钢结构防火涂料防火原理及应用中存在的问题分析

    摘要：介绍了钢结构防火涂料的作用及防火原理、技术要求、分类及特点，指出了钢结构防火涂料应用中存在的问题。

    关键词：钢结构；防火涂料；耐久性；安全性

    1引言

    钢混结构一直是建筑物的主要结构形式，但随着建筑物的高层化，建筑物跨度的不断加大，致使钢混结构出现“肥梁”、“胖柱”的现象日渐突出。 钢材以其高强、体积小、制造与安装方便等诸多优点，有效地弥补了钢混结构材料的不足，愈来愈广泛地用于建筑结构，成为重要的建筑材料。可以预测，随着城市 规模的发展，钢结构在我国建筑业中的应用具有非常广阔的前景。

    2钢结构的优点及不足

    ⑴钢结构的质量轻。虽然钢的密度大，但因其机械性能好，可以承受较大的荷载，故钢结构件截面尺寸小，同样跨度同样荷载时，钢屋架的质量最多 不过钢筋混凝土屋架的1/3；钢结构的质量小，便于运输。⑵材质均匀，与力学计算的假定比较符合。钢材内部组织比较均匀，接近于各向同性体，而且在一定的 应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况与建筑力学计算的结果比较符合。⑶钢结构制造、安装机械化程度高。钢结构具有某种程度的技术密集 型性质，钢结构所用的材料单一，而且是成品，加工简便，机械化程度高，制造迅速，容易保证质量，适宜于大批量生产，从构件的工厂加工到现场吊装，工业化程 度大大高于具有劳动密集性质的现浇钢筋混凝土结构。⑷钢结构安装施工简便。钢结构由专业化金属构件厂生产构件（梁、屋架、柱等），在工地上用电焊或螺栓 （或高强螺栓）连接起来，施工安装简便迅速，可提高施工速度，已成为降低工程造价的最主要因素，结构造价问题已降到次要的地位。而且，螺栓连接的钢结构便 于改造拆迁。⑸钢结构在平面布局上的灵活性则是另一重要特点。在信息时代的今天，对室内平面、空间和内部设施的要求更加严格了。原先的布局和设备，不久就 可能变成不太适用或完全不适用，钢结构却可为平面重新布局提供更大的可能性，从而延长建筑物的使用寿命。⑹尽管钢结构有许多优点，但钢材常温热导率高，达 58.2W/（m·K），因而传热迅速，当遇火或遇热温度达到500℃左右时，其弹性模量、屈服强度和极限强度均显著降低，应变急剧增大，致使其迅速扭曲 变形，从而导致钢结构建筑物部分或全部塌陷破坏，这个过程仅有0.25h（即钢材的耐火极限），因而钢结构耐火性差的致命缺点成为钢结构建筑物火灾的隐 患。

    3钢结构的耐火保护方法

    对于钢结构的防火保护，无论采取何种方法都应具备以下几点：①安全无毒；②易于与钢构件结合；③在预期的耐火极限内可有效地保护钢结构；④在钢构件受火后发生允许变形时，防火保护材料应不被破坏而仍能发挥原有的保护作用；⑤经济合理。对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为2种：截流法和喷涂法。目前，我国在大型钢结构防火工程中常采用喷涂法，这种方法有利于梁柱结点及桁架的处理，喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层，但施工时对环境略有污染。

    4钢结构防火涂料的作用及防火原理

    ⑴防火涂料的作用

    防火涂料在我国众多的涂料品种中属于特种涂料的范畴。该种涂料在工程中主要用来阻止火焰传播、保护承载构件和减少火灾损失，是建筑防火的重要材料，它主要有以下2个作用。

    ●当涂覆于可燃基材上时，除起到与普通装饰涂料相同的装饰、防腐及延长被保护材料的使用寿命外，遇到火焰或热辐射时，防火涂料迅速发生物理化学变化，隔绝热量，阻止火焰传播蔓延，起到阻燃作用。

