關于鋼結構防火涂料的研究進展

熊宇微

摘要：鋼結構防火涂料在我國最近幾年發(fā)展迅猛，本文簡單介紹了鋼結構的防火要求、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，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。最后對鋼結構防火涂料的研究進展做出了總結。

關鍵詞：鋼結構；防火涂料；超薄型防火涂料；發(fā)展趨勢

概述

鋼結構作為現代建筑工程中較普遍的結構形式之一，就因為它的特點是強度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜；材料勻質性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載；建筑工期短；其工業(yè)化程度高，可進行機械化程度高的專業(yè)化生產。雖然鋼結構具有諸多優(yōu)點，但卻有一個重大弊病：不耐火。鋼結構通常在450～650℃溫度中就會失去承載能力、發(fā)生很大的形變、導致鋼柱、鋼梁彎曲，結果因過大的形變而不能繼續(xù)使用，一般不加保護的鋼結構的耐火極限為15分鐘左右。為克服鋼材這一弱點，就須對鋼結構進行必要的防火處理，以便將鋼結構中各建筑構件的燃燒性能及耐火極限提高到規(guī)范要求范圍。

1.鋼結構防火的要求

在國家標準《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（2015版）中，對建筑物的耐火等級及相應的構件的耐火極限作出了具體的規(guī)定：在設計和施工過程中只要保證各鋼結構構件的耐火極限能夠達標即可。

2.鋼結構防火的方法

現有的鋼結構防火的方法有很多種，主要有兩個方面的防火：失火前的防火和失火后保護措施。失火后的保護措施主要是疏導法。失火前的防火從原理來分主要可以分為屏蔽和噴涂法。

屏蔽法是將鋼結構設置在耐火材料里，然后在特殊部位設置防火屏障，將火源隔開。這樣將會加重鋼結構自重，不利于高層、大型建筑。

疏導法允許熱流量傳到鋼構件上，然后設法把熱量導走或消耗掉，從而使構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構的表面，這個方法最經濟有效，而且不會加重鋼結構本身的自重，適用各種鋼結構工程。

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，它還具有較低的導熱系數，可以延遲火焰溫度向被保護基材的傳遞。

（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，與有機游離基化合，中斷連鎖反應，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，根據基料的不同可分為有機和無機兩大類；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、顏料的配制以適應不同的使用需求。超薄型鋼結構防火涂料中的多數產品屬于溶劑型，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的粘結強度、耐候、耐水性好，在受熱后會緩慢的膨脹并發(fā)泡形成一層致密堅硬的隔熱層，從而使鋼結構的內部溫度降低在耐火極限一下，有效的保護鋼材。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。因此在此基礎上開發(fā)復合型的超薄防火涂料成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。

目前國外的代表性防火涂料：英國的Nullitifer鋼結構防火涂料；德國的佑民生和柏茲鋼結構防火涂料；加拿大A/Dfirefilm防火涂料等。國內的產品主要有：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）等超薄膨脹型鋼結構防火涂料。

當前，由于中國加入世貿組織，在國際上的地位也是越來越高，面對地球生態(tài)環(huán)境、溫室效應等問題的嚴峻，加之中國國情需要我們堅持可持續(xù)發(fā)展的方針。因此，鋼結構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，就要求鋼結構防火涂料生產工業(yè)從原材料生產、涂料生產、施工、殘留物處理等全部過程的能耗、物耗、廢物排放進行量化計算，特別是考察防火涂料燃燒產物的毒性，以達到全面評估鋼結構防火涂料的環(huán)保指標。隨著科技的發(fā)展，納米、可膨脹石墨材料的開發(fā)與應用為鋼結構防火涂料的發(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、可膨脹石墨層間的插層物質（H2SO4）與石墨發(fā)生氧化還原反應放出氣體，使石墨體積膨脹增大數百倍。這樣新型材料提高鋼結構防火涂料的阻燃性能，并最大限度地節(jié)約資源和能源，減少對生態(tài)環(huán)境的污染，推動鋼結構防火涂料向環(huán)境友好型、無機水性和生態(tài)型的發(fā)展。

5.鋼結構防火涂料應用的不足

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中，火災的發(fā)生又是不可預測的，在發(fā)生火災前的這段時間防火涂料或多或少的會分解、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)生劇烈的化學反應膨脹形成疏松，致密的炭化層，劇烈的化學方應使涂料防火隔熱層成為非穩(wěn)定的傳熱過程，同時又必須要求反應過程復雜，所以在苛刻的火災環(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，，這些有毒氣體對未及時逃離火場人員及消防滅火人員產生危害。

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。未來的產品也應該具有更耐久、更穩(wěn)定、更安全的方向發(fā)展。

6.結論

雖然我國鋼結構防火涂料的開發(fā)研究要比工業(yè)發(fā)達國家晚20年左右，但就普遍采用的主要指標防火性能而言，發(fā)展速度較快。目前，我國超薄型鋼結構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一步提高，因此在研究提高防火性能的同時應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，因此對水性型以與新型（石墨、納米）超薄膨脹型型鋼結構防火涂料進一步研究具有重要意義。（作者單位：重慶交通大學土木建筑學院）

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