摘要：本文旨在探討防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用和相關(guān)耐火性能分析的方法。針對建筑物和工業(yè)設(shè)施中的鋼結(jié)構(gòu)，防火涂料被廣泛應(yīng)用，以增強鋼材的耐火性能。本文首先對防火涂料的分類特性進行了概述，并探討了其在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用領(lǐng)域和我國目前的應(yīng)用現(xiàn)狀。其次，簡明介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的幾種耐火性能分析方法。最后，對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在未來的發(fā)展趨勢做出展望。

關(guān)鍵詞：防火涂料；鋼結(jié)構(gòu)；耐火性能；阻燃；發(fā)展趨勢

引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域和工業(yè)設(shè)施的材料，具有重要的結(jié)構(gòu)功能和承載能力。然而，一旦遭遇火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)的性能將大幅下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。因此，如何保護鋼結(jié)構(gòu)免受火災(zāi)侵害，成為建筑行業(yè)關(guān)注的焦點。防火涂料作為一種有效的防火措施，通過形成耐火層保護鋼結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能。

一、防火涂料

（一）防火涂料分類

防火涂料自1837年問世以來，衍生出了許多種類。本文根據(jù)前人的相關(guān)文獻[1-2]，總結(jié)出幾種防火涂料的分類方法。防火涂料依據(jù)其防火機理的不同可以分為膨脹性防火涂料和非膨脹性防火涂料，目前絕大多數(shù)都是膨脹性防火涂料。防火涂料按使用范圍可以分為室內(nèi)防火涂料和室外防火涂料。前者主要應(yīng)用在建筑內(nèi)部裝飾材料、輪船汽車等交通運輸工具內(nèi)部，后者主要應(yīng)用在建筑外墻壁、鋼結(jié)構(gòu)等場所。防火涂料按照涂層厚度的不同可分為超薄型、薄型和厚型三種。防火涂料若按添加阻燃劑的方式來劃分，可以分為添加型防火涂料和反應(yīng)型防火涂料。

（二）防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

1.防火涂料的特性[3]

防火涂料具有以下主要特性：防火性能、附著力、耐候性和耐久性。防火性能是衡量防火涂料效果的重要指標(biāo)，通常根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進行評估。[4] 附著力是衡量涂料與鋼結(jié)構(gòu)之間粘結(jié)強度的指標(biāo)，良好的附著力可以確保涂層長期穩(wěn)定附著在鋼結(jié)構(gòu)表面。耐候性和耐久性是指涂料在不同氣候條件下的耐久性能，包括抗紫外線、耐鹽霧和防腐蝕等能力。

2.防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用領(lǐng)域

防火涂料在各類建筑物和工業(yè)設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。[5]其中包括商業(yè)建筑、住宅建筑、大型公共設(shè)施、工廠和化工廠等。鋼結(jié)構(gòu)常用于承重部位，如梁、柱和懸掛裝置等，在這些區(qū)域施加防火涂料能夠有效延緩鋼結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速度，從而提供額外時間用于火災(zāi)撲滅和疏散。

3.防火涂料的工作原理和應(yīng)用方法

防火涂料的工作原理通常包括兩個方面：火焰抑制和熱隔離。[6]火焰抑制是指防火涂料中的化學(xué)成分在火災(zāi)發(fā)生時釋放出氣體或涂料體系產(chǎn)生水蒸氣等，形成吸熱和緩慢燃燒的條件，從而起到阻止火勢蔓延的效果。熱隔離是指防火涂料中添加的高溫保護層能夠隔離鋼結(jié)構(gòu)和火源之間的高溫傳導(dǎo)。

防火涂料的應(yīng)用方法一般包括刷涂、噴涂和浸漬三種方式。[7]根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的不同，選擇合適的涂料和施工方式能夠確保涂層的均勻性和完整性。

（三）我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用現(xiàn)狀

在我國，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，對防火涂料的需求也不斷增加。目前，我國使用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料以有機防火涂料為主，涂料型和涂裝型防火涂料得到廣泛應(yīng)用，有機防火涂料具有裝飾性好、施工方便等特點，適用于各類建筑結(jié)構(gòu)。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析方法

