钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究
发布日期：2011/12/27 国家防火建筑材料质量监督检验中心, 作者：李 风
0 引 言
由于钢结构具有强度高、受荷能力强、自质轻、占空体积小、构件制造与安装方便、节约木材等许多优点, 因此越来越广泛地应用于建筑中。特别是一些重要建筑、大跨度建筑和高层建筑, 采用钢结构是十分理想的。随着我国建设事业的不断发展, 各种建筑象雨后春笋, 日益增多, 各部门对使用钢结构防火涂料作钢材防火保护的要求也日益增加, 钢结构防火涂料的研究、生产及推广应用正在逐渐进入高潮。
钢结构防火涂料是由基料、阻燃添加剂、增强填料、溶剂及助剂经研磨而成, 喷、刷在钢构件表面, 除具有装饰和保护作用外, 由于涂料本身的不燃性和难燃性, 能阻止火灾发生时火焰的蔓延, 延缓火势的扩展, 起防火隔热保护作用, 使钢材免受高温火焰的直接灼烧, 防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度, 避免钢结构在短时间内失去支撑能力而导致建筑物垮塌。从而延缓垮塌时间, 为消防救火提供宝贵的时间。钢结构防火涂料发展到现在, 基本上已形成多品种、系列化。从类型上讲有厚涂型、薄涂型和超薄型。在应用范围上又分室外型和室内型。使用钢结构防火涂料, 可将钢结构的耐火极限由0.25 h提升到设计规范规定的耐火极限。可应用在耐火极限要求0.5~ 4 h的建筑钢结构上。由于钢结构防火涂料比其他防火保护措施相比有成本低、施工灵活等优点, 广泛用于大型承重钢结构, 用于耐火等级为一、二级的建筑物的钢柱、梁、楼板和屋顶承重构件, 设备的承重钢框架、支架、裙座等。用防火涂料保护钢梁或钢柱, 可达4. 0 h耐火极限。对薄型特别是超薄型钢结构防火涂料, 其外观装饰性很好, 因此在满足防火要求的同时, 又能满足人们高装饰性要求, 因此特别适用于重点工程和表面积较小的钢桁、钢网、钢条等非承重钢结构。目前防火涂料是工程应用中钢结构防火保护的最佳选材。
1 钢结构防火涂料性能测试方法与技术要求
耐火性能是钢结构防火涂料的重要性能。钢结构防火涂料的耐火性能以涂覆钢构件的涂层厚度和对应的耐火极限来表示。在我国钢结构防火涂料性能测试及产品质量制定依据国家标准
<钢结构防火涂料> 2 GB149073, 对涂料耐火性能的测试方法是选用工程中有代表性的型钢梁2 如I36 b、I40 b3或实际工程中使用的钢构件作为基材, 经除锈和喷刷防锈漆等防锈处理后, 依据待测钢结构防火涂料产品中规定的使用量和工艺条件对构件进行涂覆和保养。待养护期满后
, 按GB /T9978 <建筑构件耐火性能试验方法>规定的试验炉、标准升温和操作程序进行试验。当试件为钢梁时, 应简支、水平安装在水平燃烧试验炉上, 并按GB J17-1988 <钢结构设计手册>的规定加载, 采用等弯矩四点集中加载, 钢梁三面受火, 受火段长不少于4 500 mm; 试件支点内外非受火部分不应超过300mm。耐火试验采用明火, 使试件受到与实际火灾相似的火焰作用。钢结构防火涂料的耐火极限以试验开始至试件失去承载能力或涂料失去隔热性的时间来确定。钢梁的耐火极限时间是以试件最大挠度达到L /202 L是两支点距离3的时间作为判定根据。对室外钢结构防火涂料耐火理化性能判定是, 用116热轧普通工字钢梁2 长度500 mm 3 7根, 每根预埋热电偶后, 按涂料规定的施工工艺对7 根短钢梁的每个表面进行施工, 涂层厚度规定为室外超薄型2WCB 3 1.5~ 2.0 mm, 室外薄型2WB 3 4. 5~ 5. 0 mm, 室外厚型2WH 3 20~ 25 mm。