談防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)防火中的應(yīng)用★

孫海明 楊魯生

(1．煙臺(tái)市萊山公路管理局，山東 煙臺(tái) 264003;2．濰坊市政工程建設(shè)處，山東 濰坊 261031)

鋼結(jié)構(gòu)建筑憑借其自身強(qiáng)度高、空間小、自重低、工業(yè)化程度高、外觀時(shí)尚、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)廠房、高層建筑、大型體育場(chǎng)等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的防火問(wèn)題也就成為建筑學(xué)者亟待解決的重大問(wèn)題之一。鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下直接煅燒一般只能承受15 min，煅燒后其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)大幅降低，影響整個(gè)建筑的承重能力。若不對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火問(wèn)題進(jìn)行合理科學(xué)的防治則很有可能會(huì)對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，因此必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，延緩火勢(shì)蔓延，保護(hù)群眾的生命財(cái)產(chǎn)。目前比較常用的鋼結(jié)構(gòu)防火方法有防火涂料保護(hù)法、防火板保護(hù)法、通水冷卻法等等，其中最為常用的方法為防火涂料法，防火涂料法施工簡(jiǎn)單、粘結(jié)強(qiáng)度高、阻燃性好、裝飾性好，被廣泛應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域。上海東方明珠電視塔以及亞運(yùn)會(huì)新建的體育場(chǎng)都采用了防火涂料保護(hù)法，在使用過(guò)程中表現(xiàn)出了良好的實(shí)用性。

1 防火涂料概述及其主要類型

防火涂料根據(jù)其特性又被稱為阻燃劑涂料，除了具有普通涂料都具有的防腐性、裝飾性以外，還具有不燃性和阻燃性，它能夠在建筑物或周邊環(huán)境發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有效的延滯火勢(shì)蔓延，起到防火作用，防止鋼結(jié)構(gòu)在高溫作用下產(chǎn)生強(qiáng)度衰減，影響整個(gè)建筑的承載能力。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在很大程度上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)起到了屏蔽作用，將其與火焰隔離開(kāi)，我國(guó)防火涂料的研究起步較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)40年的研究和實(shí)踐，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料無(wú)論是在產(chǎn)品品質(zhì)、應(yīng)用范疇以及生產(chǎn)產(chǎn)量方面都取得了很大進(jìn)步，已經(jīng)接近甚至達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。鋼結(jié)構(gòu)防火材料按照防火機(jī)理可以分為膨脹性和非膨脹性，根據(jù)使用范圍又可以分為室內(nèi)型和室外型，根據(jù)分散介質(zhì)不同可以分為溶劑型和水劑型，根據(jù)涂層厚度不同還可以分為厚涂型、薄涂型和超薄型，其中最常用的分類方式就是按照涂層厚度劃分，見(jiàn)表1。

表1 防火涂料按厚度分類

1．1 厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料又稱為鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱噴涂料，就是指防火涂層厚度相對(duì)較厚，一般的使用厚度在8 mm～50 mm之間，厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限最高可達(dá)3 h。厚涂型防火涂料在預(yù)熱后不會(huì)產(chǎn)生膨脹，并具有良好的不燃性和阻燃性，能夠有效吸收周圍環(huán)境中的熱能，延緩鋼結(jié)構(gòu)溫度的升高。厚涂型防火涂料首先要選擇合適的無(wú)機(jī)粘結(jié)材料，將粘結(jié)劑、無(wú)機(jī)輕質(zhì)絕熱材料、防火添加劑以及強(qiáng)度增強(qiáng)材料按照設(shè)計(jì)比例摻合，然后涂抹噴灑在鋼結(jié)構(gòu)材料表面。厚型防火涂料的成分中含有大量的無(wú)機(jī)材料，而且涂料顆粒的密度較小，比表面積相對(duì)較大，熱導(dǎo)率較低，吸熱性能好，在火災(zāi)中的防火穩(wěn)定性較好，具有良好的長(zhǎng)期使用效果，與其他材料相比，厚型防火涂料的造價(jià)還相對(duì)較低。因此，厚涂型防火材料一般用在要求耐火極限大于2 h的鋼結(jié)構(gòu)工程，考慮到其美觀性相對(duì)較差，多用于鋼結(jié)構(gòu)建筑的隱蔽工程以及部分鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中。

