钢结构防火涂料在建筑防火中的应用

黄康奇

广东水电二局股份有限公司 511340

摘要：目前，对钢结构实施保护的主要方法之一，就是在钢结构表面施涂钢结构防火涂料。当遇到火灾时，防火涂料作为一种隔热层，使温向钢结构的传导速度大大降低，从而赢得消防灭火时间，以利于人员安全疏散，避免和减轻火灾损失。因此，钢结构防火涂料正在得到到广泛而深入的应用。本文简单介绍了钢结构防火涂料，尤其是膨胀型钢结构防火涂料的机理及应用。

关键词：钢结构防火涂料；应用；问题

0引言

随着城市化建设和工业化的飞速发展，钢结构在超高层、大跨度建筑如工业厂房、影剧院、候机楼、商场、体育馆及大型工业，如石油、化工等行业被广泛采用。钢结构具有强度高、质量轻、抗震性能好，施工周期短，建筑工业化程度高，空间利用率大等优点。因此钢结构在国民生活中，占据着非常重要的地位。钢材虽是一种不燃烧的材料，却是热的良导体。钢材的机械强度随着温度的升高而降低，承载状态下的失效临界温度为540℃。未加防火保护的钢结构遭遇火灾只需10多分钟，自身温度就会上升到540℃以上，在纵向压力和横向压力作用下，扭曲变形，而失去支撑能力导致建筑物跨塌损毁。钢结构失火变形跨塌多导致群死群伤。因此，鉴于钢结构自身缺陷及其在现代生活中的重要作用，必须对钢结构实施有效的防火保护。

1、钢结构防火涂料运用的必要性

钢结构作为建筑结构的一种形式，以其强度高、质量轻，并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特点，目前被广泛应用于宾馆、饭店、展览馆等民用公共建筑和厂房、仓库等工业建筑。由于钢结构自身不燃，钢结构的防火隔热保护问题曾一度被人们忽视，在火灾的作用下，钢结构构件温度达到350℃、500℃、600℃时，强度分别下降1/3、1/2、2/3，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，很快失去支撑能力，导致建筑物垮塌，因此钢结构建筑一旦发生火灾往往造成群死群伤等恶性火灾事故的发生。美国世贸中心大楼是典型的钢结构高层建筑，其主楼呈双塔形，使用钢材7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，素有“世界之窗”之称。“9.11”恐怖袭击中，在大火的作用下主楼仅仅经过30分钟便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案。因此做好钢结构的防火措施，对于杜绝群死群伤恶性火灾事故具有十分重要的现实意义。

2、钢结构防火涂料的基本机理

从燃烧的条件知道，要使燃烧不能进行，必须将燃烧的三个要素（可燃物、氧气、热源）中的任何一个要素隔绝开来。因此防火涂料之所以可以防火（阻燃），大致可以归纳为以下几点：

（1）防火涂料本身具有难燃或不燃性，使之防火保护体系在火灾条件下不易自身燃烧。

（2）防火涂料遇火受热分解放出不燃性的惰性气体，冲淡被保护基材周围的易燃气体和空气中的氧气，抑制火焰燃烧。

（3）燃烧被认为是游离基引起的连锁反应。而含氮、磷的防火涂料受热分解放出一些活性自由基团，与有机自由基结合，中断连锁反应，降低燃烧速度。

（4）膨胀防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层致密泡沫隔热层，封闭被保护的钢基材，阻止钢基材温度升高。

3、钢结构涂料的分类及运用

裸露钢结构的防火涂料涂覆保护已开展多年，目前，国内钢结构涂料主要分为厚涂型钢结构防火涂料、薄涂型钢结构防火涂料、超薄型钢结构防火涂料。随着技术水平的不断提高，所采用的钢结构防火涂料品种从含短纤维的喷涂料（膨胀型），逐渐过渡到不含纤维的薄型钢结构防火涂料（油性的防火漆和水性的防火乳胶漆），不仅是防火性能得到进一步提高，最重要的是防火涂层的理化性能和装饰性能大大改善。

3.1厚涂型钢结构防火涂料

厚涂型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8毫米～50毫米的涂料，这类防火涂料的耐火极限可达0.5小时～3小时。在火灾中涂层不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的升温，保护钢件。这类钢结构防火涂料采用合适的粘结剂，再配以无机轻质材料、增强材料。对于全钢结构高层建筑，从耐久性和防火性考虑，宜选用厚涂型钢结构防火涂料。如原美国世贸中心工程，上海金茂大厦等。但这类产品由于涂层厚，外观装饰性相对较差。

3.2薄涂型钢结构防火涂料

涂层厚度在3毫米～7毫米的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。该类涂料受火时能膨胀发泡，以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的升温，保护钢构件。这类钢结构涂料一般是用合适的乳胶聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这类防火涂料，要求选用的乳液聚合物必须对钢基材具有良好附着力、耐久性和耐水性。常用作这类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。为了使粒状的各种添加剂能更好地分散，还加入分散剂，如常用的六偏磷酸钠等。

