度上升的速度，給消防人員提供寶貴的救援時(shí)間。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按照防火機(jī)理可以分為：膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；按照使用場所分為：室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和室外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；按照分散介質(zhì)分為：水基性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和溶劑性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。根據(jù)技術(shù)要求，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度不應(yīng)小于1.5 mm，非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度不應(yīng)小于15 mm。雖然膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料較非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料外觀更為美觀，但防火性能方面還是非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料更勝一籌[6]。

2 非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究

非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料根據(jù)成膜物的不同，可分為無機(jī)和有機(jī)兩類[7]。無機(jī)非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通常由膠結(jié)劑、無機(jī)隔熱阻燃材料、助劑等組成。該類防火涂料憑借其自身不燃性以及低傳熱性，可延緩鋼材溫度上升，起到保護(hù)鋼材的效果，主要應(yīng)用于室內(nèi)隱蔽場合、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土隧道內(nèi)襯、石油化工場所以及芯片車間在內(nèi)的各類場合[8]。

Anton等[9]以硅酸鹽水泥和高鋁水泥作為膠結(jié)劑，加入膨脹蛭石、硬硅鈣石等無機(jī)填料和其他助劑制備了一種耐火性能好，針對混凝土結(jié)構(gòu)隧道的防火涂料。胡克旭等[10]采用厚型防火涂料對2根碳纖維加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了不同方法的防火保護(hù)，結(jié)果表明耐火極限可達(dá)2.5 h，在防火涂層中增設(shè)鋼絲網(wǎng)片對約束防火涂層、防止其開裂和脫落的效果明顯。王新鋼等[11]研制了一種在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無有害氣體產(chǎn)生，可在室內(nèi)環(huán)境中使用，且施工方便、黏結(jié)力強(qiáng)、耐火性能優(yōu)異的新型水性厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。徐世烺等[12]在傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上增加了高鋁水泥作為膠結(jié)劑，選用膨脹珍珠巖粉、膨脹蛭石粉作為阻燃材料，再摻入一定量的聚乙烯醇纖維、減水劑和引氣劑，制備了一種新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料，其防火性能符合當(dāng)時(shí)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一級防火涂料要求。劉成樓[13]在硅酸鹽水泥中加入乳膠粉作為膠結(jié)劑，以水鎂石作為隔熱耐火材料，以三聚氰胺作為發(fā)泡劑，同時(shí)加入耐腐蝕填料、引氣劑和憎水劑以提高涂料的耐候性，制備了一種集防火和防腐于一身的新型涂料。楊廣營[14]采用鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥以及可分散乳膠粉作為膠結(jié)劑，膨脹珍珠巖、耐火蛭石等為無機(jī)隔熱材料，研制了一種在高溫火焰作用下涂層無開裂、無坍塌，耐火極限為 120 min的綠色環(huán)保型隧道防火涂料。閻石等[15]利用有限元分析軟件，對具有NH(UN-H10)厚型防火涂料的GL2主梁進(jìn)行耐火有限元分析，得到選取經(jīng)濟(jì)適用的鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料關(guān)系式，通過關(guān)系式能夠很方便地估算出給定耐火時(shí)間下 H型鋼梁的厚型防火涂料厚度。

非膨脹型防火涂料通常選用硅酸鹽水泥作為膠結(jié)劑。硅酸鹽水泥與其他水泥相比，價(jià)格低廉，耐熱、耐水性能較好，但在長期使用過程中其耐堿性和耐久性較差[16]。此外，為提高耐火性能防火涂料往往會選擇三聚氰胺作為發(fā)泡劑，在反應(yīng)過程中，三聚氰胺會釋放出氨氣造成環(huán)境污染，與當(dāng)前的環(huán)保要求背道而馳。與硅酸鹽水泥相比，磷酸鎂水泥(MPC)的煅燒工藝不需要消耗大量的黏土資源，是一種對環(huán)境友好，有利于產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的膠凝材料[17]，且MPC的耐久性、黏結(jié)性等均優(yōu)于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，已逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

3 磷酸鉀鎂(MKPC)膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究

目前，我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究已經(jīng)取得了不小的進(jìn)步，其應(yīng)用也日益廣泛，但與部分發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，在施工技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方面仍然相對薄弱[18]。如何克服鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在凝結(jié)硬化時(shí)間、環(huán)境保護(hù)、黏結(jié)性能等方面的不足已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

