钢结构防火涂料的应用和研究

时间:2014-12-27 10:51来源:湖南工业大学土木工程学院 作者:欧蔓丽,曹伟军,陈科良
一、引言

钢结构具有强度高、重量轻、施工速度快、抗震性能好环境污染少等优点，是一种优良的建筑结构形式，在现代建筑中在现代建筑中使用非常广泛，特别是为了节约土地资源，我国规定从2003 年7月起，禁止在全国各大中型城市使用实行粘土砖，钢结构建筑日益增加。
 

二、提高钢结构抗火性能的主要方法

由于在火灾下无保护的钢构件的温度升高迅速，而钢材的强度随着温度的升高快速下降，到600℃时，钢材的屈服强度下降到常温的30%以下，因此钢构件的承载力也迅速下降，构件在火灾中可能很快破坏，无保护钢构件的耐火时间很短，一般不能满足建筑对构件耐火极限的要求，因此需要采取措施提高钢结构的抗火性能，使钢构件达到规定的耐火极限要求。提高钢结构抗火性能的主要方法有：水冷却法，单面屏蔽法，浇筑混凝土或砌筑耐火砖，采用耐火轻质板材作为防火外包层，涂抹防火材料，耐火耐候钢材。钢结构防火方法应用最多的为涂抹防火材料，将防火涂料涂覆于钢材表面，这种方法施工简便、重量轻、耐火时间长，而且不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性。
 

三、钢结构防火涂料的类型和特点

防火涂料是指涂装在物体表面，可以防止火灾发生，阻止火势蔓延传播或隔离火源，延长基材着火时间或增加绝热性能以推迟结构破坏时间的一类涂料的总称。钢结防火涂料的品种较多，通常根据高温下涂层变化情况分膨胀型和非膨胀型两大系列。膨胀型防火涂料，又称为薄型防火涂料，厚度一般为2～7mm，其基料为有机树脂，配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分，遇火后自身会发泡膨胀，形成比原涂层厚度大十几倍到数十倍的多空碳质层。多孔碳质层可以阻挡外部热源对基材的传热，如同绝热屏障。用于钢结构防火，耐火极限可以达到0.5～1.5h。非膨胀型防火涂料，主要成分为无机绝热材料，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性，故又称为隔热型防火涂料。其涂层厚度从7mm到50mm，对应耐火极限可以达到0.5 至3h 以上。因其涂层比薄型涂料要厚得多，因此又称为厚型防火涂料。按照涂层的厚薄、成分、施工方法及性能特征不同不同进一步分成不同类别，见下图：

膨胀型防火涂料涂层薄、重量轻、抗震性好，有较好的装饰性，缺点是施工时气味较大，涂层易老化，若处于吸湿受潮状态会失去膨胀性。

非膨胀型防火涂料其防火机理是利用涂层固有的良好绝热性，以及高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用，来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，从而延缓钢构件达到临界温度的时间。厚质防火涂料一般不不燃、无毒、耐老化、耐久性较可靠，构件的耐火极限可以达到3h 以上，适用于永久性建筑中。

厚型防火涂料又分两类，一类以矿物纤维为骨料采用干法喷涂施工；另一类是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为主的骨料，采用湿法喷涂施工。采用干法喷涂纤维材料与湿法喷涂颗粒材料相比，涂层质量轻，但施工时容易散发细微纤维粉尘，给施工环境和人员可能造成健康影响，另外表面疏松，只适合于完全封闭的隐蔽工程。
早在20 世纪50 年代日本采用石棉干喷涂于船舶防火隔堵，到了20 世纪60 年代又大量用于钢结构建筑。后来因为担心石棉致癌原因停止使用，用矿棉喷涂代替。日本采用矿棉喷涂的企业约有十多家，其中日本Nichias 公司的矿棉防火喷涂材料曾经在我国深圳发展中心、上海国贸中心大厦钢结构中大面积采用，目前国内也开始引进这种干法矿棉喷涂工艺在国内施工应用。但是由于担心矿棉粉尘对施工人员和建筑物内工作人员可能造成健康影响，国内外这种材料和施工工艺是否要推广均持不同意见。

