浅谈防火涂料在钢结构中的应用与耐火性能分析

摘要：本文旨在探讨防火涂料在钢结构中的具体应用和相关耐火性能分析的方法。针对建筑物和工业设施中的钢结构，防火涂料被广泛应用，以增强钢材的耐火性能。本文首先对防火涂料的分类特性进行了概述，并探讨了其在钢结构中的应用领域和我国目前的应用现状。其次，简明介绍了钢结构防火涂料的几种耐火性能分析方法。最后，对钢结构防火涂料在未来的发展趋势做出展望。

关键词：防火涂料；钢结构；耐火性能；阻燃；发展趋势

引言

钢结构作为一种广泛应用于建筑领域和工业设施的材料，具有重要的结构功能和承载能力。然而，一旦遭遇火灾，钢结构的性能将大幅下降，甚至导致结构坍塌。因此，如何保护钢结构免受火灾侵害，成为建筑行业关注的焦点。防火涂料作为一种有效的防火措施，通过形成耐火层保护钢结构，能够显著提高钢结构的耐火性能。

一、防火涂料

（一）防火涂料分类

防火涂料自1837年问世以来，衍生出了许多种类。本文根据前人的相关文献[1-2]，总结出几种防火涂料的分类方法。防火涂料依据其防火机理的不同可以分为膨胀性防火涂料和非膨胀性防火涂料，目前绝大多数都是膨胀性防火涂料。防火涂料按使用范围可以分为室内防火涂料和室外防火涂料。前者主要应用在建筑内部装饰材料、轮船汽车等交通运输工具内部，后者主要应用在建筑外墙壁、钢结构等场所。防火涂料按照涂层厚度的不同可分为超薄型、薄型和厚型三种。防火涂料若按添加阻燃剂的方式来划分，可以分为添加型防火涂料和反应型防火涂料。

（二）防火涂料在钢结构中的具体应用

1.防火涂料的特性[3]

防火涂料具有以下主要特性：防火性能、附着力、耐候性和耐久性。防火性能是衡量防火涂料效果的重要指标，通常根据国家标准进行评估。[4] 附着力是衡量涂料与钢结构之间粘结强度的指标，良好的附着力可以确保涂层长期稳定附着在钢结构表面。耐候性和耐久性是指涂料在不同气候条件下的耐久性能，包括抗紫外线、耐盐雾和防腐蚀等能力。

2.防火涂料在钢结构中的应用领域

防火涂料在各类建筑物和工业设施的钢结构中得到广泛应用。[5]其中包括商业建筑、住宅建筑、大型公共设施、工厂和化工厂等。钢结构常用于承重部位，如梁、柱和悬挂装置等，在这些区域施加防火涂料能够有效延缓钢结构的热传导速度，从而提供额外时间用于火灾扑灭和疏散。

3.防火涂料的工作原理和應用方法

防火涂料的工作原理通常包括两个方面：火焰抑制和热隔离。[6]火焰抑制是指防火涂料中的化学成分在火灾发生时释放出气体或涂料体系产生水蒸气等，形成吸热和缓慢燃烧的条件，从而起到阻止火势蔓延的效果。热隔离是指防火涂料中添加的高温保护层能够隔离钢结构和火源之间的高温传导。

防火涂料的应用方法一般包括刷涂、喷涂和浸渍三种方式。[7]根据钢结构尺寸和形状的不同，选择合适的涂料和施工方式能够确保涂层的均匀性和完整性。

（三）我国钢结构防火涂料使用现状

在我国，随着建筑行业的快速发展，钢结构的应用越来越广泛，对防火涂料的需求也不断增加。目前，我国使用的钢结构防火涂料以有机防火涂料为主，涂料型和涂装型防火涂料得到广泛应用，有机防火涂料具有装饰性好、施工方便等特点，适用于各类建筑结构。

二、钢结构防火涂料的耐火性能分析方法

耐火性能是衡量防火涂料在火灾中应用的一项重要性质，也是钢结构防火涂料的重要性能，通常以防火涂料的涂层厚度和其对应的耐火极限来表示。钢结构在高温下会受热产生严重的变形，继而导致力学性能的恶化和丧失，引发事故，因此对钢结构防火涂料的耐火性能分析十分关键。[8]目前，我国钢结构防火涂料的耐火性能测试和产品质量标准制定都要依据现行阶段所采用的国家标准《钢结构防火涂料》（GB14907-2018）。本文主要介绍钢结构防火涂料耐火性能分析的几种常用实验室分析方法。

（一）锥形量热仪分析法

锥形量热仪对于燃烧中的防火涂料具有多项功能的测试，可测试防火涂料的热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、生烟速率、总生烟量等参数，这些参数在钢结构火灾安全工程与设计和防火涂料阻燃性能的研究中都非常重要，其应用十分广泛。[9]经过不断改善与发展，锥形量热仪现已成为研究材料燃烧性能最重要的实验仪器之一，锥形量热仪分析法也成为火灾科学中十分重要的耐火性能分析方法。锥形量热仪的燃烧环境与真实的火灾环境十分相似，其测试数据可进一步研究钢结构防火涂料的燃烧生烟过程与阻燃机理。

（二）热分析方法

所谓热分析是指在程序控制温度下测量材料的物理性质和温度之间关系的一种技术。[10]许多与热物理性质有关的分析方法都可归类为热分析方法。国际热分析学会将热分析技术分为9类17种，其中热重分析法（TG）、差热分析法（DTA）、差示扫描量热技术（DSC）的应用最为广泛，也是钢结构防火涂料在热分析技术应用的主要范畴。其中薄型和超薄型钢结构防火涂料用到的多数是膨胀性阻燃体系，[11]杜建科等利用DSC、TGA、DTA等方法分析了一系列膨胀性阻燃体系的组分及过程，解释了钢结构防火涂料的机理，对深入研究钢结构火灾安全设计有巨大作用。

