钢结构防火防腐涂层材料性能研究

王灏喆，常少华，代育恒，黄 灿，廖利勇，卢 柳

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

自中国改革开放以来，建筑行业高速发展，各种施工工艺不断得到完善和创新，其中装配式建筑越来越受到大众的青睐。钢结构具有强度高、塑性强、韧性高、装配便捷等优势，在当今的建筑行业得到普遍的应用。不过，钢结构同样存在着一些弊端：当外部温度高于400 ℃时，钢结构的承载能力会下降，且承载能力的下降速度随着温度的升高越来越快，当温度升高至600 ℃以上时，钢结构将完全丧失承载能力直至建筑物垮塌。同时，钢结构也极易被腐蚀，由腐蚀所造成的钢材损失增加了较大的施工成本[1]。由此可见，做好钢结构的防火、保温、防腐工作不仅能够给施工方节约成本，还能够避免大火所导致的安全事故。

1 膨胀蛭石对钢结构防火涂料的影响

无保护钢结构的防火性能较差，因为无保护钢结构由于钢元素的高导热性，在火灾中温度会迅速上升。研究表明，火灾环境温度可在短时间内达到540 ℃，在此温度下，未受保护的钢结构将失去强度，导致钢结构变形或整个建筑倒塌，这可能导致灾难性的财产损失，甚至危及到人的生命。应用膨胀型防火涂料是保护钢构件的直接有效手段之一，已在钢结构建筑和隧道等混凝土结构中得到应用。最近几年，国内外的研究人员对防火涂料中的阻燃添加剂进行了更深层次的探讨。通常状态下，该涂料包括3 种阻燃添加剂，分别是酸源、碳源、发酵剂。涂层可以在火灾中形成膨胀的炭层，形成一个隔热屏障，能有效地保护结构本身，并保持建筑的结构完整性[2]。然而，由上述的3种阻燃添加剂和聚合物粘合剂组成的防火涂料不能在火灾中提供足够的长时间保护，主要以下有2 个原因：①阻燃添加剂涂层形成的炭层在高温下容易氧化，从结构物上脱落，对涂层性能产生重大影响，增加原始结构失效的风险；②涂料在高温膨胀过程中，阻燃添加剂产生的不可燃气体（如H2O、NH3、CO2等）容易挥发，从而会降低涂层的膨胀率和涂层的防火性能。因此，要提高防火涂料的性能，既要提高涂料的膨胀性能，又要提高炭层在高温下的抗氧化性能。

采用无机填料作为改良剂是提高防火涂料性能最简单、最有效的途径之一。最近的研究表明，无机填料如TiO2、MoSi2等可以与聚磷酸铵或磷酸反应，从而在炭层表面形成一层耐热性较高的陶瓷材料。涂料在着火膨胀过程中，涂料中的阻燃剂分解并释放出一些不可燃气体。此外，如片状玻璃和石墨这样的片状材料，可以提高涂层的膨胀率。但这些填料不能与聚磷酸铵或磷酸反应，同时由于其化学惰性，也不能形成耐热的陶瓷材料，因而无助于增强炭层的抗氧化性。上述填料并没有改善涂层的膨胀，同时也没有增强炭层的抗氧化能力，导致涂层在火灾下的防火性能改善不大。

膨胀蛭石是一种天然矿物质，具有层状结构，遇火会膨胀，膨胀蛭石的层状结构可以防止阻燃添加剂产生的不可燃气体逃逸。因此，膨胀蛭石可以提高防火涂层在火灾下的膨胀率，从而有效地隔离结构物外部的高温。此外，膨胀蛭石主要由耐热组分组成，如SiO2、Al2O3和Mg。这些耐热组分可以提高涂层的热稳定性，并增强炭化层在高温下的抗氧化性。膨胀蛭石的这些优点表明，膨胀蛭石可以作为防火涂料的改性填料。经研究表明，在涂层中加入7%的膨胀蛭石后，涂层的防火性能显著提高，且有利于涂层的膨胀率提高，形成更好的炭层泡沫结构。然而，过多地添加膨胀蛭石会导致炭层结构疏松脆弱，炭层传热速度加快，导致涂层防火性能下降。

