周曉勇

應(yīng)急管理部四川消防研究所 四川 成都 610036

引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是指標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)建筑，是建筑工業(yè)化的趨勢(shì)和潮流，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求、發(fā)展新建造方式以及建筑行業(yè)供給側(cè)改革的要求，是國(guó)家支持的鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，發(fā)展前景非常廣闊。但是，由于高溫會(huì)弱化鋼材材性，火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載性能的影響一直是重點(diǎn)研究方向。一系列國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)案例證明，無防火保護(hù)情況下，15分鐘左右鋼結(jié)構(gòu)溫度可達(dá)540℃以上，此時(shí)抗壓強(qiáng)度、彈性模量會(huì)衰減50%；600℃時(shí)，強(qiáng)度幾乎為零。因此，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火至關(guān)重要。

鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)可采用方式：1)防火涂料；2)防火板；3)防火氈；4)混凝土、砂漿或砌體。其中防火涂料防火性能高效、美觀、應(yīng)用范圍廣泛。

本文綜述了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀、問題以及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火問題提出了思考。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按防火機(jī)理分為膨脹型和非膨脹型。

1.1 非膨脹型防火涂料

在火災(zāi)中不膨脹，依靠材料的低導(dǎo)熱性、不燃性或涂層中材料的吸熱性，阻隔火焰熱量傳遞，延緩鋼材的溫升，耐火極限最高可以達(dá)到4h。其在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展中是最早開發(fā)和使用的[23]。該涂料多為無機(jī)水溶性涂料，多采用無機(jī)膠結(jié)料（如石膏、耐火水泥等），再配以無機(jī)輕質(zhì)絕熱骨料（如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、海抱石、漂珠、粉煤灰等）、防火添加劑、化學(xué)藥劑和增強(qiáng)材料（如硅酸鋁纖維、陶瓷纖維等）及填料等混合配制而成 。如水泥基防火涂料是以水泥作為膠結(jié)料，與蛭石、珍珠巖等礦物材料拌和而成。典型水泥基產(chǎn)品配方如表1。

表1 典型的水泥基厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的配方

但其密度大，用料多，涂層不耐水，不防潮，耐候性差，且易出現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象，目前在國(guó)際上已基本被淘汰，僅用在室外完全裸露構(gòu)件上。而石膏基涂料以石膏為膠結(jié)料，以蛭石或隔熱纖維為隔熱料，拌合而成。它具有密度小、熱導(dǎo)率低、粘結(jié)力強(qiáng)、不腐蝕鋼材，防火性能穩(wěn)定、長(zhǎng)期使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，特別適于超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的防火保護(hù)要求。

1.2 膨脹型防火涂料

受火時(shí)軟化發(fā)泡，膨脹幾十倍乃至幾百倍，形成難燃性海綿狀炭質(zhì)耐火隔熱層，以延緩鋼材溫度升高。是21世紀(jì)初發(fā)展起來的，分為溶劑型和水性。以聚合物乳液為膠結(jié)料，配以阻燃填料、隔熱填料、顏色料和助劑等組成，薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有涂層薄，抗振，粘結(jié)力強(qiáng)、裝飾性好，抗彎性好、易施工，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但材料價(jià)格很高，耐火極限小于2小時(shí)，膨脹時(shí)占用空間很大，材料穩(wěn)定性差，耐久年限6～10年，所以適用性較差，性價(jià)比較低。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究起步比我國(guó)早了20多年。上世紀(jì)60年代，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究取得了突破，其中以水泥基厚型涂料為主，可以抵抗3小時(shí)耐火極限，施工方便，由于采用無機(jī)材料合成，耐候性很好，耐久年限40年以上，迅速得到了推廣應(yīng)用。70年代又研制出以石膏為基材的石膏基厚型防火涂料，因其材料輕、變形好、耐火性能更優(yōu)、施工性能更好、綠色環(huán)保低碳節(jié)能等優(yōu)良特性，逐漸取代了水泥基涂料，廣泛應(yīng)用在各類建筑物的室內(nèi)、室外鋼構(gòu)件上，成為目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)主流產(chǎn)品。

20世紀(jì)90年代中期，隨著在防火涂料中引入季戊四醇、三聚氰胺、多聚磷酸銨，以德國(guó)為首的國(guó)際市場(chǎng)中首先出現(xiàn)了這種超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，由于該涂料涂層薄、裝飾性好，也由于該涂料價(jià)格高、隔熱時(shí)間短、耐候性差、老化起粉、耐久時(shí)間不到10年等原因，因此主要應(yīng)用在對(duì)于有裝飾和效果要求的裸露構(gòu)件上，應(yīng)用范圍有限。