耐火性能是衡量防火涂料在火災(zāi)中應(yīng)用的一項重要性質(zhì)，也是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的重要性能，通常以防火涂料的涂層厚度和其對應(yīng)的耐火極限來表示。鋼結(jié)構(gòu)在高溫下會受熱產(chǎn)生嚴重的變形，繼而導(dǎo)致力學(xué)性能的惡化和喪失，引發(fā)事故，因此對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析十分關(guān)鍵。[8]目前，我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能測試和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定都要依據(jù)現(xiàn)行階段所采用的國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB14907-2018）。本文主要介紹鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能分析的幾種常用實驗室分析方法。

（一）錐形量熱儀分析法

錐形量熱儀對于燃燒中的防火涂料具有多項功能的測試，可測試防火涂料的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、有效燃燒熱、生煙速率、總生煙量等參數(shù)，這些參數(shù)在鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全工程與設(shè)計和防火涂料阻燃性能的研究中都非常重要，其應(yīng)用十分廣泛。[9]經(jīng)過不斷改善與發(fā)展，錐形量熱儀現(xiàn)已成為研究材料燃燒性能最重要的實驗儀器之一，錐形量熱儀分析法也成為火災(zāi)科學(xué)中十分重要的耐火性能分析方法。錐形量熱儀的燃燒環(huán)境與真實的火災(zāi)環(huán)境十分相似，其測試數(shù)據(jù)可進一步研究鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的燃燒生煙過程與阻燃機理。

（二）熱分析方法

所謂熱分析是指在程序控制溫度下測量材料的物理性質(zhì)和溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)。[10]許多與熱物理性質(zhì)有關(guān)的分析方法都可歸類為熱分析方法。國際熱分析學(xué)會將熱分析技術(shù)分為9類17種，其中熱重分析法（TG）、差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱技術(shù)（DSC）的應(yīng)用最為廣泛，也是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在熱分析技術(shù)應(yīng)用的主要范疇。其中薄型和超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料用到的多數(shù)是膨脹性阻燃體系，[11]杜建科等利用DSC、TGA、DTA等方法分析了一系列膨脹性阻燃體系的組分及過程，解釋了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的機理，對深入研究鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全設(shè)計有巨大作用。

（三）紅外光譜分析方法

傅里葉紅外光譜法（FT-IR）是利用傅里葉紅外光譜儀來測試防火涂料在燃燒前后的分子變化，以此對防火涂料中各組分展開性能分析。[12]傅立葉紅外光譜的特點是檢測靈敏度高，測量精度高，分辨率高及測量波段寬，全波段內(nèi)分辨率一致，這些特點可以極大幫助分析鋼結(jié)構(gòu)防火涂料各組分組成。[13]馮偉華、唐波等以水性丙烯酸樹脂為基體， 聚磷酸胺、季戊四醇和三聚氰胺為膨脹阻燃體系， 加入少量氧化石墨烯制備水性膨脹防火涂料。利用紅外光譜分析法觀察到在加入氧化石墨烯的涂層的殘?zhí)恐校?200cm-1左右的—OH吸收峰和1460cm-1左右的—CH2的彎曲振動峰更加明顯，且出現(xiàn)了其他特征吸收峰，進而證明氧化石墨烯和季戊四醇的阻燃效果。

（四）X射線衍射分析方法

X射線衍射分析（XRD）是利用晶體形成的X射線衍射，對物質(zhì)進行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。[14]研究晶體材料時，X射線衍射方法非常理想、有效，所以X射線衍射法被認為是研究固體最有效的工具。[15]劉志碩等利用X射線衍射分析對膨脹防火涂料碳層進行了表征，通過繪制ZrN-4的XRD譜圖，發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)晶峰，表明生成了焦磷酸鹽類物質(zhì)，使得碳層保存更好，提升了阻燃性能。

