鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能評價方法及產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險分析

陳大勇 李澤剛 王璐 方然 傅敬偉

摘要：本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理，闡述了目前應(yīng)用的幾種評價鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的方法;提出了防火涂料在生產(chǎn)、流通、使用中主要存在的風(fēng)險點(diǎn)，并針對該風(fēng)險點(diǎn)提出了風(fēng)險監(jiān)測建議和措施。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料;防火性能;評價方法;風(fēng)險分析

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度、易安裝、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。雖然鋼為不燃材料，但是當(dāng)溫度達(dá)到600℃時，鋼結(jié)構(gòu)會逐漸失去承載能力。而在火場中，通常會在10min內(nèi)達(dá)到800℃以上的溫度，若不加任何保護(hù)，裸露的鋼結(jié)構(gòu)很快會出現(xiàn)變形，產(chǎn)生局部破壞，最終失去承載力[1]。因此，通過有效的措施對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)對保障人民的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是一種由基體樹脂、成碳劑、催化劑、發(fā)泡劑組成的涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面，起提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的涂料。由于其防火隔熱性能好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)。目前，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的市場需求每年在2萬噸以上，累計(jì)使用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料已達(dá)20余萬噸，保護(hù)面積數(shù)百萬平方米;其生產(chǎn)和施工涉及的單位超2000余家[2]。本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理、防火性能的檢測方法，對其在使用過程中的安全問題進(jìn)行風(fēng)險分析，對綜合評價鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火性能提出了建議。

一、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按防火機(jī)理可分為膨脹型和非膨脹型[3]。

其中，膨脹型的防火機(jī)理為：（1）涂料中含有碳源、酸源、碳化劑、發(fā)泡劑等成分，在受熱過程中分解產(chǎn)生氣體，形成膨脹發(fā)泡層，起到隔絕氧氣的作用，并且因?yàn)槠渑菘捉Y(jié)構(gòu)的存在，降低了熱量的傳遞，從而起到保護(hù)基體的作用;（2）膨脹發(fā)泡過程是一個吸熱過程，能降低基體表面的溫度，起到隔熱作用[4-5]。

非膨脹型的防火機(jī)理為：（1）涂料主要成分為無機(jī)絕熱材料，自身不燃，導(dǎo)熱率低，延滯了熱量傳向被保護(hù)基材的速度;（2）涂料中的某些組分遇火相互反應(yīng)，生成不燃?xì)怏w，該過程是吸熱反應(yīng)，消耗了大量的熱，有利于降低體系溫度;（3）涂料在高溫下形成一種致密結(jié)構(gòu)，能有效隔絕氧氣并具有反射熱量作用， 延緩鋼結(jié)構(gòu)升溫[6-7]。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的檢測方法

（一）國標(biāo)中規(guī)定的檢測方法

GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》是我國現(xiàn)行關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的檢測方法，其實(shí)施過程可概括為：選用HN 400×200熱度H型鋼和36b工字鋼進(jìn)行試件制作。在試驗(yàn)前先測定涂層厚度，然后再按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加載、耐火試驗(yàn)。最終判定條件為試件的最大彎曲變形與平均溫度。雖然該方法是目前國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法，但筆者認(rèn)為該方法存在以下幾點(diǎn)弊端：1.試驗(yàn)過程復(fù)雜、周期長、成本高;2.只考察了耐火性能，實(shí)際在發(fā)生火情時，防火涂料受火后可能會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，該因素同樣應(yīng)該考慮;3.該方法對生產(chǎn)企業(yè)初次生產(chǎn)進(jìn)行型式檢驗(yàn)時還適用，但對工程驗(yàn)收時，受其試驗(yàn)周期等影響，很難有實(shí)際應(yīng)用。

（二）標(biāo)準(zhǔn)外的檢測方法

1.錐形量熱儀法

錐形量熱儀是一種表征材料燃燒性能的較為理想的儀器，其試驗(yàn)參數(shù)包括：點(diǎn)燃時間（TTI）、總釋放熱（THR）、釋熱速率（HRR）、煙及毒性參數(shù)等。由于其試驗(yàn)環(huán)境與火災(zāi)材料的真實(shí)燃燒環(huán)境接近，所測得的參數(shù)可用來評價材料在火災(zāi)中的燃燒行為。其應(yīng)用主要包括：評價材料的燃燒危害、研究阻燃機(jī)理以及進(jìn)行火災(zāi)模型研究。埃弗森·坎德雷[8]等人通過錐形量熱儀的方法研究了不同的涂料配方，在不同的輻射功率（25、50、65 kW/m2）下的燃燒行為，其主要評價指標(biāo)包括點(diǎn)燃時間、最大熱釋放速率以及達(dá)到最大熱釋放的時間。點(diǎn)燃時間越短、熱釋放速率越大，則火災(zāi)危害性越大。此外，錐形量熱儀中測定的比消光面積（SEA），可以表征燃燒過程中的發(fā)煙量動態(tài)參數(shù)，因此可對煙氣進(jìn)行一定程度的評價。

