钢结构防火涂料防火性能评价方法及产品质量安全风险分析

■ 陈大勇，李泽刚，王璐，方然，傅敬伟

（成都产品质量检验研究院有限责任公司，四川省产品质量监督检验检测院，成都市产品质量监督检验院）

随着建筑行业的飞速发展，钢结构因其高强度、易安装、抗震性能好等优点得到了广泛应用。虽然钢为不燃材料，但是当温度达到600℃时，钢结构会逐渐失去承载能力。而在火场中，通常会在10min 内达到800℃以上的温度，若不加任何保护，裸露的钢结构很快会出现变形，产生局部破坏，最终失去承载力[1]。因此，通过有效的措施对钢结构进行保护对保障人民的生命财产安全具有重要意义。

钢结构防火涂料是一种由基体树脂、成碳剂、催化剂、发泡剂组成的涂覆于钢结构表面，起提高钢结构耐火性能的涂料。由于其防火隔热性能好、施工便捷等优点，广泛应用于钢结构的保护。目前，国内钢结构防火涂料的市场需求每年在2 万吨以上，累计使用钢结构防火涂料已达20 余万吨，保护面积数百万平方米；其生产和施工涉及的单位超2000 余家[2]。本文介绍了钢结构防火涂料的防火机理、防火性能的检测方法，对其在使用过程中的安全问题进行风险分析，对综合评价钢结构防火涂料的防火性能提出了建议。

一、钢结构防火涂料的防火机理

钢结构防火涂料按防火机理可分为膨胀型和非膨胀型[3]。

其中，膨胀型的防火机理为：（1）涂料中含有碳源、酸源、碳化剂、发泡剂等成分，在受热过程中分解产生气体，形成膨胀发泡层，起到隔绝氧气的作用，并且因为其泡孔结构的存在，降低了热量的传递，从而起到保护基体的作用；（2）膨胀发泡过程是一个吸热过程，能降低基体表面的温度，起到隔热作用[4-5]。

非膨胀型的防火机理为：（1）涂料主要成分为无机绝热材料，自身不燃，导热率低，延滞了热量传向被保护基材的速度；（2）涂料中的某些组分遇火相互反应，生成不燃气体，该过程是吸热反应，消耗了大量的热，有利于降低体系温度；（3）涂料在高温下形成一种致密结构，能有效隔绝氧气并具有反射热量作用，延缓钢结构升温[6-7]。

二、钢结构防火涂料防火性能的检测方法

（一）国标中规定的检测方法

GB 14907-2018《钢结构防火涂料》是我国现行关于钢结构防火涂料防火性能的检测方法，其实施过程可概括为：选用HN 400×200 热度H 型钢和36b 工字钢进行试件制作。在试验前先测定涂层厚度，然后再按照标准要求进行加载、耐火试验。最终判定条件为试件的最大弯曲变形与平均温度。虽然该方法是目前国家标准中规定的试验方法，但笔者认为该方法存在以下几点弊端：1.试验过程复杂、周期长、成本高；2.只考察了耐火性能，实际在发生火情时，防火涂料受火后可能会产生大量有毒有害气体，该因素同样应该考虑；3.该方法对生产企业初次生产进行型式检验时还适用，但对工程验收时，受其试验周期等影响，很难有实际应用。

（二）标准外的检测方法

1.锥形量热仪法

锥形量热仪是一种表征材料燃烧性能的较为理想的仪器，其试验参数包括：点燃时间（TTI）、总释放热（THR）、释热速率（HRR）、烟及毒性参数等。由于其试验环境与火灾材料的真实燃烧环境接近，所测得的参数可用来评价材料在火灾中的燃烧行为。其应用主要包括：评价材料的燃烧危害、研究阻燃机理以及进行火灾模型研究。埃弗森·坎德雷[8]等人通过锥形量热仪的方法研究了不同的涂料配方，在不同的辐射功率（25、50、65 kW/m2）下的燃烧行为，其主要评价指标包括点燃时间、最大热释放速率以及达到最大热释放的时间。点燃时间越短、热释放速率越大，则火灾危害性越大。此外，锥形量热仪中测定的比消光面积（SEA），可以表征燃烧过程中的发烟量动态参数，因此可对烟气进行一定程度的评价。