在国内永久性钢结构建筑中大量推广应用的厚质防火涂料为主要湿法喷涂工艺。采用湿法喷涂的厚质防火涂料目前国内有两种：一种以珍珠岩为骨料，水玻璃（或硅溶胶）为胶粘剂，属双组分包装涂料，采用喷涂施工。另一种是以膨胀蛭石、珍珠岩为骨料，水泥为粘结剂的单组分包装涂料（又称水泥系防火涂料），到现场只需加水拌匀即可使用，能喷也能抹，涂层表面能够达到光滑平整。在水泥系防火涂料中，其密度较高的品种具有优良的耐水性和抗冻融性。

结构防火涂料按照国标GB149072002 《钢结构防火涂料》的要求进行检测。该标准于2002 年8 月正式实施，与1994 年版的标准相比作了较大的调整。新标准主要对室外涂料及超薄型涂料专门规定了试验方法与性能要求，并对室外涂料规定了耐久性检验，各类涂料新增腐蚀性技术要求，取消了抗弯性、抗震性、热导率等技术要求。新标准无疑更符合当前钢结构防火涂料的生产和应用实际。

目前，钢结构防火涂料代表性的产品有: 国内的“SD22”“TN2LG”防火涂料，“SD21”“LB”防火涂料,“SCB”、SCA”防火涂料。国外的产品如英国Grace Construction Products 的“MonoketeFirep roofing U K26”，美国美商华人企业股份有限公司的“AD”防火涂料，德国Herberts 的“Water Based 38320”防火涂料，38091 型防火涂料，英国的“Nullifire”防火涂料等等。实际检测中发现，钢结构防火涂料的耐火极限与涂料本身的特性有关，与涂层厚度并非成线性关系, 涂层越厚, 不一定耐火极限越高。下图为国家防火建材质检中心得到的三类钢结构防火涂料对同一钢梁的涂层厚度———耐火时间特征曲线。

四、钢结构防火涂料技术要求

钢结构防火涂料的技术要求一般是用于制造防火涂料的原料不得使用石棉材料和苯类溶剂；防火涂料可用喷涂、抹涂、刷涂等方法的中的任何一种或多种方法方便的施工，并能在通常的自然环境条件下干燥固化；防火涂料应该呈碱性或偏碱性，复层材料应相互配套；底层材料应能和防锈漆或钢板相协调；涂层实干后不应有刺激性气味，燃烧时不产生浓烟和有害人体健康的气味。
1.钢结构防火涂料的技术性能指标应符合下表的规定：

注：本表所列防火涂料性能仅适应于建筑物及构筑物室内使用的各类钢结构防火涂料，不包括室外用钢结构防火涂料升温技术要求。

2.钢结构防火涂料在喷涂方面的主要问题:

①喷涂层太薄。钢结构耐火极限的性能指标与喷涂厚度密切相关。如钢结构的防火涂料的厚度不按设计要求喷涂, 喷涂厚度太薄,钢材的耐火极限就不可能达到消防的要求。

②喷涂表面有乳突。喷涂表面有乳突会影响涂层表面均匀平整。
③选择类型不对。把薄涂型, 尤其是超薄型涂料用于要求2 h以上耐火极限钢结构上, 技术性能仅能满足室内的膨胀型防火涂料用于室外, 失去防火保护作用。

④以假乱真, 张冠李戴。实际检验中发现, 有的将面漆当防火涂料, 有的张冠李戴。

⑤不是专业队伍施工。有些建设单位图省钱或自身也想从中得利, 便雇用刷油工或组织有关人员涂刷, 由于不懂喷，结果涂刷既不符合规范要求, 也不雅观, 根本不符合要求。

⑥装修和烧焊损坏了喷涂层。建设单位为了固定和安装机器设备, 在已喷涂了防火涂料的钢梁、钢柱上焊接了一些角钢, 因烧焊致使诸多焊点处的防火涂料膨胀或炭化, 失去了防火性能。
 

五、结束语

防火涂料作为一种提高钢结构抗火性能的材料被广泛应用，防火涂料正随着整个涂料行业向“五E”方向发展，即提高涂膜质量（Excellence），方便施工（Easy of application）、节约资源（Economics）、节约能源（Energy saving）、生态平衡（Ecology）。随着建筑钢结构的发展，对防火涂料的要求也不断提高，钢结构防火涂料具有广阔的发展前景。