（三）红外光谱分析方法

傅里叶红外光谱法（FT-IR）是利用傅里叶红外光谱仪来测试防火涂料在燃烧前后的分子变化，以此对防火涂料中各组分展开性能分析。[12]傅立叶红外光谱的特点是检测灵敏度高，测量精度高，分辨率高及测量波段宽，全波段内分辨率一致，这些特点可以极大帮助分析钢结构防火涂料各组分组成。[13]冯伟华、唐波等以水性丙烯酸树脂为基体， 聚磷酸胺、季戊四醇和三聚氰胺为膨胀阻燃体系， 加入少量氧化石墨烯制备水性膨胀防火涂料。利用红外光谱分析法观察到在加入氧化石墨烯的涂层的残炭中，3200cm-1左右的—OH吸收峰和1460cm-1左右的—CH2的弯曲振动峰更加明显，且出现了其他特征吸收峰，进而证明氧化石墨烯和季戊四醇的阻燃效果。

（四）X射线衍射分析方法

X射线衍射分析（XRD）是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。[14]研究晶体材料时，X射线衍射方法非常理想、有效，所以X射线衍射法被认为是研究固体最有效的工具。[15]刘志硕等利用X射线衍射分析对膨胀防火涂料碳层进行了表征，通过绘制ZrN-4的XRD谱图，发现了许多结晶峰，表明生成了焦磷酸盐类物质，使得碳层保存更好，提升了阻燃性能。

（五）传统阻燃分析方法

传统的阻燃测试实验方法种类繁多，从微尺度、小尺度一直到大尺度实验。大尺度实验虽然更加接近真实火灾，但耗资巨大且难以把控，因此最为广泛使用的还是小尺度实验。其中，氧指数测试方法和UL-94测试方法被广泛应用于防火涂料的质量控制和性能测试中。氧指数法（OI）是在评价塑料与纺织材料的燃烧中提出来的，其燃烧结果重现性较好；UL-94法则多用于评价材料燃烧性能，在国际上享有较高的权威性，受到了普遍认可。

三、钢结构防火涂料未来的发展方向和前景

钢结构防火涂料的未来发展方向主要包括以下几个方面：高温耐火性能的提升：不断研究新型防火材料和配方，提高防火涂料的耐高温性能，延长钢结构耐火时间。环境友好型防火涂料：研发低VOC（挥发性有机化合物）和无毒无害的防火涂料，减少对环境的污染和人体的危害。装饰性能的提升：改善无机防火涂料的装饰性能，使其能够满足建筑结构的装饰要求。施工性能的改进：提高防火涂料的施工性能，使其更易施工和操作，降低施工难度和成本。钢结构防火涂料具有广阔的市场前景，尤其是在高层建筑、工业设施和公共场所等领域的需求将持续增长。

结语

防火涂料在钢结构中的具体应用已经得到了广泛的实践和研究证明。通过形成耐火层，防火涂料能有效提高钢结构的耐火性能，保护建筑物和工业设施免受火灾侵害。钢结构防火涂料的耐火性能分析也可以经过多种方法检验，从而进一步研究和实践并完善钢结构防火涂料的性能和应用方法，推动其在工程领域的发展和应用。

参考文献

[1]王农，李静萍，施琪.防火涂料的研究现状及其发展[J].兰州铁道学院学报，2002（06）：106-108.

[2]汪源，朱金华，陈兆文，等.防火涂料的研究现状与发展趋势[J].材料保护，2006（03）：39-42+77.

[3]Sengupta，S.Fire resistant coatings for steel structures as passive fire protection measures： a review. Journal of Structural Fire Engineering， 2016，7（01）： 40-57.

[4]Wang Y，Tran H L.Fire performance of intumescent coating systems on steel structures： a review. Journal of Hazardous Materials， 2019：255-280.

[5]Tsujino T，Ezhilan A E.Exploratory studies on water-based intumescent fire protective coating for steel structures. Procedia Engineering， 2018：181-188.

[6]Li C Q， Wu K， Zhang L.The fire resistance period estimation of structural steel frame under different fire loads with intumescent coatings.Journal of Hazardous Materials， 2019：602-613.

[7]Zhang Q，Tan L，Liu B，et al.Performance of high-performance hybrid coatings for passive fire protection of structural steel.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（01）.

[8]李风，覃文清.钢结构防火涂料的研究和应用[J].涂料工业，1999（03）：33-36.

[9]舒中俊，徐晓楠，杨守生，等.基于锥形量热仪试验的聚合物材料火灾危险评价研究[J].高分子通报，2006（05）：37-44+78.

[10]孙利杰.热分析方法综述[J].科技资讯，2007（09）：17.

[11]杜建科，卢艳萍，陈健.差示扫描量热法分析防火涂料的膨胀体系[J].材料保护，2002（08）：5-7.

[12]马春妹.FT-IR红外光谱法在涂料工业中的应用[J].上海涂料，2002（03）：35-38+4.

[13]冯伟华，唐波，张胜，等.氧化石墨烯提高钢结构水性膨胀防火涂料的防火性能研究[J].涂料工业，2018，48（11）：37-41.

[14]胡林彦，张庆军，沈毅.X射线衍射分析的实验方法及其应用[J].河北理工学院学报，2004（03）：83-86+93.

[15]刘志硕，冯伟华，张胜，等. 氮化锆对水性环氧膨胀防火涂料防火性能影响的研究[C].中國建筑科学研究院建筑防火研究所第一届建筑防火大会优秀论文集，2022.

作者简介：姜奕豪（2003- ），男，汉族，山东招远人，本科，研究方向：安全工程。