建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)選方法分析

張哲

鋼材不耐火屬性是建筑結(jié)構(gòu)的主要問題，一旦溫度在200℃以上，就會出現(xiàn)明顯變化，強度大幅度下降。如果溫度在600℃左右，材料則處于塑性狀態(tài)，完全不具備承載能力。綜合而言，鋼結(jié)構(gòu)表層溫度達到150℃，便需采取保護處理措施。

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料選用現(xiàn)狀

（1）防火涂料本身有缺陷。近些年，國內(nèi)此類產(chǎn)品的成長速度較快，種類呈現(xiàn)出多樣化的特點，但技術(shù)性能和經(jīng)驗還略有不足。如環(huán)保方面，涂料在基材上應(yīng)用，組成的材料比較不穩(wěn)定，會給內(nèi)部空間造成危害。另外，安全性方面，涂料遭遇火災(zāi)時，會出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，以保護基材不受損傷，但會釋放出多種有毒氣體，在達到一定濃度后，會傷害人體。所有防火涂料的分析都是采取試驗手段，環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)條件，但現(xiàn)實中火災(zāi)會有不確定性，加之建筑落成使用多年后，涂料防火效果無法確定是否還處于原本的試驗狀態(tài)。

（2）涂料應(yīng)用方對安全性缺乏認識，最終選用的涂料可能并不適宜。如今，可供選擇的防火涂料種類極多，而質(zhì)量不能統(tǒng)一。從理論角度來說，在基材上增加一層涂料，耐火效果會有所提高，隔絕高溫。而實際上，涂料本身的構(gòu)成與阻燃性等不同，可用范圍也有區(qū)別。建筑鋼結(jié)構(gòu)中，在耐火級別上有明確標(biāo)準(zhǔn)，但個別建設(shè)方卻缺少對此的認識，導(dǎo)致沒能有效發(fā)揮涂料的作用，僅關(guān)注最終的驗收結(jié)果。部分設(shè)計師及建設(shè)人員，前期設(shè)計中，不會留給防火處理較多的預(yù)算，或者直接刨除在預(yù)算之外，形成明顯隱患。

（3）耐火試驗和厚度，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。本文所述的防火涂料屬于功能性范疇，具體性能歸納成兩點：①物理機械，如憎水性、承載性、干濕性等；②耐火，防止火災(zāi)破壞基材。通常耐火極限的分析，基于確定構(gòu)件，涂上對應(yīng)涂料，根據(jù)時間溫度的關(guān)系曲線，確定涂料直至被損壞的時間，借此評估其防火性能。耐火試驗時，主要條件為構(gòu)件承載狀態(tài)及升溫情況，而且同一極限時長的涂料會由于所處環(huán)境、火災(zāi)條件差異，發(fā)揮的保護力有區(qū)別。如今，施工方收到的說明書，僅指出極限時長、厚度，但缺少對應(yīng)的鋼材類型。

（4）使用及保養(yǎng)方式有問題。在實際建設(shè)中，通常把涂料用于對應(yīng)基材表層，鋼結(jié)構(gòu)處理時，如果應(yīng)用的方式不適宜，會使防火效果大打折扣。如今，諸多公共項目為提升室內(nèi)的藝術(shù)感，裝修中會應(yīng)用過多的易燃材料，并且具有設(shè)計藝術(shù)感的裝飾，結(jié)構(gòu)會比較繁瑣，形成大量孔洞，不利于防火處理。另外，纖維織物同樣無法滿足阻燃要求，采取噴灑等方式，容易形成結(jié)晶，影響防護效果。內(nèi)部市場鋼結(jié)構(gòu)中可應(yīng)用的涂料類型和技術(shù)成長態(tài)勢良好，但對應(yīng)施工方式標(biāo)準(zhǔn)和后期保養(yǎng)方式未能跟上產(chǎn)品更新?，F(xiàn)實應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過此項處理后，一般不會受到額外關(guān)注。建筑驗收處理也缺少科學(xué)性，無法達到定量評估[1]。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的確定

2.1 選擇標(biāo)準(zhǔn)原則

首先，防火涂料需滿足我國的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時需附帶專業(yè)檢測機構(gòu)提供的合格報告。生產(chǎn)商必須具備許可證，以此為前提進一步選擇涂料。在建筑鋼結(jié)構(gòu)上使用的防火涂料，廠家需提供技術(shù)性能及產(chǎn)品批號、說明書以及貯存時間等。其次，結(jié)合需要噴涂的鋼結(jié)構(gòu)位置與功能性，確定防火涂料。

（1）耐火極限標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)建筑物明確分出多個耐火等級，對應(yīng)要求的極限值有差異。比如，極限時間在60min 以內(nèi)，應(yīng)選擇超薄及薄型；極限時間在2.5h 以內(nèi)，能選擇的有薄型及厚涂型；極限時間超過2.5h，僅能選擇厚涂型的涂料。

