鋼結構防火涂料在建筑防火中的應用

黃康奇

廣東水電二局股份有限公司 511340

摘要：目前，對鋼結構實施保護的主要方法之一，就是在鋼結構表面施涂鋼結構防火涂料。當遇到火災時，防火涂料作為一種隔熱層，使溫向鋼結構的傳導速度大大降低，從而贏得消防滅火時間，以利于人員安全疏散，避免和減輕火災損失。因此，鋼結構防火涂料正在得到到廣泛而深入的應用。本文簡單介紹了鋼結構防火涂料，尤其是膨脹型鋼結構防火涂料的機理及應用。

關鍵詞：鋼結構防火涂料；應用；問題

0引言

隨著城市化建設和工業(yè)化的飛速發(fā)展，鋼結構在超高層、大跨度建筑如工業(yè)廠房、影劇院、候機樓、商場、體育館及大型工業(yè)，如石油、化工等行業(yè)被廣泛采用。鋼結構具有強度高、質量輕、抗震性能好，施工周期短，建筑工業(yè)化程度高，空間利用率大等優(yōu)點。因此鋼結構在國民生活中，占據著非常重要的地位。鋼材雖是一種不燃燒的材料，卻是熱的良導體。鋼材的機械強度隨著溫度的升高而降低，承載狀態(tài)下的失效臨界溫度為540℃。未加防火保護的鋼結構遭遇火災只需10多分鐘，自身溫度就會上升到540℃以上，在縱向壓力和橫向壓力作用下，扭曲變形，而失去支撐能力導致建筑物跨塌損毀。鋼結構失火變形跨塌多導致群死群傷。因此，鑒于鋼結構自身缺陷及其在現代生活中的重要作用，必須對鋼結構實施有效的防火保護。

1、鋼結構防火涂料運用的必要性

鋼結構作為建筑結構的一種形式，以其強度高、質量輕，并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特點，目前被廣泛應用于賓館、飯店、展覽館等民用公共建筑和廠房、倉庫等工業(yè)建筑。由于鋼結構自身不燃，鋼結構的防火隔熱保護問題曾一度被人們忽視，在火災的作用下，鋼結構構件溫度達到350℃、500℃、600℃時，強度分別下降1/3、1/2、2/3，鋼材的力學性能，諸如屈服點、抗壓強度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，很快失去支撐能力，導致建筑物垮塌，因此鋼結構建筑一旦發(fā)生火災往往造成群死群傷等惡性火災事故的發(fā)生。美國世貿中心大樓是典型的鋼結構高層建筑，其主樓呈雙塔形，使用鋼材7.8萬噸，樓的外圍有密置的鋼柱，墻面由鋁板和玻璃窗組成，素有“世界之窗”之稱?！?.11”恐怖襲擊中，在大火的作用下主樓僅僅經過30分鐘便轟然倒塌，造成了死亡2797人、損失360億美元的舉世震驚慘案。因此做好鋼結構的防火措施，對于杜絕群死群傷惡性火災事故具有十分重要的現實意義。

2、鋼結構防火涂料的基本機理

從燃燒的條件知道，要使燃燒不能進行，必須將燃燒的三個要素（可燃物、氧氣、熱源）中的任何一個要素隔絕開來。因此防火涂料之所以可以防火（阻燃），大致可以歸納為以下幾點：

（1）防火涂料本身具有難燃或不燃性，使之防火保護體系在火災條件下不易自身燃燒。

（2）防火涂料遇火受熱分解放出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護基材周圍的易燃氣體和空氣中的氧氣，抑制火焰燃燒。

（3）燃燒被認為是游離基引起的連鎖反應。而含氮、磷的防火涂料受熱分解放出一些活性自由基團，與有機自由基結合，中斷連鎖反應，降低燃燒速度。

（4）膨脹防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層致密泡沫隔熱層，封閉被保護的鋼基材，阻止鋼基材溫度升高。

3、鋼結構涂料的分類及運用

裸露鋼結構的防火涂料涂覆保護已開展多年，目前，國內鋼結構涂料主要分為厚涂型鋼結構防火涂料、薄涂型鋼結構防火涂料、超薄型鋼結構防火涂料。隨著技術水平的不斷提高，所采用的鋼結構防火涂料品種從含短纖維的噴涂料（膨脹型），逐漸過渡到不含纖維的薄型鋼結構防火涂料（油性的防火漆和水性的防火乳膠漆），不僅是防火性能得到進一步提高，最重要的是防火涂層的理化性能和裝飾性能大大改善。

3.1厚涂型鋼結構防火涂料

厚涂型鋼結構防火涂料是指涂層厚度在8毫米～50毫米的涂料，這類防火涂料的耐火極限可達0.5小時～3小時。在火災中涂層不膨脹，依靠材料的不燃性、低導熱性或涂層中材料的吸熱性，延緩鋼材的升溫，保護鋼件。這類鋼結構防火涂料采用合適的粘結劑，再配以無機輕質材料、增強材料。對于全鋼結構高層建筑，從耐久性和防火性考慮，宜選用厚涂型鋼結構防火涂料。如原美國世貿中心工程，上海金茂大廈等。但這類產品由于涂層厚，外觀裝飾性相對較差。

3.2薄涂型鋼結構防火涂料

涂層厚度在3毫米～7毫米的鋼結構防火涂料稱為薄涂型鋼結構防火涂料。該類涂料受火時能膨脹發(fā)泡，以膨脹發(fā)泡所形成的耐火隔熱層延緩鋼材的升溫，保護鋼構件。這類鋼結構涂料一般是用合適的乳膠聚合物作基料，再配以阻燃劑、添加劑等組成。對這類防火涂料，要求選用的乳液聚合物必須對鋼基材具有良好附著力、耐久性和耐水性。常用作這類防火涂料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性的丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。為了使粒狀的各種添加劑能更好地分散，還加入分散劑，如常用的六偏磷酸鈉等。