2.热分析法

膨胀型防火涂料的防火机理多为在受热过程中分解产生气体，通过热分析方法（DSC、TGA 和DTA）可以研究体系在受热过程中随着温度变化，体系发生变化的动态过程。明建耀[9]等人通过TGA 的方法研究了一种水性膨胀防火涂料的防火性能，其评价指标主要为残碳重量。但是该方法是一种微量测试方法，用量评价防火涂料的防火机理可以，但不适用于直观评价防火性能，因为其试验环境与真实火灾环境相差较大。但可作为其他评价方法的一种辅助手段。

3.扫描电镜法

扫描电镜（SEM）主要用来观察涂料燃烧过后炭化层的表面形貌，尤其对膨胀型防火涂料，由于其防火性能与其膨胀程度有密切关系，通过观察炭化层的泡孔形貌，可以侧面反映出其防火性能。王国建[10]等人就通过SEM 的方法研究了在水性膨胀防火涂料中加入玻璃鳞片（GF）可以改善涂层的泡孔结构，最终有利于防火性能的提高。

4.红外光谱法

红外光谱可用来表征分子结构，研究防火涂料在燃烧前后经历的变化，从而推断其阻燃机理。狄志刚[11]等采用红外光谱法研究了以自制的阻燃抑烟剂制备的羟基有机硅单体和羟基丙烯酸树脂为主要基料的防火涂料，通过–Si–O–键的吸收峰变化来评价其防火性能。

虽然以上几种方法在一些科研工作中有所研究，但并未形成较为系统的评价方法。笔者认为，在小尺寸试验中，采用锥形量热与红外连用的方法，可以较好评价防火涂料的防火性能，原因有以下几点：（1）试件制作过程中，防火涂料的涂刷可按照实际使用中的施工方法，贴近实际；（2）试验环境与火灾环境接近；（3）测试参数种类多，评价指标较全；（4）联用红外，可以对烟气成分进行分析，研究其产烟毒性，从而更加全面地分析其防火性能。

三、风险监测建议及措施

（一）产品质量风险点

钢结构防火涂料由于其自身的局限性以及在生产、流通、使用过程中存在的问题，其风险点主要包含以下几个方面：

1.产品自身缺陷，多数膨胀型防火涂料阻燃剂采用C-N-P 或C-NP-CL 体系[12]，在受热分解过程中会产生NH3、HCL、NOX、CO 等，这 些气体均可产生窒息作用[13]。

2.企业技术欠缺，生产的防火涂料产品质量达不到标准要求。

3.施工过程中，为降低成本，掺杂品质低劣的产品，不按施工工艺进行施工，涂刷厚度达不到要求，或应该挂网的地方而不挂网等。

4.使用过程中，防火涂料的使用寿命低于钢结构设计年限，出现老化等问题而未及时维护。

（二）风险监测建议及措施

随着建筑中钢结构应用越来越广泛，钢结构防火涂料的质量直接关系到人身安全。相关部门应做好日常风险监测工作，防患于未然，可最大限度减轻损失。针对以上提出的风险点，本文提出以下几点建议：

1.落实企业产品质量主体责任，加强质量监管力度。由于目前钢结构防火涂料取消了强制性产品认证，因此相关部门的监督显得更为重要。通过产业政策引导和对企业的产品质量安全教育，引导企业合理设计，提升产品质量。

2.加强技术引导，开展行业技术交流，提升企业技术能力。

3.对施工现场进行严查，保证施工过程的规范性，施工工艺的不同，对防火性能的影响极大。此外，加强施工过程中的抽检，防止掺入杂物和假冒伪劣产品。

4.规范验收，在消防工程建设结束时，严查防火涂料的使用情况，对其相关检测报告、采购合同、发票等资料进行严查，保证其使用的材料符合相关规范。

5.使用过程中因意维护保养，由于防火涂料在使用过程中，受到环境的影响，可能会导致涂料老化、失效、脱落等，这种老化现象会造成防火涂料防火性能急剧下降。因此，一旦出现这种情况，应及时维护，保证其防火性能。