（五）傳統(tǒng)阻燃分析方法

傳統(tǒng)的阻燃測試實驗方法種類繁多，從微尺度、小尺度一直到大尺度實驗。大尺度實驗雖然更加接近真實火災(zāi)，但耗資巨大且難以把控，因此最為廣泛使用的還是小尺度實驗。其中，氧指數(shù)測試方法和UL-94測試方法被廣泛應(yīng)用于防火涂料的質(zhì)量控制和性能測試中。氧指數(shù)法（OI）是在評價塑料與紡織材料的燃燒中提出來的，其燃燒結(jié)果重現(xiàn)性較好；UL-94法則多用于評價材料燃燒性能，在國際上享有較高的權(quán)威性，受到了普遍認可。

三、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料未來的發(fā)展方向和前景

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：高溫耐火性能的提升：不斷研究新型防火材料和配方，提高防火涂料的耐高溫性能，延長鋼結(jié)構(gòu)耐火時間。環(huán)境友好型防火涂料：研發(fā)低VOC（揮發(fā)性有機化合物）和無毒無害的防火涂料，減少對環(huán)境的污染和人體的危害。裝飾性能的提升：改善無機防火涂料的裝飾性能，使其能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)的裝飾要求。施工性能的改進：提高防火涂料的施工性能，使其更易施工和操作，降低施工難度和成本。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有廣闊的市場前景，尤其是在高層建筑、工業(yè)設(shè)施和公共場所等領(lǐng)域的需求將持續(xù)增長。

結(jié)語

防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的實踐和研究證明。通過形成耐火層，防火涂料能有效提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，保護建筑物和工業(yè)設(shè)施免受火災(zāi)侵害。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析也可以經(jīng)過多種方法檢驗，從而進一步研究和實踐并完善鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的性能和應(yīng)用方法，推動其在工程領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻

[1]王農(nóng)，李靜萍，施琪.防火涂料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，2002（06）：106-108.

[2]汪源，朱金華，陳兆文，等.防火涂料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].材料保護，2006（03）：39-42+77.

[3]Sengupta，S.Fire resistant coatings for steel structures as passive fire protection measures： a review. Journal of Structural Fire Engineering， 2016，7（01）： 40-57.

[4]Wang Y，Tran H L.Fire performance of intumescent coating systems on steel structures： a review. Journal of Hazardous Materials， 2019：255-280.

[5]Tsujino T，Ezhilan A E.Exploratory studies on water-based intumescent fire protective coating for steel structures. Procedia Engineering， 2018：181-188.

[6]Li C Q， Wu K， Zhang L.The fire resistance period estimation of structural steel frame under different fire loads with intumescent coatings.Journal of Hazardous Materials， 2019：602-613.

[7]Zhang Q，Tan L，Liu B，et al.Performance of high-performance hybrid coatings for passive fire protection of structural steel.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（01）.

[8]李風(fēng)，覃文清.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究和應(yīng)用[J].涂料工業(yè)，1999（03）：33-36.

[9]舒中俊，徐曉楠，楊守生，等.基于錐形量熱儀試驗的聚合物材料火災(zāi)危險評價研究[J].高分子通報，2006（05）：37-44+78.

[10]孫利杰.熱分析方法綜述[J].科技資訊，2007（09）：17.

[11]杜建科，盧艷萍，陳健.差示掃描量熱法分析防火涂料的膨脹體系[J].材料保護，2002（08）：5-7.

[12]馬春妹.FT-IR紅外光譜法在涂料工業(yè)中的應(yīng)用[J].上海涂料，2002（03）：35-38+4.

[13]馮偉華，唐波，張勝，等.氧化石墨烯提高鋼結(jié)構(gòu)水性膨脹防火涂料的防火性能研究[J].涂料工業(yè)，2018，48（11）：37-41.

[14]胡林彥，張慶軍，沈毅.X射線衍射分析的實驗方法及其應(yīng)用[J].河北理工學(xué)院學(xué)報，2004（03）：83-86+93.

[15]劉志碩，馮偉華，張勝，等. 氮化鋯對水性環(huán)氧膨脹防火涂料防火性能影響的研究[C].中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所第一屆建筑防火大會優(yōu)秀論文集，2022.

作者簡介：姜奕豪（2003- ），男，漢族，山東招遠人，本科，研究方向：安全工程。