（2）建筑物不同部位，耐火等級會有區(qū)別。比如，裸露在空氣中，并起到裝飾作用的區(qū)域，需噴涂超薄的涂料。而裸露柱體與網(wǎng)架部分，應(yīng)噴涂薄型的涂料，鋼結(jié)構(gòu)隱蔽區(qū)域，無需考慮美觀性，可選擇厚涂一類。

（3）重要性標(biāo)準(zhǔn)，在較為重要的項目中，會以厚涂型為主，而普通的民用建筑使用薄型及超薄型即可。

（4）基于涂層厚度標(biāo)準(zhǔn)，確定高防火涂料。如果是超薄的涂料，耐火的極限時間不應(yīng)長于1.5h，并且涂層的厚度至少要達到3mm。如果耐火極限時長是1h，則設(shè)定的涂層厚度需達到2mm。如果選擇薄型的涂料，在極限時間小于2h時，厚度應(yīng)控制在5mm 及以上，假設(shè)要求極限時間在1.5h 以內(nèi)，涂層厚度至少應(yīng)在4mm。

2.2 優(yōu)選方式確定

涂料優(yōu)選的方法：

（1）類型篩選法?；诮ㄖ椖勘旧?，確定涂料的種類，確定滿足耐火極限標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)品種。

（2）功能比較法。結(jié)合項目結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用場所標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼結(jié)構(gòu)的涂料可用范疇，確定達到防火標(biāo)準(zhǔn)的種類。

（3）價格類比法。基于達到防火級別前提下，結(jié)合生產(chǎn)商售價比較，選定性價比更好的品類。

（4）綜合優(yōu)選法。整體分析上文條件，選擇綜合得分更高的類型[2]。

3.優(yōu)選建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的具體分析

3.1 涂層厚度

3.1.1 臨界溫度

如今，輕質(zhì)且強度大、安全性高、建設(shè)便利等類型的鋼結(jié)構(gòu)，在建筑項目中使用逐漸頻繁，而裸露材料被高溫影響，其力學(xué)性能隨之出現(xiàn)變化。比如，強度與彈性模量，二者和溫度為負相關(guān)?；馂?zāi)發(fā)生后，鋼結(jié)構(gòu)的屈服強度會逐漸弱化，受到損傷。

（1）應(yīng)力—應(yīng)變。鋼結(jié)構(gòu)耐火時間是15min，在溫度高于300℃，材料強度會逐步下降。在溫度上升至650℃，鋼結(jié)構(gòu)幾乎無承載性能。屈服平臺無效后，一般需確定某強度視為屈服強度，通常確定為常溫條件中0.2%應(yīng)變下的強度。

（2）高溫環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)屈服強度。驗算高溫中結(jié)構(gòu)承載力，以屈服強度為衡量指標(biāo)。得出的結(jié)論是在溫度不足300℃時，鋼結(jié)構(gòu)屈服強度沒有波動；在300℃～750℃中，為線性下降。

（3）分析多種構(gòu)件的初始應(yīng)力，具體考慮內(nèi)容需要根據(jù)構(gòu)件的形態(tài)確定。比如，軸心受壓的構(gòu)件，其原本便有缺陷及殘余應(yīng)力，不可根據(jù)理想狀態(tài)分析；受彎的構(gòu)件，靜定梁需考慮其塑性的問題；壓彎的鋼構(gòu)件，需注意平面內(nèi)外的穩(wěn)定性。

（4）臨界溫度，在實際分析中，為簡化此過程，可先進行合理化假設(shè)。

在分析鋼結(jié)構(gòu)本身抗火性能中，可先確定假定條件。比如，火災(zāi)狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)四周環(huán)境的溫度提高與時間推進過程，采取標(biāo)準(zhǔn)的升溫曲線，即使應(yīng)用差異化的升溫公式，也需調(diào)整為對應(yīng)的缺陷。同時假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的截面溫度一致，并且鋼結(jié)構(gòu)是等截面，抗火效果也相同。此外，借助對火災(zāi)狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫的分析，確定承載力與臨界問題。該種確定方法主要通過確定常溫及高溫環(huán)境中，二者穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系，以此確定趨近于真實情況的臨界溫度[3]。

上文提到確定臨界溫度的方法是如今較為常見的，但分析側(cè)重點有差異，主要原因如下：

（1）可能出現(xiàn)誤差的問題是常溫環(huán)境中極限正應(yīng)力取代高溫環(huán)境中屈服強度，在持續(xù)升溫中，屈服強度會有所降低，但在大多數(shù)情況下，兩項數(shù)值有差距，但理論層面上得出臨界溫度數(shù)值更為安全。