    ●当涂覆于构件表面时，除具有防锈、耐酸碱、耐烟雾作用外，遇火时还能隔绝热量，降低构件表面温度，起到耐火作用。

    ⑵防火涂料的防火原理

    防火涂料的防火原理已被国内有关专家确认，主要有以下3点：①涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸气或其它不燃气体，起到消耗热量、降低火焰 温度和燃烧速率、稀释氧气的作用。②涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中。③涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热 量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。

    表1钢结构防火涂料技术要求

表1钢结构防火涂料技术要求

5钢结构防火涂料的技术要求、分类及特点

    我国现行国家标准GB14907—2002《钢结构防火涂料》将室内钢结构防火涂料按施涂厚度分为：厚型（NH型）和薄型（NB型）两大 类。其技术要求见表1。20世纪90年代开始出现了超薄型（NCB）钢结构防火涂料，并且已成为目前我国钢结构防火涂料研究及生产单位竞相研制的热点。薄 型和超薄型涂料通常为膨胀型，遇火时涂层膨胀至原涂层的几倍甚至几十倍，形成热导率很低的蜂窝状碳质层，隔绝火焰对基材的侵袭，同时放出不燃性气体，从而 起到保护基材的作用；厚型为非膨胀型，遇火时涂层不膨胀，仅靠涂料中的绝热材料阻止热的传递，从而保护基材。薄型和超薄型涂料根据其分散介质的不同又分为 水性和溶剂型两类。水性涂料以高分子乳液为成膜基料，水为分散介质，生产和施工安全、环保，但涂膜不如溶剂型涂料致密，因而耐水性较溶剂型涂料差。溶剂型涂料以有机树脂为成膜基料，成膜不受温度限制，可低温施工，但因其以有机溶剂为分散介质，生产、施工、运输及贮存中有机溶剂存在易燃、对人体产生危害等不安全隐患，同时对环境产生污染、施工器具不易清洗、价格较高，因而水性涂料是发展方向。防火涂料的性能特点见表2。

    表2防火涂料的性能特点

表2防火涂料的性能特点

    6钢结构防火涂料应用中存在的问题

    6.1标准滞后的问题

    钢结构防火涂料标准的制定与执行往往由于各种原因而滞后于产品的生产与使用，这就使得防火涂料的生产与销售容易出现无据可依的局面，部分劣质产品鱼目混珠，为钢结构材料的安全使用带来隐患。

    6.2安全性问题

    薄型和超薄型防火涂料的膨胀阻燃体系大多为P-N体系，即其膨胀阻燃体系包括3大部分：酸源、碳源和气源。酸源即各种磷酸盐类，目前用得最 多的为多聚磷酸铵（APP）、磷酸三聚氰胺等；防火涂料遇火产生膨胀从而对基材起到保护作用的同时，其阻燃成分有可能释放出诸如NH3、HCN、HX、 CO、Cl2、Br2等有毒气体。如果这些气体的浓度超过了人体的耐受极限，便会对未逃离火场人员以及消防人员产生危害，这是应引起重视的问题。

    6.3薄型钢结构防火涂料的耐老化和耐候性问题

    厚型钢结构防火涂料的主要成分为无机物，具有较好的稳定性，耐氧化、耐辐射，长期使用其主要性能变化不大，且可通过增加涂层厚度的办法来保 证构件有很高的耐火极限，但其装饰效果比较差，不适用于有装饰要求的场所；而薄型钢结构防火涂料主要由高聚物组成，存在材料老化和降解等问题。如果经过一 段时间，涂料主要成分被氧化和降解，可能会削弱原有的性能，遇火时起不到应有的作用，就会造成损失。然而这一问题的验证工作国内尚未系统地开展，国家也无 统一的技术要求。

    6.4露天钢结构防火保护问题

    大量露天建筑物和构筑物，如化工炼 油厂、石油钻井平台、油、气罐群及油、气罐支撑和电缆桥架等，广泛采用了钢结构，需要施加相应的防火保护措施。由于其暴露于户外需要承受日照、风吹、雨 淋、冻融、外来冲击等严酷自然因素及化工厂酸、碱等腐蚀的影响，要求涂料有更好的耐候性能。目前国内许多单位在原有的钢结构防火涂料的基础上改进开发了露 天防火涂料。其相关标准见GB14907—2002中室外钢结构防火涂料技术性能。