3.3超薄型钢结构防火涂料

3.3.1超薄型钢结构防火涂料概念及运用。超薄膨胀型钢结构防火涂料指防火涂层厚度在3mm以下，以溶剂型为主，具良好的装饰和理化性能，受火时膨胀发泡形成致密、强度高的防火隔热层，该防火隔热层极大地延缓了被保护钢材的温升，提高钢结构构件的耐火极限，为一类新型防火涂料。超薄膨胀型钢结构防火涂料一般使用在耐火极限要求在2.5h以内的建筑钢结构上. 目前国内外，已出现了耐火性能达到或超过2小时的超薄型钢结构防火涂料新品種。目前各种轻钢结构、网架等多采用该类型防火涂料进行防火保护。由于该类防火涂料涂层超薄，工程中使用量较厚型、薄型钢结构防火涂料大大减少，从而降低了工程总费用，又使钢结构得到了有效的防火保护。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，超薄型膨胀钢结构防火涂料黏度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好，在满足防火要求的同时又能满足高装饰性要求。

3.3.2超薄型钢结构防火涂料的基本组成。（1）成膜剂。成膜剂对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响。它与其它组分匹配，既保证涂层在正常工作条件下具有各种使用性能，又能在火焰或高温作用下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果；（2）催化剂。催化剂的主要作用是促进和改变涂层的热分解进程，如促进涂层内含羟基的有机物脱水炭化形成不易燃的三维空间结构的炭质层，减少热分解产生的焦油、醛、酮的量，阻止放热量大的炭氧化反应发生等；（3）成炭剂。成炭剂是形成三维空间结构不易燃的泡沫炭化层的物质基础，对泡沫炭化层起着骨架的作用，它们是一些含高碳的多羟基化合物，如淀粉、季戊四醇、双季戊四醇、含羟基的树脂等；（4）发泡剂。膨胀型防火涂料的特点是涂层遇热时，能放出不燃性的气体，如氨、二氧化碳、水蒸汽、卤化氢等，使涂层膨胀起来，并在涂层内形成蜂窝状泡沫结构。这些是靠发泡剂来实现的；（5）无机颜填料。对膨胀型防火涂料来说，含无机填料的比例较少，因其含量过高，会影响涂层的发泡高度，从而达不到隔热的目的；（6）其它成分包括少量的有机膨润土、消泡剂和流平剂等。

3.3.3超薄型钢结构防火涂料的作用过程。（1）平稳阶段：这一阶段为室温20℃～230℃，这期间失重仅为2%左右，主要是涂料中未挥发的溶剂和其它易挥发份，涂料的表层起火，这主要是涂料内的挥发份着火所致。此时，涂料中的成膜物质开始熔融软化；（2）发泡炭化阶段：这一阶段为230℃～420℃，这期间失重为43%左右，这阶段是涂料发挥作用的过程，主要是涂料中防火阻燃体系中的发泡剂三聚氰胺首先热分解，释放出不燃性气体NH3，同时成膜物质中部分成分分解产生NH3、HCl和水蒸气等促使第一阶段已熔融软化的成膜物质持续地膨胀发泡，形成泡沫层，此时脱水催化剂聚磷酸铵分解成聚偏磷酸，与成炭剂双季戊四醇、成膜物质等含羟基有机化合物发生化学反应，脱水成炭，在泡沫层中形成炭骨架，最后生成致密坚硬的黑色蜂窝状炭化层。因此可以有效的隔绝外部热源，保护钢结构基材；（3）失炭阶段：这一阶段为420℃～770℃，这期间失重为18%左右，这主要是炭化层中的碳逐渐被氧化成CO2而逸出体系，同时有一部分炭化层由于附着力不够而被气流带走；（4）无机层阶段：这一阶段为770℃～1000℃以后，这期间失重为0.24%左右，这主要是炭化层中碳被氧化逸出后，剩余的约37%的无机材料形成了白色无机骨架，防火涂料在火场后期（大约45分钟以后），主要是这些无机骨架在起到防火隔热的作用。

4结束语

综上，钢结构防火涂料，还需要向着超薄、超耐候性能、装饰性能優良的方向发展。一是研制和开发高耐候性的室外超薄型钢结构防火涂料。二是开发复合高效低水溶性的催化剂、成炭剂和发泡剂。三是通过树脂的复配或接支改性来改善防火涂料的防火性能和各种理化性能。四是将膨胀型和非膨胀型进行有机的结合，使涂层在高温下形成低膨胀率的高强度炭化层。五是将新技术应用到防火涂料中去，例如，将纳米阻燃材料加入防火涂料体系中将会的到意想不到的效果。六是将废物利用与防火涂料的开发有机的结合起来。

参考资料：

[1]张泽江、邱发礼、梅秀娟. 新型超蒲型钢结构防火涂料.《消防技术与产品信》.2003年.

[2] 秦汉民.防火涂料的防火原理和应用.《天津消防》. 2003年.

[3]李新华 .《钢结构防火涂料的运用》 . 《科技创业月刊》.2005年第4期.

[4]《钢结构防火涂料应用技术规范》.