（2）假定應(yīng)力比，確定超越方程，借助數(shù)值整理出應(yīng)力比和相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)系數(shù)，通過查表的方式，確定臨界溫度。該種確定方式中，應(yīng)力比只分析常溫條件中結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及承載力，二者最高值的比，從中可以看出，該方式和第一種相較，更加便利，但最后得出數(shù)值有差異，應(yīng)當(dāng)是求解時有誤差。

（3）分析穩(wěn)定系數(shù)，借助近似值確定穩(wěn)定系數(shù)，并對比超越方程更加復(fù)雜，但最后結(jié)論會相對滿足火災(zāi)的實際條件。

選擇防火涂料時，需注意熱物理性能以及含水率，前者通常能利用試驗得出，具體數(shù)值隨著溫度波動。目前鋼構(gòu)件所有防火涂料基本上都是輕質(zhì)一類，同時保護層也能分成干性與濕性，對此則以含水率為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在鋼結(jié)構(gòu)上所用的涂料，厚度一般是有限制的，可根據(jù)高溫條件中，經(jīng)過涂料層后傳至鋼結(jié)構(gòu)的熱量進行確定。以理論層面來看，臨界溫度和涂層厚度是正相關(guān)，但實際選擇應(yīng)用時，還需通過試驗定量驗證。

3.1.2 耐火極限

鋼結(jié)構(gòu)的主要用途是荷載，對其抗火設(shè)計可看成確定防火保護方案，在達到建筑荷載標(biāo)準(zhǔn)后，考慮防火性的問題?；馂?zāi)環(huán)境中，在鋼構(gòu)件內(nèi)部不斷升溫時，其承載水平會有所降低，并且在承載力降至外荷載形成效應(yīng)的狀態(tài)中，構(gòu)件本身承載力已經(jīng)處于極限情況。而此種狀態(tài)繼續(xù)細分成局部構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)，前者遭到破壞以及后者整體傾覆。二者衡量標(biāo)準(zhǔn)為前者承載力失穩(wěn)，且變形速率已經(jīng)達到無限大的程度，不能承擔(dān)起重物，出現(xiàn)變形；后者整體失穩(wěn)，不具備承載能力，全部變形。關(guān)于抗火設(shè)計，需先滿足外載荷，而后考慮達到耐火等級。具體采用的方式包括三類。

（1）圍繞試驗分析，為設(shè)計提供分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備多種類型構(gòu)件，在設(shè)定荷載及升溫情況下，開展耐火試驗，以此得出在各防火處理后，構(gòu)件耐火情況。借助多次試驗，得到涂料品種及厚度對應(yīng)耐火極限。采用此種設(shè)計方式有明顯不足，比如最終獲取耐火極限手段不科學(xué)。加之，在建筑物里，構(gòu)件承載情況和試驗期間實施的標(biāo)準(zhǔn)條件無法保證相同，并且建筑中的制約條件無法在試驗中完全復(fù)制，導(dǎo)致最終結(jié)果有偏差。

（2）采取計算方式，確定設(shè)計[4]。該種方式可提高對結(jié)構(gòu)抗火水平評估的準(zhǔn)確性。假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)布局勻稱，并且從火災(zāi)條件下傳進熱量和溫度提高中吸入熱量相等。為處理結(jié)合試驗進行設(shè)計的缺陷，額外增加熱傳導(dǎo)及結(jié)構(gòu)分析，鑒于構(gòu)件受力情況及截面積等對其自身抗火水平的干擾性，力求得出更貼合實際的結(jié)果。

（3）性能化結(jié)構(gòu)，此種方式考慮到設(shè)計需要，按照實際的結(jié)構(gòu)對象，設(shè)計目標(biāo)是保障人身安全以及控制經(jīng)濟損失?？紤]現(xiàn)實火災(zāi)條件下，溫度提高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對抗火水平的影響，綜合運用若干工具，評估火災(zāi)風(fēng)險，以提升結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)前的防火涂料有非膨脹及膨脹兩種，其中造成非膨脹型隔熱性能波動的要素有密度、厚度等，而膨脹型涂料主要為熱物理參數(shù)及膨脹率。一方面，通過熱物理參數(shù)判斷隔熱性能，一般會面臨幾個問題：

（1）常溫環(huán)境中，該數(shù)值是定值，但涂料僅在發(fā)生火災(zāi)后才能展現(xiàn)出價值，同時熱物理參數(shù)會隨著時間與溫度出現(xiàn)浮動。

（2）高溫狀態(tài)下，涂料會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生吸收及發(fā)出熱量的情況。此種情況和抗火設(shè)計中假設(shè)條件有差異，會降低分析結(jié)果的精準(zhǔn)度。基于熱學(xué)有關(guān)原理，化學(xué)反應(yīng)期間出現(xiàn)的熱量通常難以確定。