2.熱分析法

膨脹型防火涂料的防火機(jī)理多為在受熱過程中分解產(chǎn)生氣體，通過熱分析方法（DSC、TGA和DTA）可以研究體系在受熱過程中隨著溫度變化，體系發(fā)生變化的動態(tài)過程。明建耀[9]等人通過TGA的方法研究了一種水性膨脹防火涂料的防火性能，其評價指標(biāo)主要為殘?zhí)贾亓?。但是該方法是一種微量測試方法，用量評價防火涂料的防火機(jī)理可以，但不適用于直觀評價防火性能，因?yàn)槠湓囼?yàn)環(huán)境與真實(shí)火災(zāi)環(huán)境相差較大。但可作為其他評價方法的一種輔助手段。

3.掃描電鏡法

掃描電鏡（SEM）主要用來觀察涂料燃燒過后炭化層的表面形貌，尤其對膨脹型防火涂料，由于其防火性能與其膨脹程度有密切關(guān)系，通過觀察炭化層的泡孔形貌，可以側(cè)面反映出其防火性能。王國建[10]等人就通過SEM的方法研究了在水性膨脹防火涂料中加入玻璃鱗片（GF）可以改善涂層的泡孔結(jié)構(gòu)，最終有利于防火性能的提高。

4.紅外光譜法

紅外光譜可用來表征分子結(jié)構(gòu)，研究防火涂料在燃燒前后經(jīng)歷的變化，從而推斷其阻燃機(jī)理。狄志剛[11]等采用紅外光譜法研究了以自制的阻燃抑煙劑制備的羥基有機(jī)硅單體和羥基丙烯酸樹脂為主要基料的防火涂料，通過–Si–O–鍵的吸收峰變化來評價其防火性能。

雖然以上幾種方法在一些科研工作中有所研究，但并未形成較為系統(tǒng)的評價方法。筆者認(rèn)為，在小尺寸試驗(yàn)中，采用錐形量熱與紅外連用的方法，可以較好評價防火涂料的防火性能，原因有以下幾點(diǎn)：（1）試件制作過程中，防火涂料的涂刷可按照實(shí)際使用中的施工方法，貼近實(shí)際;（2）試驗(yàn)環(huán)境與火災(zāi)環(huán)境接近;（3）測試參數(shù)種類多，評價指標(biāo)較全;（4）聯(lián)用紅外，可以對煙氣成分進(jìn)行分析，研究其產(chǎn)煙毒性，從而更加全面地分析其防火性能。

三、風(fēng)險監(jiān)測建議及措施

（一）產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料由于其自身的局限性以及在生產(chǎn)、流通、使用過程中存在的問題，其風(fēng)險點(diǎn)主要包含以下幾個方面：

1.產(chǎn)品自身缺陷，多數(shù)膨脹型防火涂料阻燃劑采用C-N-P或C-N-P-CL體系[12]，在受熱分解過程中會產(chǎn)生NH3、HCL、NOX、CO等，這些氣體均可產(chǎn)生窒息作用[13]。

2.企業(yè)技術(shù)欠缺，生產(chǎn)的防火涂料產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.施工過程中，為降低成本，摻雜品質(zhì)低劣的產(chǎn)品，不按施工工藝進(jìn)行施工，涂刷厚度達(dá)不到要求，或應(yīng)該掛網(wǎng)的地方而不掛網(wǎng)等。

4.使用過程中，防火涂料的使用壽命低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限，出現(xiàn)老化等問題而未及時維護(hù)。

（二）風(fēng)險監(jiān)測建議及措施

隨著建筑中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的質(zhì)量直接關(guān)系到人身安全。相關(guān)部門應(yīng)做好日常風(fēng)險監(jiān)測工作，防患于未然，可最大限度減輕損失。針對以上提出的風(fēng)險點(diǎn)，本文提出以下幾點(diǎn)建議：

1.落實(shí)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量主體責(zé)任，加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)管力度。由于目前鋼結(jié)構(gòu)防火涂料取消了強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證，因此相關(guān)部門的監(jiān)督顯得更為重要。通過產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)和對企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量安全教育，引導(dǎo)企業(yè)合理設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.加強(qiáng)技術(shù)引導(dǎo)，開展行業(yè)技術(shù)交流，提升企業(yè)技術(shù)能力。

3.對施工現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)查，保證施工過程的規(guī)范性，施工工藝的不同，對防火性能的影響極大。此外，加強(qiáng)施工過程中的抽檢，防止摻入雜物和假冒偽劣產(chǎn)品。

4.規(guī)范驗(yàn)收，在消防工程建設(shè)結(jié)束時，嚴(yán)查防火涂料的使用情況，對其相關(guān)檢測報告、采購合同、發(fā)票等資料進(jìn)行嚴(yán)查，保證其使用的材料符合相關(guān)規(guī)范。

5.使用過程中因意維護(hù)保養(yǎng)，由于防火涂料在使用過程中，受到環(huán)境的影響，可能會導(dǎo)致涂料老化、失效、脫落等，這種老化現(xiàn)象會造成防火涂料防火性能急劇下降。因此，一旦出現(xiàn)這種情況，應(yīng)及時維護(hù)，保證其防火性能。

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作者簡介：

陳大勇，男，四川大學(xué)在讀博士，從事高分子材料及防火材料研究。

*通訊作者：傅敬偉，男，高級工程師，從事高分子材料、防火材料及產(chǎn)品檢測二十余年;E-mail：977327795@qq.com。