國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的生產(chǎn)廠家，主要分布在英國(guó)、美國(guó)、加拿大、德國(guó)等國(guó)家。近年來，國(guó)外對(duì)水基超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究非?；钴S。目前國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要代表性產(chǎn)品可見表2。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究起步比較晚，20世紀(jì)80年代初才開始研制 [19, 21,28-29,32]。1994年四川消防研究所推出的SCB超薄型防火涂料耐火極限達(dá)到2h以上，掀起了國(guó)內(nèi)超薄型防火涂料研制、開發(fā)的高潮[27-28]。此后，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。但由于對(duì)于石膏基技術(shù)和超薄型產(chǎn)品工藝的研究和研發(fā)投入不夠，成果還是有限，大部分水泥基企業(yè)還沒有完成產(chǎn)品升級(jí)換代。到目前為止，已有許多性能優(yōu)良的產(chǎn)品，如梵迦德、宸泰等石膏基涂料大量應(yīng)用于工程建設(shè)中。到21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的市場(chǎng)需求每年2萬噸以上，生產(chǎn)和施工體系，涉及到的單位有200多家，多數(shù)集中在大城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，如上海、北京、山東、江蘇、河南、四川、遼寧、廣東、福建等省市。目前國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具體代表性產(chǎn)品見表3。

表3 國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料代表產(chǎn)品

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展，從品種類型、技術(shù)性能和標(biāo)準(zhǔn)化程度上看，已經(jīng)接近或達(dá)到國(guó)際水平，某些產(chǎn)品甚至遠(yuǎn)銷日本、俄羅斯及東南亞等地區(qū)。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料還存在一定的差距。

2.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火技術(shù)研究

2.3.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火關(guān)鍵問題

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料發(fā)展迅速，但也存在著許多問題，尤其在裝配式建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的特點(diǎn)和要求，還沒有形成配套和有效的防護(hù)措施。主要表現(xiàn)在：1）防火涂料的建筑使用性能的滿足方面，對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)涂料，為了達(dá)到很好的耐火性能，需要材料盡量輕和軟。但對(duì)裝配式而言需要防火涂料起到建筑裝飾材料的功能，應(yīng)該有足夠強(qiáng)度和硬度。2）要具備裝飾材料保溫、隔音、防潮、防水的性能。3）必須是環(huán)保、低碳、綠色建材。目前的水泥基防火涂料均無法達(dá)到上述要求。同時(shí)，也存在以下方面的問題：1)組成物質(zhì)大多是有機(jī)物，在日照、風(fēng)吹等外界環(huán)境下降解、老化問題嚴(yán)重，耐久性不好，膨脹型產(chǎn)品尤其突出；2)施工成型的完整性問題，尤其是水泥基防火涂料施工過程中的開裂和脫落現(xiàn)象由來已久，這與涂料配方、施工等有關(guān)；3)涂料燃燒時(shí)產(chǎn)生過多的有毒有害氣體，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的阻燃劑大多數(shù)為C-N-P或者C-N-P-CL體系，這些組分在高溫下會(huì)產(chǎn)生NH3、HCL、NOX、CO等有害氣體；4)膨脹型涂料使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限，這樣就會(huì)造成在使用后期，涂覆在鋼結(jié)構(gòu)上的防火涂料起不到任何防火作用；5)耐火性能測(cè)試方法的落后，僅僅只有少數(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)具備GB 14907規(guī)定的檢驗(yàn)?zāi)芰?，而且在施工和?yàn)收的時(shí)候?qū)Ψ阑鹜苛系馁|(zhì)量檢測(cè)嚴(yán)重缺失，使涂料的安全使用留下了諸多的隱患。

2.3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火要求和保護(hù)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火要求和保護(hù)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)难芯炕A(chǔ)和體系，與鋼結(jié)構(gòu)防火有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范包括CECS 200：2006建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范、DG/TJ 08-008-2017建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程、GB 51249-2017建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范，然而，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑因其設(shè)計(jì)和施工都與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑存在差異，其防火要求和保護(hù)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑也有所不同。由于鋼結(jié)構(gòu)自身的材料特性以及工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配的特殊性，裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑防火設(shè)計(jì)以及其消防安全提出了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施的選用以及設(shè)計(jì)，不僅要根據(jù)構(gòu)件的承載形式、環(huán)境因素及空間位置等確保其防火保護(hù)有效，而且要便于制造和組裝、易于保證施工的質(zhì)量并確保防火保護(hù)在運(yùn)輸與安裝的時(shí)候不會(huì)被破壞。

2)該類型的建筑是一個(gè)高度集成并且相對(duì)封閉的建筑體系，其安全疏散、滅火救援、煙氣控制以及外墻防火技術(shù)措施的確定，均需要與其特殊的結(jié)構(gòu)體系相適應(yīng)。