2 聚苯胺对钢结构防腐涂料性能的影响

聚合物涂料在许多需要长期保护的工业领域中得到了广泛的应用，其防腐性能受到了人们的广泛关注。因此，聚合物涂料领域随着时间的推移一直在发展，并不断得到补充。然而，腐蚀防护过程中的环境侵蚀和磨损会使水等腐蚀介质渗入到涂层中，加速涂层的腐蚀，缩短涂层的使用寿命。随着生产和技术的发展，涂料应用的环境越来越多，对涂料的性能和类型要求也越来越高，如石油管道防腐涂料、海洋设施防腐涂料等。除环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂等常见聚合物可作为涂料基体材料外，更多种类的高性能聚合物被应用于涂料领域[3]。因此，选择一种性能优良的材料并加入合适的填料，让涂料获得更好的防腐性能具有重要意义。

聚醚砜（PES）树脂作为一种特殊的工程材料，由于其结构的特异性，具有良好的热稳定性、韧性、化学稳定性和机械性能，因此在防腐蚀涂料领域中得到越来越多的应用。然而，聚醚砜只有在高温下才能熔化和流动成膜。聚醚砜的高黏度限制了其作为涂层基体材料的应用。环氧树脂因其优异的流动性和低温交联固化能力，被广泛用作涂料中的主要材料或改良剂。因此，在聚醚砜树脂中加入交联剂（环氧树脂和固化剂）从而制备聚醚砜-环氧复合涂料，既能保持聚醚砜优异的耐腐蚀性能，又能降低固化温度。此外，在环氧树脂涂料中添加适当的有机或无机填料，可制备出性能优良的防腐涂料。

聚苯胺（PANI）是一种具有特殊电学和光学性质的聚合物，因其原料易得、合成工艺简单、对涂料具有良好的局部抗性而被广泛应用。此外，聚苯胺与金属接触后会在氧化态和还原态之间切换，从而保护原有结构物。聚苯胺与腐蚀介质和原有结构物接触后，会在结构物表面形成钝化膜，实现对结构物的二次保护。

与普通单层涂层相比，双层涂层更具针对性。因此，可以在底漆和面漆中分别添加合适的填料，使两层涂料既能独立作用又能相互配合，使涂料能更好地起到防腐的作用。对于表面涂层，其表面屏蔽性能可以防止腐蚀介质侵入涂层[4]。聚四氟乙烯（PTFE）是一种高分子材料，具有良好的物理屏蔽性能、化学稳定性、耐腐蚀性能、耐老化性能。在涂层材料中加入聚四氟乙烯可以提高表面涂层的物理屏蔽性能，从而进一步提高涂层的防腐性能和使用寿命。

经研究表明，聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的双层聚四氟乙烯环氧复合涂层，能更好地使结构物免受腐蚀。因为聚四氟乙烯是一种表面能低的大分子，所以可以将其加入到表面涂层中，从而得到良好的表面屏蔽性能。在底漆中，在涂层材料中加入不同体积分数的聚苯胺。聚苯胺与腐蚀介质和结构物接触后，会在结构物表面形成钝化膜，实现对金属的二次保护。随着聚苯胺体积分数的增加，涂层的耐蚀性先升高后降低。当聚苯胺的加入量为40%时，涂层的综合性能较好，可以认为是最佳的加入量。底漆中加入适当比例的聚苯胺可提高涂料的耐腐蚀性能[5]。通过观察研究，聚苯胺体积分数为40%的底漆未见明显缺陷。此外，以40%聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的双层涂料具有高附着力、长期的电化学耐蚀性和耐盐雾腐蚀性能。双层涂料的优异性能决定了其广泛的应用范围，该防腐涂料可广泛应用于桥梁结构、海洋腐蚀及更严重的腐蚀领域等大面积的金属易腐蚀领域。

3 高炉矿渣

钢铁行业在中国经济发展初期扮演着支柱产业的角色，在国民经济中一直占据着不可动摇的地位，与此同时，伴随高炉炼铁工艺而产生的矿渣与日俱增。长期以来，中国对于这些由铁矿石的内含杂质与熔剂发生化学反应后得到的副产物采取就地堆积或掩埋的措施，与部分西方国家高达96%以上的利用率形成鲜明对比，这样的处理方式不仅造成矿渣本身的资源浪费，更对土地资源、土壤环境和水资源等造成了严重破坏和污染，因此专家学者逐渐开始重视高炉矿渣的回收利用和二次加工等问题，提出多种解决方案，如将其用作建筑材料掺合料。从高炉矿渣的成分来看，其主要由CaO、MgO、SiO2和Al2O3构成[2]，此外还有较少的Fe2O3、Na2O 等成分，与天然矿石同属于硅酸盐材料，加上水淬处理使得部分热能存储于矿渣内部，其潜在的化学活性能够在一定条件下得到激发。