每根短钢梁试件的涂层厚度偏差相互之间不能大于10%。用6根达到规定的养护期的钢梁分别完成耐曝热性、湿热性、冻融循环性、酸性、碱性、盐雾腐蚀性试验, 然后同第7 根涂覆钢梁一起进行以下耐火试验。将试件水平放入试验炉中, 3 面受火, 按GB /T 9978- 1988规定的升温条件升温, 同时监测3个受火面相应位置的温度。以第7根钢梁内部达到临界温度2 平均温度538 ? , 最高温度649 ? 3 的时间为基准, 第1~ 6根钢梁试件达到临界温度的时间衰减不大于35%者, 来判定该对应项理化性能是否合格。对钢结构防火涂料产品质量的判定, 则是按国家标准GB14907- 2002 <钢结构防火涂料>中的指标要求进行。钢结构防火涂料的技术性能要求应符合表1 的规定。
室外钢结构防火涂料的技术性能要求应符合表2 的规定。
2 钢结构防火涂料配方设计的研究及应用
为了论述方便, 将钢结构防火涂料组成简化为基料、阻燃剂、增强填料、溶剂、颜料、助剂六大部分。
在进行钢结构防火涂料配方设计前, 首先根据防火涂料的用途、主要特性及质量指标要求来决定防火涂料组成中应选择何种成膜材料(基料)。在确定主要成膜物材料以后, 再相应选用阻燃添加剂、增强填料、颜料、溶剂、助剂的品种。因此, 在设计钢结构防火涂料配方时, 除要满足防火涂料特性及质量指标要求外, 还应适应钢结构防火涂料不同施工方式的要求。不仅要考虑主要成膜物、阻燃添加剂和增强填料, 还要重视辅助成膜物-溶剂、助剂的选择, 在设计有色钢结构防火涂料配方时还要重视颜料的选择。
钢结构防火涂料配方设计即配方组成的确定, 主要包括:原料选择(基料、阻燃添加剂、增强填料、颜料、溶剂、助剂等)及各种原料之间的合理配比选择。在防火涂料配方设计时,应在多因素中抓住主要因素, 即以主要成膜物(基料)的选择作为原料第一步选择的重点。首先要根据产品用途, 技术要求、施工应用条件及被保护对象, 被保护物形状、干燥方式初步确定一种基料进行试验, 或者固定一种阻燃体系及配比来优选各种基料。先逐步对阻燃添加剂、溶剂和增强填料2填充剂3的类型进行选择, 依次再进行基料与其之间的配比选择等。
一般钢结构防火涂料配方设计主要有下列几个内容: 1各种基料类型的选择; 2 各种阻燃添加剂及增强填料类型的选择; 3 各种溶剂类型的选择; 4各种助剂类型的选择;5 各种颜料类型的选择; 6各种原料配比的选择; 7 防火涂料实验研究配方的确定;8防火涂料的生产配方的确定。
在钢结构防火涂料配方设计的具体方法上, 可以充分利用先进的检测仪器, 借助正交设计等优选方法, 达到提高配方设计的效率及可靠性的目的。在防火涂料配方设计中, 还应
注意下列问题: 1 了解各种原料2包括基料、阻燃剂、颜料、填料、溶剂、助剂等3的性能及来源、质量、检验方法和价格, 能否相互配合这一点是相当重要的。2 了解防火涂料的主要生产工艺及设备情况, 使配方设计与生产工艺及设备更紧密结合,使生产效率得到提高, 产品质量得到稳定。3 配方设计不仅要考虑质量指标; 同时要考虑产品成本。要充分利用国内各种资源, 尽量使用价格低资源丰富的原料, 达到以最低的成本制造出最好质量的产品。
3 钢结构防火涂料的研究和应用
3 1 厚涂型钢结构防火涂料