3.3超薄型鋼結構防火涂料

3.3.1超薄型鋼結構防火涂料概念及運用。超薄膨脹型鋼結構防火涂料指防火涂層厚度在3mm以下，以溶劑型為主，具良好的裝飾和理化性能，受火時膨脹發(fā)泡形成致密、強度高的防火隔熱層，該防火隔熱層極大地延緩了被保護鋼材的溫升，提高鋼結構構件的耐火極限，為一類新型防火涂料。超薄膨脹型鋼結構防火涂料一般使用在耐火極限要求在2.5h以內的建筑鋼結構上. 目前國內外，已出現了耐火性能達到或超過2小時的超薄型鋼結構防火涂料新品種。目前各種輕鋼結構、網架等多采用該類型防火涂料進行防火保護。由于該類防火涂料涂層超薄，工程中使用量較厚型、薄型鋼結構防火涂料大大減少，從而降低了工程總費用，又使鋼結構得到了有效的防火保護。與厚涂型和薄涂型鋼結構防火涂料相比，超薄型膨脹鋼結構防火涂料黏度更細、涂層更薄、施工方便、裝飾性更好，在滿足防火要求的同時又能滿足高裝飾性要求。

3.3.2超薄型鋼結構防火涂料的基本組成。（1）成膜劑。成膜劑對膨脹型防火涂料的性能有重大的影響。它與其它組分匹配，既保證涂層在正常工作條件下具有各種使用性能，又能在火焰或高溫作用下使涂層具有難燃性和優(yōu)異的膨脹效果；（2）催化劑。催化劑的主要作用是促進和改變涂層的熱分解進程，如促進涂層內含羥基的有機物脫水炭化形成不易燃的三維空間結構的炭質層，減少熱分解產生的焦油、醛、酮的量，阻止放熱量大的炭氧化反應發(fā)生等；（3）成炭劑。成炭劑是形成三維空間結構不易燃的泡沫炭化層的物質基礎，對泡沫炭化層起著骨架的作用，它們是一些含高碳的多羥基化合物，如淀粉、季戊四醇、雙季戊四醇、含羥基的樹脂等；（4）發(fā)泡劑。膨脹型防火涂料的特點是涂層遇熱時，能放出不燃性的氣體，如氨、二氧化碳、水蒸汽、鹵化氫等，使涂層膨脹起來，并在涂層內形成蜂窩狀泡沫結構。這些是靠發(fā)泡劑來實現的；（5）無機顏填料。對膨脹型防火涂料來說，含無機填料的比例較少，因其含量過高，會影響涂層的發(fā)泡高度，從而達不到隔熱的目的；（6）其它成分包括少量的有機膨潤土、消泡劑和流平劑等。

3.3.3超薄型鋼結構防火涂料的作用過程。（1）平穩(wěn)階段：這一階段為室溫20℃～230℃，這期間失重僅為2%左右，主要是涂料中未揮發(fā)的溶劑和其它易揮發(fā)份，涂料的表層起火，這主要是涂料內的揮發(fā)份著火所致。此時，涂料中的成膜物質開始熔融軟化；（2）發(fā)泡炭化階段：這一階段為230℃～420℃，這期間失重為43%左右，這階段是涂料發(fā)揮作用的過程，主要是涂料中防火阻燃體系中的發(fā)泡劑三聚氰胺首先熱分解，釋放出不燃性氣體NH3，同時成膜物質中部分成分分解產生NH3、HCl和水蒸氣等促使第一階段已熔融軟化的成膜物質持續(xù)地膨脹發(fā)泡，形成泡沫層，此時脫水催化劑聚磷酸銨分解成聚偏磷酸，與成炭劑雙季戊四醇、成膜物質等含羥基有機化合物發(fā)生化學反應，脫水成炭，在泡沫層中形成炭骨架，最后生成致密堅硬的黑色蜂窩狀炭化層。因此可以有效的隔絕外部熱源，保護鋼結構基材；（3）失炭階段：這一階段為420℃～770℃，這期間失重為18%左右，這主要是炭化層中的碳逐漸被氧化成CO2而逸出體系，同時有一部分炭化層由于附著力不夠而被氣流帶走；（4）無機層階段：這一階段為770℃～1000℃以后，這期間失重為0.24%左右，這主要是炭化層中碳被氧化逸出后，剩余的約37%的無機材料形成了白色無機骨架，防火涂料在火場后期（大約45分鐘以后），主要是這些無機骨架在起到防火隔熱的作用。

4結束語

綜上，鋼結構防火涂料，還需要向著超薄、超耐候性能、裝飾性能優(yōu)良的方向發(fā)展。一是研制和開發(fā)高耐候性的室外超薄型鋼結構防火涂料。二是開發(fā)復合高效低水溶性的催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑。三是通過樹脂的復配或接支改性來改善防火涂料的防火性能和各種理化性能。四是將膨脹型和非膨脹型進行有機的結合，使涂層在高溫下形成低膨脹率的高強度炭化層。五是將新技術應用到防火涂料中去，例如，將納米阻燃材料加入防火涂料體系中將會的到意想不到的效果。六是將廢物利用與防火涂料的開發(fā)有機的結合起來。

參考資料：

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[2] 秦漢民.防火涂料的防火原理和應用.《天津消防》. 2003年.

[3]李新華 .《鋼結構防火涂料的運用》 . 《科技創(chuàng)業(yè)月刊》.2005年第4期.

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