防火、保溫和防腐一體化新型鋼結(jié)構(gòu)多功能涂層研究

王灝喆，常少華，代育恒，黃 燦，廖利勇，盧 柳

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

1 研究背景

隨著國家的發(fā)展，人們的物質(zhì)文化需求提高，環(huán)保的意識也在逐漸提高，這使得人們對于建筑的需求發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，不僅要求建筑的實(shí)用性，更是在其中加入了環(huán)境保護(hù)的元素。在近幾十年的發(fā)展中，中國由最開始的鋼鐵缺乏，到后來的快速增長，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造技術(shù)也是逐漸發(fā)展到了成熟的水平，為中國的鋼結(jié)構(gòu)建筑物奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從“十一五”規(guī)劃到現(xiàn)在，中國的國家經(jīng)濟(jì)在轉(zhuǎn)型，綠色的鋼結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)是從實(shí)質(zhì)上解決消耗過剩的鋼材產(chǎn)能的方法[1]。鋼結(jié)構(gòu)的使用量現(xiàn)在是高居不下，如鳥巢的建立就使用了大量的鋼結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的使用量已經(jīng)有了大幅度的提升，并且由于秉承著綠色環(huán)保主題，鋼結(jié)構(gòu)的使用量一直都是居高不下，但是目前在鋼結(jié)構(gòu)的防火、保溫和防腐方面并沒有太多成熟的技術(shù)，所以這些方面急需要得到提升。為了保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全和正常使用，提高鋼結(jié)構(gòu)耐火耐高溫極限、優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)防腐措施是關(guān)鍵。目前，鋼結(jié)構(gòu)防腐措施主要是對鋼結(jié)構(gòu)涂刷防腐涂料，涂層兼具部分防火耐高溫的功能。

本文依托安徽省滁州市天長市智慧秦欄美麗小城城鄉(xiāng)一體化建設(shè)PPP 項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目（第一標(biāo)段）。保證項(xiàng)目中各類鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全、正常使用，需要對鋼結(jié)構(gòu)涂層進(jìn)行進(jìn)一步研究，保證涂層兼具防火、防腐及保溫等功能，保障鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量和安全。

2 工程概況

安徽省滁州市天長市智慧秦欄美麗小城城鄉(xiāng)一體化建設(shè)PPP 項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目（第一標(biāo)段）位于安徽省滁州市天長市秦欄鎮(zhèn)，項(xiàng)目包含孝文化公園（面積約18 hm2）、文化中心（面積約4 hm2）、孝子河綜合治理（長度約6 km）、入鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)綠化。整個(gè)項(xiàng)目包含大量景觀雕塑、文化藝術(shù)墻、小品設(shè)施等工程，工程內(nèi)含大量鋼結(jié)構(gòu)工程，鋼結(jié)構(gòu)由于密度小、強(qiáng)度高、塑形和韌性好、安裝施工快捷迅速、綠色等優(yōu)點(diǎn)，在其中應(yīng)用廣泛，為了保證園林、文化館等建筑的安全、美觀，需要對鋼結(jié)構(gòu)涂刷防腐、防火涂料。

3 現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)涂層的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀

厚涂型鋼結(jié)構(gòu)主要在2 個(gè)方面做到防火要求。第一是通過自身的屬性，本身的成分是不燃燒的，并且具有低導(dǎo)熱性和吸熱性，從而起到減緩鋼結(jié)構(gòu)的溫度的升高；第二是厚涂型防火涂料本身含有大量的鹵化物，在火災(zāi)場中，由于溫度升高，則會導(dǎo)致鹵化物氣體分解出來，從而起到隔絕氧氣的作用，以此來阻礙燃燒速度，減緩鋼結(jié)構(gòu)溫度的升高。

厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)點(diǎn)很明顯，但是它的缺點(diǎn)也很明顯，最為顯著的缺點(diǎn)就是裝飾性差，不夠美觀，給人們的視覺效果不夠好，因此用于隱蔽性的建筑物是比較多的[2]。并且厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料屬于硅酸鹽類涂料，凡是硅酸鹽類涂料都具有不耐水、防潮性差等問題，通常情況下都需要進(jìn)行改良，加入一些有機(jī)高分子聚合物對其進(jìn)行改良。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)水性防腐涂料的研究現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)涂料采用單一的樹脂防火涂料，由于它自身材料的單一性，導(dǎo)致了涂料具有很大的局限性。在進(jìn)行改良的措施中，通常情況下是進(jìn)行多種樹脂的有機(jī)結(jié)合，從而起到提高性能的作用。水性涂料的防火效果雖然好[3]，但是它的交聯(lián)密度低于溶劑型涂料，因此它的防腐蝕能力比較弱，所以通常是采用納米粒子技術(shù)，以此來提升涂料的防腐蝕能力。也可以利用聚苯胺的防腐屬性，用聚苯胺結(jié)合樹脂，因?yàn)榫郾桨房梢栽诮缑嫘纬山^緣保護(hù)層，來提高涂層的防腐性[4]。