一般讲, 所谓厚涂型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度在8~ 50 mm 的涂料, 这类钢结构防火涂料的耐火极限可达0. 5~ 3 h。厚涂型钢结构防火涂料又叫钢结构防火隔热喷涂涂料。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, 延缓钢材的温升, 保护钢件。这类钢结构防火涂料是用合适的粘结剂, 再配以无机轻质材料、增强材料组成。与其他类型的钢结构防火涂料相比, 它除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外, 由于它从基料到大多数添加剂都是无机物, 因此它还具有成本低廉这一突出特点。可用于该类钢结构防火涂料基料的无机粘接剂有碱金属硅酸盐类、磷酸盐类等。该类钢结构防火涂料施工采用喷涂, 一般多应用在耐火极限要求2 h 以上的室内钢结构上。这类产品由于涂层厚, 外观装饰性较差。
3 2 薄涂型钢结构防火涂料
一般讲, 涂层使用厚度在3~ 7 mm 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, 延缓钢材的温升, 保护钢构件。这类钢结构防火涂料一般都是水溶性的, 溶剂性的极少,这里主要介绍这类水性钢结构防火涂料的研究。这类钢结构防火涂料一般都是用合适的乳液聚合物作基料, 再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这类型防火涂料, 要求选用的乳液聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性好。常用作这类防火涂料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。对于用水性乳胶作基料的防火涂料, 阻燃添加剂和颜填料是分散到水中的, 因而水实际上起作分散载体的作用。为了使粉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。该类钢结构防火涂料在生产过程中一般都是分为三步: 第一步先将各种阻燃添加剂分散在水中, 然后研磨成规定细度的料浆, 第二步再用基料- 乳液进行配漆(料浆) , 第三步在料浆中配以无机轻质材料、增强材料等搅拌均匀。在配漆中加入适量的消泡剂等并使其达到一定的黏度, 该类水性防火涂料一般分为底层(隔热层) 和面层(装饰层), 其装饰性比厚涂型料好,该类溶剂性防火涂料为单组分(一层)。施工采用喷涂, 一般使用在耐火极限要求不超过2 h的建筑钢结构上。
3 3 超薄型钢结构防火涂料
所谓的超薄型钢结构防火涂料, 是指涂层使用厚度不超过3 mm的钢结构防火涂料。这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层, 该防火隔热层延缓了钢材的温升, 提高了钢构件的耐火极限。这类涂料是近几年发展起来的新品种。目前该类钢结构防火涂料大多数都是溶剂型的, 是以合成树脂作基料, 用200# 汽油、苯类等有机溶剂作为分散体和稀释剂, 再配以阻燃剂、膨胀发泡剂等原料, 经碾磨加工而成。这类钢结构防火涂料的研究中, 由于要求涂层在一定温度发泡形成防火隔热层, 因此对其基料有一个特殊要求, 这就是要求基料能与整个涂料体系协合, 使涂料既有良好的机械理化性能, 又能在受火时形成较好的泡沫隔热层, 为了达到一定的阻燃耐火时间, 要求发泡层在高温下也不脱落。另外还有对金属的腐蚀性能、附着力、室温固化性、涂膜装饰性等要求。