1．2 薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通常是指涂層厚度在3mm～7mm之間，具有一定的裝飾性和美觀性，預(yù)熱會(huì)產(chǎn)生膨脹的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，薄涂型防火涂料遇熱后自身會(huì)發(fā)生膨脹并發(fā)泡從而形成一層隔熱防火層保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，延緩鋼結(jié)構(gòu)溫度快速上升。這類防火涂料一般都具有一定的水溶性，在制備時(shí)應(yīng)首先選擇合適的水性聚合物作為溶劑，然后將防火添加劑、阻燃劑、耐火纖維等材料混合在其中，在選擇溶劑時(shí)必須選取與鋼結(jié)構(gòu)材料具有良好附著力的水性聚合物，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中使用較多的水性聚合物主要有聚醋酸乙烯乳液、苯乙烯改性丙烯酸乳液、偏氯乙烯乳液等，這些材料同時(shí)也具有很好的耐水性和耐久性。薄涂型防火涂料中的添加劑和外摻材料通常是分散在溶劑中的，因此溶劑還要起到分散載體的作用，對(duì)于分散能力相對(duì)較差的溶劑還應(yīng)加入適量的分散劑增加其分散介質(zhì)的能力。在生產(chǎn)薄涂型防火涂料時(shí)首先要將各種添加劑及外摻材料分散在水中，將這些材料的混合料研磨成規(guī)定細(xì)度的料漿，然后再將料漿、水性聚合物、防火添加劑、阻燃劑、耐火纖維等混合攪拌均勻，最后添加適量的消泡劑，待其達(dá)到一定強(qiáng)度后噴涂在鋼結(jié)構(gòu)表面。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在遇熱后會(huì)膨脹，自身的發(fā)泡厚度是原涂層厚度的幾十倍，能夠阻斷火焰直接對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加熱，對(duì)鋼材起到保護(hù)作用，其次，涂層膨脹、發(fā)泡等化學(xué)反應(yīng)還會(huì)吸收周圍的熱量，有效降低周邊溫度，發(fā)泡分解出的不燃性氣體還能夠吸附燃燒所產(chǎn)生的自由基，減少可燃燒材料。薄涂型防火材料適用于耐火極限不超過(guò)2 h的鋼結(jié)構(gòu)建筑，并且具有良好的裝飾性，在超薄型防火材料廣泛推廣前得到了大量應(yīng)用。

1．3 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火材料最早是由德國(guó)科學(xué)家首先提出的，它的涂層厚度一般都小于3 mm，超薄型防火涂料的優(yōu)點(diǎn)就是涂料層薄、涂料用量少、成本相對(duì)較低，并且具有較好的防火能力和美觀性。超薄型防火涂料和薄涂型防火涂料一樣，在遇到高溫時(shí)能夠迅速在鋼結(jié)構(gòu)材料表面產(chǎn)生一層輕質(zhì)泡沫隔熱層，能夠有效減少周邊環(huán)境溫度對(duì)鋼材的影響，而且在涂料熔融軟化和發(fā)泡碳化的過(guò)程中都會(huì)吸收熱量，降低鋼材溫度。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要組成成分包括基料樹(shù)脂、發(fā)泡劑、隔熱劑、阻燃劑、成碳催化劑和抑煙劑等，其生產(chǎn)工藝和薄涂型防火材料大致相同。配制超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí)一般是以合成樹(shù)脂為基料，并使用有機(jī)溶劑作為稀釋劑，加入發(fā)泡劑、隔熱劑、阻燃劑、成碳催化劑和抑煙劑等材料，研磨加工至規(guī)定細(xì)度，制成后可直接涂抹在鋼結(jié)構(gòu)表面使用。超薄型防火涂料一般直接噴涂在鋼結(jié)構(gòu)表面，可根據(jù)實(shí)際要求，摻加一定的染料以起到裝飾的作用，多用在耐火極限不超過(guò)2 h的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，特別是大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的外側(cè)，能夠充分發(fā)揮它的裝飾性。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為防火涂料的后起之秀，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用中的問(wèn)題及解決辦法