4 防火、保溫和防腐一體化新型鋼結(jié)構(gòu)多功能涂層體系設(shè)計(jì)

4.1 基本設(shè)計(jì)原則

鋼結(jié)構(gòu)的基本設(shè)置原則往往是由鋼結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境決定的，此外還需考慮到環(huán)境保護(hù)的問題和壽命的周期性問題等。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境

絕大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)材料通常是處于腐蝕環(huán)境中，在這樣的環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)材料的使用往往需要從各種方面進(jìn)行優(yōu)化。腐蝕有很多種，電化學(xué)腐蝕是最為普遍的。鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于被腐蝕狀態(tài)，通常情況下金屬表面會被優(yōu)先腐蝕。在設(shè)計(jì)的全過程也要考慮到是否會對環(huán)境和鋼結(jié)構(gòu)等造成一些不良影響。外部的腐蝕因素也包括當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)[5]。

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的一個(gè)不可忽視的重要問題，中國的鋼結(jié)構(gòu)建筑物每年由于腐蝕帶來的結(jié)構(gòu)破壞，造成了建筑物的失穩(wěn)，占比達(dá)到建筑物失穩(wěn)總數(shù)的50%之多，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失[6]。鋼結(jié)構(gòu)涂料的涂抹是很可靠的技術(shù)手段，可用來保證鋼結(jié)構(gòu)不被腐蝕和破壞。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限

鋼材雖然不是燃燒材料，但是它具有熔點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到它的熔點(diǎn)時(shí)，就會融化，并且鋼材的熔點(diǎn)普遍不高。鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度在溫度低于200 ℃的時(shí)候，幾乎沒有明顯的變化；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的溫度一旦高于430 ℃的時(shí)候，就會出現(xiàn)強(qiáng)度急劇下降的狀態(tài)；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的溫度一旦超過600 ℃的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)就會完全地失去強(qiáng)度，將不會再具有承載力，并且部分會發(fā)生融化，造成變形，造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物的失穩(wěn)。在鋼結(jié)構(gòu)建筑物建設(shè)過程中，普遍情況下認(rèn)為540 ℃為鋼結(jié)構(gòu)承受溫度的臨界溫度。鋼結(jié)構(gòu)建筑物防火設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的耐火極限如表1 所示。

表1 鋼構(gòu)件的耐火極限（單位：h）

根據(jù)以往發(fā)生過的火災(zāi)情況來看，火場的溫度會在短短的20 min 內(nèi)就達(dá)到800 ℃。鋼結(jié)構(gòu)的防火，一方面是可以減少鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中造成的破壞，另一個(gè)方面是可以有效減少火災(zāi)所造成的經(jīng)濟(jì)損傷[7]。

鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料一般有4 個(gè)方面的作用。第一個(gè)方面是涂料本身是難燃物或者是不燃物，它可以有效隔絕空氣，降低燃燒的速度；第二個(gè)方面是涂料本身的導(dǎo)熱性能比較差，可以有效延遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫；第三個(gè)方面是在涂料中存在惰性氣體，在火災(zāi)時(shí)期，涂料由于受熱的原因，就會將惰性氣體釋放出來，起到隔絕氧氣的作用，從而可以起到降低鋼結(jié)構(gòu)的起火程度；第四個(gè)方面是涂料中存在膨脹性的材料，由于膨脹性材料的加入，在受熱情況下，會形成一系列的泡沫狀物體，以此來隔絕空氣，可以起到阻礙溫度向鋼結(jié)構(gòu)傳遞[8]。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)涂層的制備