3)我國(guó)有關(guān)工程建設(shè)消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，未充分考慮到裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中是難以直接應(yīng)用。

2.3.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火解決方案—石膏基防火涂料

目前，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料品牌有270多家，厚型防火涂料絕大多數(shù)是水泥基產(chǎn)品。但以水泥為黏結(jié)劑的產(chǎn)品有先天性的不足，一方面密度高、材料重，且達(dá)到即定耐火時(shí)間要求涂裝厚度一般較厚，如3h通常為25～27mm，這就造成鋼結(jié)構(gòu)單位面積載荷增加，雖然在配方設(shè)計(jì)時(shí)可以通過減少水泥用量，增加輔助黏結(jié)劑如輕鈣、膠粉等的量來降低材料干密度，但由于價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)缺乏有效監(jiān)管，實(shí)際使用的產(chǎn)品水泥含量往往超過標(biāo)準(zhǔn)用量很多；二是涂層干燥過程中由于水泥水化作用失衡效應(yīng)而容易開裂，這種現(xiàn)象在高溫、低濕、大風(fēng)天作業(yè)時(shí)尤為突出；三是水泥基防火涂料基本是人工抹涂施工，施工的涂層質(zhì)量完全取決于工人的責(zé)任心和熟練程度，同時(shí)，鋼構(gòu)件的加勁板數(shù)量多、間距密，連接構(gòu)件不規(guī)則，多而復(fù)雜，因此人工抹涂的施工質(zhì)量很難保證；四是施工工藝復(fù)雜，由于水泥與鋼材的粘接性差，及水化收縮的開裂性，因此需要刷底膠焊釘掛網(wǎng)，并分層分道施工。近年來國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了用于非裸露鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)的，以石膏為主要黏結(jié)劑的噴涂防火涂料，其典型代表為格雷斯公司生產(chǎn)的Monokote火力克和梵迦德公司的NM-HB防火涂料，以及國(guó)內(nèi)中柏防火公司生產(chǎn)的宸泰石膏基，耐火極限可達(dá)4h。

這類石膏基涂料具有密度小、材料輕、柔韌性好、變形性好、粘結(jié)性好、施工成型快、成品不易開裂、不易空鼓、不易脫落、綠色環(huán)保、低碳節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，相較于水泥基涂料，大大降低了產(chǎn)品自重和用量，以及對(duì)環(huán)境的污染和能源的消耗。隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，客戶對(duì)防火材料的綜合要求也是日益提高，石膏基產(chǎn)品正逐漸取代水泥基產(chǎn)品，成為市場(chǎng)主流方向。在全球，石膏基產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)建筑及核電、化工和市政領(lǐng)域；在中國(guó)，幾十年來，國(guó)內(nèi)廠家一直無法攻克石膏基防火涂料的技術(shù)壁壘，仍舊在采用水泥基產(chǎn)品。目前，石膏基領(lǐng)導(dǎo)品牌—梵迦德、宸泰，以歐洲技術(shù)為支持，成功研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石膏基防火涂料，并運(yùn)用在各重大重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中。

石膏基涂料除具有防火功能外，還具有裝飾效果，GB/T 28627-2012抹灰石膏規(guī)定了抹灰石膏的保水率、強(qiáng)度、體積密度、導(dǎo)熱系數(shù)等，DB 33/T 1159-2018抹灰石膏應(yīng)用技術(shù)規(guī)程規(guī)定的抹灰石膏物理力學(xué)性能指標(biāo)如表4所示。四國(guó)化研SKK生產(chǎn)的水泥基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和河南中柏防火科技有限公司生產(chǎn)的宸泰CT-MK6石膏基鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能對(duì)比如表5所示。

表4 抹灰石膏的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表5 水泥基和石膏基厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能對(duì)比

從表5可看出，石膏基產(chǎn)品相對(duì)水泥基在理化性能、施工、裝飾和成本方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，其在水泥基厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基礎(chǔ)上有突破性進(jìn)展，且石膏基防火涂料已在我國(guó)室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)中得到應(yīng)用，厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料逐漸由第一代水泥基產(chǎn)品向第二代石膏基產(chǎn)品發(fā)展。

文獻(xiàn)提到目前常用防火涂料和防火板包覆對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防火保護(hù)。文獻(xiàn)也提到在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)充分考慮裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑后期投入正常使用階段，可能存在因鋼構(gòu)件自身防火保護(hù)設(shè)計(jì)不足，從而引起的消防安全問題，因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮防火涂料，并提出將防火涂料納入設(shè)計(jì)規(guī)范的建議。

總之，我國(guó)現(xiàn)行工程建設(shè)消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的發(fā)展需要，應(yīng)該盡快提出適用于我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑防火設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，為保障此類建筑的消防安全與工程建設(shè)、完善我國(guó)相關(guān)消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支持。