3.1 磷酸鹽膠結(jié)劑的研究

無機(jī)非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料組成中膠結(jié)劑的選擇極為重要，磷酸鹽作為膠結(jié)劑具有黏結(jié)強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化速度快等優(yōu)點(diǎn)，與其相關(guān)的研究不在少數(shù)。覃文清[19]通過濃煙錐形量熱計(jì)、熱分析儀、掃描電鏡等研究證實(shí)了磷酸鹽阻燃效果好且無毒，燃燒時(shí)不會出現(xiàn)濃煙。張澤江[20]介紹了三聚氰胺磷酸鹽及其衍生物作為阻燃劑的優(yōu)異性。蘭彬[21]選用硅酸鹽和磷酸鹽作為膠結(jié)劑，以膨脹蛭石、聚乙烯醇、空心微珠、玻璃纖維等作為耐火隔熱材料，得到一種耐水、耐堿、耐凍融，同時(shí)耐火時(shí)間超過3 h的隧道防火涂料。周慈[22]選用磷酸鋁混合物作為無機(jī)基料，添加催化劑、成碳劑和發(fā)泡劑，并首次選用超細(xì)礦渣粉作為無機(jī)填料，選擇二氧化錳和鋅粉作為復(fù)合催干劑，所得防火涂料的表干時(shí)間和實(shí)干時(shí)間均符合國家二級飾面型防火涂料要求。崔益順[23]以磷酸二氫銨和尿素為原料制備阻燃劑聚磷酸銨，通過正交試驗(yàn)得到較優(yōu)工藝條件，在此條件下合成了聚合度52.08、阻燃率49.94%的I-型聚磷酸鹽產(chǎn)品。朱善文等[24]以水性環(huán)氧樹脂為基體，聚磷酸銨為阻燃劑，成功制備了一種兼具較好阻燃性能和形狀記憶性能的復(fù)合材料。胡拉等[25]選用阻燃液浸泡單板的阻燃處理方式，研究了磷酸銨鹽(MAPC)阻燃處理對桉樹膠合板燃燒性能、膠合性能及吸濕性的影響，并且證明了MAPC阻燃劑對桉樹膠合板具有較好的阻燃、抑煙效果。

3.2 磷酸鎂(MPC)膠結(jié)劑的研究

MPC膠結(jié)劑是由氧化鎂(MgO)、可溶性磷酸鹽、復(fù)合緩凝劑和水，按照一定比例配制而成，其本質(zhì)是酸組分(可溶性磷酸鹽)和堿組分(MgO)發(fā)生中和反應(yīng)，生成的磷酸鹽水化物具有凝膠性，是一種綠色環(huán)保的新型無機(jī)膠凝材料[26]。1939年P(guān)rosen[27]首次利用MgO和磷酸配制出MPC，并用做耐高溫制品，但由于硬化凝結(jié)速度過快而沒有被應(yīng)用于建筑材料中。為解決MPC凝結(jié)速度過快這一問題，Stierli[28]提出了選用硼砂作為緩凝劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然MPC的凝結(jié)時(shí)間延長了，但其強(qiáng)度卻下降了。楊建明等[29]通過對比分別摻加復(fù)合緩凝劑和硼砂的磷酸鉀鎂水泥(MKPC) 發(fā)現(xiàn)，復(fù)合緩凝劑可以延長MKPC的凝結(jié)時(shí)間，減緩早期水化反應(yīng)的速度，并使其后期微觀結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓強(qiáng)度明顯提高。謝曉麗等[30]研究了以MgO和磷酸二氫鉀(KH2PO4)反應(yīng)所得產(chǎn)物為結(jié)合劑的高鋁質(zhì)耐火澆注料的性能，并證實(shí)可以通過改變MgO的活性、硼砂的加入量來調(diào)節(jié)體系的凝結(jié)時(shí)間。

由于中和反應(yīng)加入的酸組分(可溶性磷酸鹽)不同，因此生成的MPC種類也不同，目前研究較多的是MKPC體系和MAPC體系。Sugamat等[31]選擇MgO和磷酸二氫銨作為原料制備MAPC，證實(shí)了MAPC強(qiáng)度高、黏結(jié)性能好、耐久性好，但在其制備過程中會釋放出刺激性氣體氨氣，長時(shí)間操作會造成環(huán)境污染以及機(jī)器損傷。Singh等[32-33]首先提出用鉀磷酸鹽代替銨磷酸鹽配制MKPC，之后許多學(xué)者[34-36]針對MKPC體系進(jìn)行了研究，證實(shí)了MKPC也具備凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、黏結(jié)性能和耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。

其主要水化反應(yīng)方程式可表示為[39]：

MgO+KH2PO4+5H2O→MgKPO4·6H2O

MgKPO4·6H2O受熱階段主要反應(yīng)方程式如下：

MgKPO4·6H2O→MgKPO4+ 6H2O

3.3 磷酸鉀鎂(MKPC)膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

MKPC膠結(jié)劑是一種自身不燃且導(dǎo)熱性低的材料[40]，用于防火涂料時(shí)能夠有效地延緩溫度傳遞，同時(shí)，MKPC膠結(jié)劑較MAPC膠結(jié)劑更為綠色環(huán)保，且凝結(jié)硬化速度快、凝結(jié)硬化時(shí)間可控，可以有效降低因涂層面干燥時(shí)間過長而造成的時(shí)間和人工的浪費(fèi)，隨著行業(yè)發(fā)展對綠色環(huán)保要求的日益提高，MKPC受到越來越多的關(guān)注。

MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理主要可概括為：

(1)MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料屬于無機(jī)非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。無機(jī)材料本身具有低導(dǎo)熱性、自身不燃的特性，高溫條件下可形成耐火隔熱層,起到反射熱量的作用[41]，此外，加入膨脹珍珠巖等輕質(zhì)材料也能夠降低導(dǎo)熱系數(shù)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，材料自身的低導(dǎo)熱性可以阻擋溫度向內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞，延緩鋼結(jié)構(gòu)溫度上升。

(2)MKPC膠結(jié)劑的原材料MgO是一種性能優(yōu)異的耐火材料。它由菱鎂礦高溫煅燒而成，熔點(diǎn)為2 800 ℃，耐高溫、耐腐蝕[42]，被廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、陶瓷等高溫行業(yè)[43]。鎂砂作為耐火材料能夠很好地承受物理和化學(xué)變化，使材料結(jié)構(gòu)在高溫下不會發(fā)生破壞[44]。

(3)MKPC膠結(jié)劑的水化產(chǎn)物(MgKPO4·6H2O)是鳥糞石的同類物質(zhì)[45]。當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)[46]，MKPC膠結(jié)劑中的游離水與水化產(chǎn)物中的結(jié)晶水受熱開始產(chǎn)生蒸汽，在水蒸發(fā)的過程中， MgKPO4·6H2O吸收大部分熱量以提高燃點(diǎn)，從而使包括鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的材料維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度，可以有效延緩火災(zāi)的蔓延。

此外，MKPC膠結(jié)劑不僅具有高黏結(jié)性[47-48]，而且與鋼材之間也具有較好的黏結(jié)力，這是由于可溶性磷酸鹽與鐵反應(yīng)生成了磷酸鐵類化合物[49]，使其與鋼材之間不僅具有物理黏結(jié)，還存在因致密的水化結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的膠結(jié)力，可以有效地避免因鋼材表面涂層脫落而降低防火保護(hù)效果的情況發(fā)生。

4 磷酸鉀鎂(MKPC)膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)勢及發(fā)展前景

目前針對MKPC的研究以其水化機(jī)理、緩凝機(jī)理、力學(xué)性能和耐久性為主，關(guān)于MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究還處于起步階段。MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為一種耐高溫性能優(yōu)異的新型無機(jī)膠凝材料，不僅可以解決目前非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在應(yīng)用中存在的耐久性差、黏結(jié)性不足和環(huán)境污染等問題，還具有早強(qiáng)快硬、黏結(jié)性高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，生產(chǎn)過程中為防止MKPC膠結(jié)劑早期硬化凝結(jié)速度過快，還可通過添加實(shí)驗(yàn)室自配的復(fù)合緩凝劑達(dá)到緩凝效果，從而滿足施工需求。雖然目前以MgO和KH2PO4為原料制備MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究還較少，但因其具有獨(dú)特優(yōu)勢，且隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步和對綠色環(huán)保型材料越來越大的需求，MKPC膠結(jié)劑的應(yīng)用前景將日益廣闊，關(guān)于MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究也必將得到進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)語

(1)MKPC膠結(jié)劑具有早強(qiáng)快硬的特性，用作防火涂料膠結(jié)劑時(shí)，能夠減少涂層面干燥等待時(shí)間，縮短施工工期、提高施工效率；

(2)MKPC膠結(jié)劑作為一種新型綠色環(huán)保材料，在MKPC膠結(jié)劑基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的配制過程中，不會產(chǎn)生刺激性氣體，對環(huán)境友好，符合當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保要求，更加有利于社會的可持續(xù)發(fā)展；

(3)MKPC膠結(jié)劑中的水化產(chǎn)物(MgKPO4·6H2O)在高溫下能夠吸收大部分熱量，使得包括鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的材料維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度，直至材料中的自由水被完全蒸發(fā)；

(4)MKPC膠結(jié)劑是一種具有化學(xué)黏結(jié)性能的無機(jī)膠凝材料，黏結(jié)性較強(qiáng)，能夠保證防火涂料與鋼材之間的黏結(jié)效果，避免鋼結(jié)構(gòu)上防火涂層發(fā)生脫落；

(5)MKPC膠結(jié)劑的性能優(yōu)異，但造價(jià)過高，較普通硅酸鹽水泥高近10倍，給其推廣應(yīng)用造成了阻礙，但憑借優(yōu)異的性能MKPC膠結(jié)劑仍然具有廣闊的發(fā)展前景，而如何降低其造價(jià)將是今后的研究重點(diǎn)。