（3）涂料里會有不定量水分，高溫環(huán)境中，其內(nèi)部水分會出現(xiàn)蒸發(fā)，進一步加快結(jié)構(gòu)問題出現(xiàn)的速度，并且該因素也無法準(zhǔn)確設(shè)置。

另一方面，膨脹型涂料可以在高溫條件下快速形成保護層，以減緩溫度熱量傳導(dǎo)效率，繼而滿足耐火的需要。涂料形成保護層后，熱物理條件隨之出現(xiàn)明顯變化，厚度擴大至原本的數(shù)倍，由此造成常溫條件中熱物理參數(shù)，無法準(zhǔn)確衡量涂料的隔熱效果。對于以上問題，如今需要可以準(zhǔn)確評估涂料在高溫條件中隔熱效果的參數(shù)，不僅可表示隔熱效果，還需保證計算過程的簡便性。防火規(guī)范中，和鋼結(jié)構(gòu)承載力有明顯關(guān)聯(lián)性的為溫度參數(shù)，所以確定出趨近于現(xiàn)實溫度的條件是準(zhǔn)確判斷隔熱效果的關(guān)鍵點。

火災(zāi)條件中，傳熱并非穩(wěn)定狀態(tài)，雖然能理清各變量參數(shù)之間的聯(lián)系，但也無法憑借數(shù)學(xué)計算得出?？偟膩碚f，借助真實結(jié)構(gòu)溫度參數(shù)，確定等效的熱導(dǎo)率，可以比較綜合分析出熱工參數(shù)。如果選擇膨脹類的涂料，考慮膨脹發(fā)生前的密度與厚度等，也能確定該系數(shù)。根據(jù)試驗理論分析，涂層厚度和其耐火極限為正相關(guān)，在確定厚度參數(shù)時，可借助此參數(shù)加以選定[5]。

3.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

3.2.1 選擇需求

在實際建筑項目中，通常無法完全掌握市面上的各種涂料功能效果與性價比，導(dǎo)致綜合優(yōu)選難度較高。為此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，給用戶提出更便利的選擇方式。為此，應(yīng)先確定用戶需要，基于此設(shè)置功能性，并預(yù)留出擴展空間。經(jīng)過統(tǒng)計整理，用戶需求可分成幾類：

（1）信息需要，此系統(tǒng)應(yīng)能提供對應(yīng)涂料的耐火時長、厚度、生產(chǎn)商相關(guān)信息等。

（2）信息查詢，能進行模糊搜索，可輸入一個條件要求，支持多個條件下的查詢。

（3）信息描述，包括生產(chǎn)商名稱、電話、型號、耐火級別、密度等。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計

建立關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用防火涂料的系統(tǒng)，需基于現(xiàn)有的涂料產(chǎn)品，借助采集及分析涂料類型與物理屬性，滿足設(shè)計者的現(xiàn)實需求。另外，因為涂料產(chǎn)品依舊在持續(xù)更新中，所以要求信息系統(tǒng)可供更新維護，保證有關(guān)數(shù)據(jù)資料完整。兼顧信息的開放性和安全性，設(shè)置用戶權(quán)限。

3.2.3 維護更新

根據(jù)防火涂料的市場環(huán)境，數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)持續(xù)更新，保證數(shù)據(jù)庫的實用意義。更新該系統(tǒng)時，需考慮兩個問題，即利用新信息替換原有信息以及原本信息是否保留。事實上，更新信息庫的方式既和采集信息的手段有關(guān)，還和信息組織形式有聯(lián)系。因為數(shù)據(jù)庫信息形式較為一致，只有數(shù)值與字符兩種，為豐富信息類型，可采取以下更新手段：

（1）根據(jù)現(xiàn)有版本的信息系統(tǒng)進行更新操作，應(yīng)設(shè)定查新的間隔時間，并在設(shè)置更新時間前，關(guān)注市場上的涂料產(chǎn)品變化情況，不斷收集整理，批量錄入到數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

（2）采取系統(tǒng)版本更新，如今擁有的信息模型和結(jié)構(gòu)比較單調(diào)，在市場鋼結(jié)構(gòu)演化中，相應(yīng)防火涂料可能跟不上更新速度，但也在持續(xù)創(chuàng)新中，并且用戶側(cè)重的數(shù)據(jù)點有差異，直接通過升級版本，滿足用戶需要。

4.結(jié)語

綜上所述，鋼材對建筑工程的重要性不言而喻，但受到其自身耐火能力的局限，施工中，通常會額外進行防火處理。本文討論的主要防火涂料使鋼結(jié)構(gòu)能在高溫環(huán)境中具備承載能力，為火災(zāi)發(fā)生時人們的室內(nèi)逃生爭取時間。