目前高炉矿渣的二次利用主要涉及建材、污水处理以及农业三大领域。在建材领域，可以先将其制备成微粉，然后根据高炉矿渣的酸碱性差异确定再加工产品的类别，最终得到建材掺合料、水泥基础混合材料以及石膏等产物。与西方国家较早进行的矿渣微粉研究和推广相比，国内有关微粉标准的制定和技术应用起步较晚，正式实施距今约20 年。实践表明，以高炉矿渣为原料制成的矿渣棉等材料性能突出，能够在建筑设备的隔热和保温方面发挥良好的效果。在污水处理领域，可以利用矿渣疏松多孔的玻璃状结构，通过水化反应生成经久耐用的凝胶，在处理废水时起到有效固封重金属离子的作用。从长期实践来看，通过高炉矿渣研制的重金属废水净化材料能够有效去除废水中的Cr3+、Pb2+和Zn2+等金属元素，去除率超过97%，从而满足排放标准。在农业领域，可以将高炉矿渣制成硅肥用于农作物施肥，饱含硅元素的肥料不仅能提高农作物的光合作用效率和养分吸收率，预防腐烂早衰，还能有效改善耕地质量，进一步提升作物产量。

高炉矿渣在以上三大领域的应用，是经过长期的探索实践，不断吸取经验并最终取得肯定评价的结果，随着相关技术和设备的突破，高炉矿渣资源化利用正逐渐走向高端化、科技化，呈现出新的发展方向，如制造微晶玻璃、地坪材料、多孔陶瓷、陶瓷纤维等，这些产物均是二次利用了高炉矿渣的成分特性。以多孔陶瓷为例，该材料强调在保证气孔率的同时保持耐腐蚀、耐高温以及高强度等特点，与高炉矿渣的特性巧妙契合。此外，以身为工业固体废弃物的高炉矿渣作为主要原料进行生产制造的突出优势就是成本较为低廉。

在国家政策的积极引导、科学技术的发展进步和人们环保意识普遍提升的背景下，采取更加科学有效的手段对高炉矿渣进行处理不仅能提高资源利用率，助力中国钢铁行业健康可持续发展，还能起到降低环境污染和破坏、助力社会绿色发展的作用。

4 石膏矿渣水泥

中国作为世界上石膏资源大国，石膏开采业同样也是位居前列。天然石膏中主要分为二水石膏和硬石膏2 种，主要用来制作石膏制品、添加剂、水泥缓凝剂等。其中二水硫酸钙质量分数较高的二水石膏，因为自身特性被广泛应用在建筑行业。石膏矿渣水泥是由高炉矿渣和石膏以及少量的石灰和硅酸盐水泥材料研磨搅拌制成，其中烘干后的高炉矿渣颗粒占比为75%～85%，天然无水石膏等占比为10%～20%。石膏制品因其易制作、环保、美观、价格低廉等优点，特别是其优良的耐火性能，被广泛用于内墙或天花板。石膏制品由半水硫酸钙制成，它的高孔隙率有助于保温。已有研究表明，高孔隙度与低密度、较差的力学性能和良好的低导热系数密切相关。由此产生的较低导热系数使得内外环境之间的热传递缓慢，从而获得更好的舒适性，并具有良好的防火性能[6]。然而，低强度不仅限制了石膏制品的应用，而且在火灾中强度急剧下降，甚至导致其覆盖的结构迅速失效。

与传统的膨胀型防火涂料不同，硅酸盐水泥防火涂料具有抗老化、抗开裂、遇水抗膨胀等性能。此外，采用简单灵活的材料喷涂方法，大大缩短了安装时间，降低了施工和维修成本[7]。与保温防火板相比，硅酸盐水泥防火涂料可用于异形构件。而且这种耐火材料不会产生有毒气体，有利于减少火灾和救援过程中的人员伤亡。但要保证足够的耐火性能，硅酸盐水泥防火涂料不仅要具有良好的保温、抗剥落性能，而且还要求其在高温后具有较高的残余力学性能。

5 结论

当钢结构涂层中膨胀蛭石的质量浓度为7%时，钢结构涂层的防火性能显著提高，涂层的膨胀率提高，炭层泡沫结构性良好。此外，以40%聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的双层涂料具有高附着力、长期的电化学耐蚀性和耐盐雾腐蚀性能。利用高炉矿渣和石膏制成的石膏矿渣水泥在高温环境中不仅承受时间长，而且不易发生材料变形导致的散架。