制備涂層需要鋼板試件的制備，鋼板的選擇為Q235 鋼材，將鋼材切割為3～4 塊尺寸為200 mm×100 mm×50 mm 的鋼板，在涂刷涂料前需要對鋼板進(jìn)行除灰，除銹打磨，打磨出金屬光澤為止，并且需要用丙酮對其進(jìn)行除油處理，以提高涂料在鋼板上的附著能力。鋼結(jié)構(gòu)涂料通常在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中使用無機(jī)復(fù)合材料，使用多功能的鋼結(jié)構(gòu)涂料。這個(gè)鋼結(jié)構(gòu)涂料有2 個(gè)屬性，第一個(gè)屬性是防火保溫，第二個(gè)屬性是防腐[9]。另外，在這個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的制作過程中還要加入適量的水。為了改變質(zhì)量，在防火涂層的過程中，使用傳統(tǒng)消泡劑，防火常用制劑通常性能優(yōu)異，其耐火條件會相對提高，使耐火溫度達(dá)到一個(gè)合適的溫度。在很多方面，我們還將采用具有防腐功能和防火性能的涂料，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的防火和保溫、防腐一體化等。

4.5 性能測試

在制備鋼結(jié)構(gòu)的涂料完成后，需要進(jìn)行一系列的性能測試。通常是包含了涂膜的表干時(shí)間測試、涂膜的實(shí)干時(shí)間測試、防腐性能測試、防火性能測試。

涂膜表干時(shí)間的測試是在鋼板的表面進(jìn)行涂膜處理，然后晾干一段時(shí)間，采用吹棉球法，將棉球輕輕放在表面，吹動棉球，如果沒有在表面留下棉絲，則表示已經(jīng)達(dá)到表干，所需要的時(shí)間就是表干時(shí)間；涂膜實(shí)干時(shí)間的測試是在涂膜的表面上放置棉球，然后用重物壓在棉球上，過1 min 后將重物拿開，棉球可以自由脫落，則表示此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)涂膜達(dá)到實(shí)干，所需要的時(shí)間為實(shí)干時(shí)間；防腐性能測試就是將試件涂抹完成后放在水和飽和氯化鈉溶液中，等過一段時(shí)間看有沒有生銹、氣泡、變色等，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)試件完成不發(fā)生變化的最久時(shí)間就是防腐性能指標(biāo)；防火性能測試就是將鋼結(jié)構(gòu)試件放在電阻爐中煅燒，看在煅燒的過程中，鋼結(jié)構(gòu)試件有沒有發(fā)生變形、脫落等，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)試件不發(fā)生變化的最久時(shí)間就是防火性能指標(biāo)。

4.6 一體化涂層施工工藝

針對防火、保溫和防腐鋼結(jié)構(gòu)一體化涂層工藝，第一步是需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)表面的處理，鋼結(jié)構(gòu)表面通常會鋪滿灰塵和有銹跡，需要將灰塵進(jìn)行清除，對表面的銹跡進(jìn)行打磨處理，待到打磨出金屬光澤，再將鋼結(jié)構(gòu)防腐底漆進(jìn)行涂刷[10]；第二步是待鋼結(jié)構(gòu)防腐底漆涂刷后，需要將鋼結(jié)構(gòu)防腐底漆干燥24～28 h，待到鋼結(jié)構(gòu)防火底漆干燥后，就可以準(zhǔn)備涂刷鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；第三步是涂刷鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在施工時(shí)候通常是采用刮涂或者噴涂的方式，每次涂刷的厚度平均為3～5 mm，厚度沒有明確的限制，可以根據(jù)施工員自己的標(biāo)準(zhǔn)掌握，涂刷完一次后，需要間隔24 h 左右，待到上一次涂刷的防火涂料干燥后進(jìn)行下一次的涂刷，直到涂刷厚度達(dá)到18～20 mm為止，然后進(jìn)行干燥處理即可。注意鋼結(jié)構(gòu)防火涂料為干粉材料，在涂刷時(shí)候需要加入合適的水進(jìn)行攪拌。

5 結(jié)語

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于鋼結(jié)構(gòu)的利用率也是越來越高，鋼結(jié)構(gòu)的防火、保溫和防腐是目前鋼結(jié)構(gòu)利用急需要解決的問題。在實(shí)際的應(yīng)用中，各種的鋼結(jié)構(gòu)涂料，比如厚涂型、水性等都是利用率較高的，但是它們存在著各自的缺點(diǎn)，還有需要改進(jìn)的地方。因此，根據(jù)中國目前的現(xiàn)狀，在現(xiàn)有的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的前提下，結(jié)合中國對于鋼結(jié)構(gòu)涂料的需要，研究一種鋼結(jié)構(gòu)涂料可以起到防火、保溫和防腐一體化，是中國鋼結(jié)構(gòu)涂料方面亟需完成的一項(xiàng)重要任務(wù)。