2．1 防火涂料本身存在不足

近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究也取得了很大進(jìn)步，但是目前市場(chǎng)上流通的各種鋼結(jié)構(gòu)防火涂料還普遍存在一定的質(zhì)量問(wèn)題，與國(guó)外防火涂料市場(chǎng)還存在一定差距。比較明顯的一個(gè)問(wèn)題就是涂料的環(huán)保問(wèn)題，很多涂料在噴涂到建筑鋼材表面后并不穩(wěn)定，會(huì)揮發(fā)出一部分有毒氣體，對(duì)室內(nèi)環(huán)境特別是大型鋼結(jié)構(gòu)建筑空間內(nèi)部造成嚴(yán)重的危害。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，部分熱穩(wěn)定性不好的涂料也會(huì)產(chǎn)生NO2，NH3，CO等有害氣體，如果這些氣體在房間內(nèi)的濃度過(guò)大，就會(huì)對(duì)室內(nèi)人員的身體健康產(chǎn)生不利影響。防火涂料的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一直是國(guó)內(nèi)外專家長(zhǎng)期研究的技術(shù)難題之一，目前大部分防火涂料的物理指標(biāo)及性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都是在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，然而火災(zāi)中的不可預(yù)測(cè)因素較多，因此必須加強(qiáng)對(duì)防火涂料質(zhì)量和性能控制標(biāo)準(zhǔn)的研究，盡快對(duì)國(guó)內(nèi)防火涂料市場(chǎng)進(jìn)行規(guī)范，確保防火涂料具有較高的質(zhì)量和效果。

2．2 在選用防火涂料品種方面存在誤區(qū)

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類型，不同的防火涂料具有不同的特點(diǎn)，其防火性能和適用范圍也大不相同。部分設(shè)計(jì)單位對(duì)防火涂料的了解甚少，不能正確的選取合理、安全、科學(xué)的防火涂料，甚至忽視了防火涂料耐火極限的重要性，還有一部分單位在選取時(shí)分不清室內(nèi)防火涂料和室外防火涂料的區(qū)別，一味的為減小造價(jià)而選取對(duì)室內(nèi)人員有害的涂料作為室內(nèi)防火涂料。在防火涂料選取時(shí)，首先應(yīng)全面了解工程對(duì)防火涂料的要求，然后根據(jù)市場(chǎng)上常見(jiàn)防火涂料的種類和性能選取符合規(guī)范要求的涂料使用，在施工前應(yīng)做好室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)涂料的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。

2．3 防火涂料厚度的確定方法不規(guī)范

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料要想滿足規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求，除了選取合適的防火涂料以外，還要保證其具有足夠的厚度。目前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度并沒(méi)有一個(gè)規(guī)范、準(zhǔn)確的方法，部分單位通過(guò)參照其他工程，或者按照涂料使用說(shuō)明中的厚度來(lái)進(jìn)行防火涂層設(shè)計(jì)，這一方法存在很大的安全隱患，還有部分單位沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)厚度的防火涂層進(jìn)行防火試驗(yàn)驗(yàn)證，缺乏必要的安全性。

要保證防火涂料能夠有效安全的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)起到防火隔熱效果，就必須選取合理的防火涂料類型，并通過(guò)防火試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)層厚進(jìn)行驗(yàn)證。只有這樣才能排除不同升溫條件對(duì)防火涂料耐火極限的影響，保證其安全性、可靠性。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料設(shè)計(jì)實(shí)例

3．1 工程概況

本文選用浙江省某印染廠的新建鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)工程為例，簡(jiǎn)要介紹鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選擇、設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程。該廠房建筑總面積約為15 000 m2，為四跨倒L形鋼結(jié)構(gòu)建筑，廠房主要用于布料的染制及存放，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，布料屬于丙類火災(zāi)危險(xiǎn)性存儲(chǔ)物，故本工程的耐火等級(jí)按二級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范中對(duì)單層二級(jí)耐火等級(jí)工用建筑結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的防火要求，柱的耐火極限為2．0 h，梁的耐火極限為1．5 h，采用的防火涂料設(shè)計(jì)必須滿足規(guī)范要求。