上述这些要求决定了基料的选择原则是应充分考虑多个方面。常用作这类防火涂料的基料有环氧树脂、氨基树脂、过氯乙烯树脂等。由于这些树脂的室温自干性较差, 在普通涂料中一般采用高温烘干或酸类催化剂催干。作为用于建筑物钢结构的防火涂料, 用高温烘干是不现实的。如用催化剂催干又存在涂膜理化性能和存放稳定性问题, 因此怎样合理地处理室温自干性与存放稳定性及涂料理化性能、涂膜的装饰性等问题, 是这类钢结构防火涂料研究的一个重要方面。另一方面, 要考虑如何使钢结构防火涂料在受火时, 其发泡层在高温下( 1 000 ? 左右) 与钢材具有较强的粘结性, 以保证其在火灾条件下发泡层能有效地保护钢基材, 不致因烈火而烧蚀、开裂、脱落, 延长涂料层能经受火灾考验的时间。研究实践证明, 解决这些问题的比较好的办法是对树脂进行改性, 即采用几种树脂、粘结剂拼合在一起的复合树脂作为该类防火涂料的基料。利用合成树脂相互之间能取长补短, 流平性好、成膜后的韧性好等特点达到预期目的。另外钢结构防火涂料的另一关键组分- 阻燃添加剂, 它对涂料的防火性能影响也是巨大的。对于阻燃剂, 要求它必须能与基料相互配合, 在受火时组分间协调一致, 膨胀发泡形成均匀、坚固、致密的防火隔热层。可用于该类钢结构防火涂料的阻燃剂种类繁多, 性能各异。在研究过程中, 要根据形成膨胀发泡体系的原理, 进行复合阻燃剂的筛选。最后与基料进行配伍, 摸索和研究合理的配比, 使防火涂料达到最佳防火效果。超薄膨胀型钢结构防火涂料施工可采用喷涂、刷涂或滚涂, 一般使用在耐火极限要求2 h以内的建筑钢结构上。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比, 超薄膨胀型钢结构防火涂料粒度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出特点。在满足防火要求的同时, 又能满足人们高装饰性要求, 特别是对于裸露的钢结构。这类涂料是钢结构防火涂料中的后起之秀, 是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。
3 4 室外钢结构防火涂料
室外钢结构防火涂料是指能适合于室外环境使用的钢结构防火涂料, 主要应用于建筑物室外和石化企业等露天钢结构。这类钢结构防火涂料的基料是用耐候性好的(一般室外使用的)合成树脂或有机高分子聚合乳液与无机粘结剂复合而成, 再配以阻燃剂、轻质材料、增强材料组成。这种/ 复合可以为化学过程, 也可以为物理过程。所谓化学过程, 是通过化学方法, 在无机物的分子结构上引入有机基因, 使其性质得到改善。而所谓物理过程, 多指机械混合过程, 得到有机和无机的混合分散液。硅溶胶是一种比较理想的无机成膜物, 它是由水玻璃经过酸处理, 电渗析及离子交换等方法去掉钠离子得到的超微粒子聚硅酸分散体, 具有一旦成膜就不再溶解的特性。但由于它在成膜过程中体积收缩大, 所以容易引起涂层开裂、硬脆。如果用水性有机树脂或有机乳液与之并用,则可以大大改善涂膜的硬脆。常用的水性树脂和有机乳液有丙苯乳液、丙烯酸系列乳液等。这些乳液、树脂的耐候性好,常常用作室外建筑涂料的基料。室外钢结构防火涂料的研究中, 阻燃添加剂的选择原则与其他几类钢结构防火涂料类似。不过因为其使用性能的特殊性, 即耐水、耐候、耐化学腐蚀性能等要适用室外的环境条件, 所以对各阻燃添加剂的要求更苛刻。因为这时的阻燃添加剂不仅要能与基料有机的协合,使其有理想的防火隔热性, 而且还要提高涂料的耐候、耐水等理化性能, 使其能适用室外使用的环境条件。
4 结 语
2 13 钢结构防火涂料作为一种消防安全专用产品, 其质量直接影响工程安全的可靠程度。我国专门制定了产品质量要求的国家标准, 即GB14907 钢结构防火涂料!。同时制定了产品入市的准则, 即/ 钢结构防火涂料产品型式认可准则。随着新消防法!的实施, 钢结构防火涂料的入市准则也将向国际通用的/ 认证制度过渡。
2 23 随着人们对环境保护重要性认识的不断深化, 钢结构防火涂料的开发研究也正在朝着高效率、少污染、环境友好方向发展。
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