3．2 選擇防火涂料品種

根據(jù)規(guī)范對(duì)梁、柱的耐火極限要求以及工程經(jīng)濟(jì)效益的綜合考慮，可以選用薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或者超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。由于廠房地處海邊工業(yè)區(qū)，氣候潮濕，因此應(yīng)優(yōu)先考慮選用耐久性更好的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

3．3 設(shè)計(jì)防火涂料厚度

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的厚度與鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度具有直接關(guān)系，火災(zāi)中大部分的鋼結(jié)構(gòu)材料都是因?yàn)檫_(dá)到了臨界溫度使其屈服強(qiáng)度降低而產(chǎn)生破壞的，因此要想確定涂料層的厚度就必須首先計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度。計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度可以通過(guò)分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件高溫下的力學(xué)性能經(jīng)公式計(jì)算得出，也可以通過(guò)確定高溫下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能參數(shù)查表得出，還可以通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的升溫公式計(jì)算得出。

在本工程中采用通過(guò)分析鋼結(jié)構(gòu)高溫下力學(xué)性能的方法計(jì)算出臨界溫度，計(jì)算公式如下:Td其中，Td為臨界溫度，℃;σ0為屈服強(qiáng)度，MPa，針對(duì)不同受力構(gòu)件計(jì)算公式不同。1)軸心受壓構(gòu)件。其中，N為軸心壓力，kN;φ為整體穩(wěn)定系數(shù);A為截面形狀系數(shù)。2)受彎構(gòu)件。其中，MX，MY為繞 X，Y 軸彎矩，MPa;γX，γY為截面塑性發(fā)展系數(shù);WX，WY為凈截面模量。通過(guò)上述公式計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)廠房柱、梁的臨界溫度，經(jīng)計(jì)算梁的最不利臨界溫度為541℃，柱的最不利臨界溫度為573℃，最后選取該鋼結(jié)構(gòu)廠房的臨界溫度為541℃。求得臨界溫度后，即可以通過(guò)公式計(jì)算出防火涂層的設(shè)計(jì)厚度，公式如下:

其中，di為涂層設(shè)計(jì)厚度，mm;λi為等效熱傳導(dǎo)系數(shù);Td為臨界溫度，℃;t為耐火極限時(shí)間，h;Fi為單位長(zhǎng)度構(gòu)件的受火面積，m2/m;V為單位長(zhǎng)度構(gòu)件的體積，m3/m。將計(jì)算得出的臨界溫度代入上公式，經(jīng)計(jì)算得超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的設(shè)計(jì)層厚為2．27 mm。通過(guò)室內(nèi)性能試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證2．27 mm設(shè)計(jì)厚度滿足要求，可以采用。

3．4 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料施工

首先對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行除塵、除銹，因環(huán)境潮濕，可以考慮在構(gòu)件表面涂抹防銹漆，清理完畢后涂刷防火涂料，分多層進(jìn)行涂刷，每層涂刷厚度為0．4 mm，每層的作業(yè)間隔時(shí)間不小于12 h，并保證良好的通風(fēng)條件。監(jiān)督人員必須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，保證防火涂層能夠有效的保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)創(chuàng)新和不斷推廣，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的應(yīng)用前景將越來(lái)越廣闊，對(duì)于當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)防火涂料市場(chǎng)中存在的問(wèn)題，我們必須認(rèn)真對(duì)待，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。對(duì)于新型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究是提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限、加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)建筑防火能力的有效途徑，我們要勇于借鑒、刻苦鉆研，積極研發(fā)性能優(yōu)良的防火涂料，更好地保護(hù)國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

［1］王廣乾，李正建．談防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用［J］．工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012(7):140-143．

［2］李 風(fēng)．鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的性能測(cè)試方法和配方設(shè)計(jì)研究［J］．涂料工業(yè)，2010(2):45-47．

［3］張雪芹．建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究及選型設(shè)計(jì)［J］．裝飾裝修材料，2003(10):53-56．

［4］GB/T 50016-2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］．