黃艷芳 劉 珊

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、施工工期短、抗震性能好、可回收重復(fù)利用、污染少等優(yōu)點(diǎn)，常用于超高層建筑、體育館、機(jī)場等建筑中。雖然鋼材本身是不燃燒材料，但是鋼材在高溫下容易發(fā)生性能劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響建筑安全性，研究顯示鋼材的臨界溫度僅為550℃，而鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限僅為15min，此時暴露在火災(zāi)中的鋼結(jié)構(gòu)很快便會發(fā)生性能劣化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，喪失承載作用[1]。隨著溫度的上升，鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限則會進(jìn)一步縮短，因此為提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限，延長鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下的穩(wěn)定性，在其表面涂覆防火涂料則尤為重要，因而對于防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究一直以來是研究的熱點(diǎn)。

通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，本文分別介紹了厚型、薄型和超薄型防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況以及防火涂料耐火性能的檢測方法，以期為工程研究人員提供參考。

1 防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1.1 國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展

國外早在上世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開展了防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，前期以厚型防火涂料的研究為主。然而，大量火災(zāi)事故表明厚型防火涂料的性能無法滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求，研究人員開始將研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)楸⌒秃统⌒头阑鹜苛?。國外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要生產(chǎn)廠家主要分布在一些發(fā)達(dá)國家，例如美洲的美國和加拿大、歐洲的英國和德國、亞洲的日本和韓國等，比較出名的廠家有加拿大的AD 防火有限責(zé)任公司、英國的Nullifire 公司、日本的SKK 公司等[2,3]。

國內(nèi)在上世紀(jì)80 年代對防火涂料展開了大量研究，在90 年代發(fā)展迅速，研究歷程同樣是先對厚型防火涂料展開研究，然后再進(jìn)行薄型和超薄型防火涂料的研究。在1987 年研制出厚涂型LG 防火涂料，接著又研制出薄涂型LB 防火涂料[4]。國內(nèi)防火涂料的主要生產(chǎn)廠家分布在北京、上海、江蘇、浙江、四川等大城市或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。近些年來，我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料發(fā)展迅猛，在產(chǎn)品種類、技術(shù)性能、標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面已經(jīng)接近或達(dá)到國際水平[5]。

1.2 厚型、薄型和超薄型防火涂料的特點(diǎn)

1.2.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料為非膨脹型防火涂料，其涂層厚度較厚，一般為8～50mm，耐火極限可超過2h[3]，根據(jù)成膜物質(zhì)的不同可分成基料為有機(jī)物的難燃性防火涂料和基料為無機(jī)物的不燃性防火涂料。厚型防火涂料主要利用硅酸鹽水泥、石膏、地聚合物等作為粘結(jié)劑，膨脹珍珠巖、膨脹蛭石等作為骨料，添加防水劑、硬化劑、改性劑等化學(xué)助劑以及水進(jìn)行攪拌成拌合物，施工時將拌合物多次涂抹在鋼結(jié)構(gòu)表面以達(dá)到目標(biāo)厚度，當(dāng)目標(biāo)厚度超過20mm 時可使用鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固。

厚型防火涂料的涂層較厚而且導(dǎo)熱系數(shù)低，減少了熱量向鋼材的傳遞，同時在結(jié)構(gòu)外層形成的釉狀物質(zhì)能夠隔絕空氣以及反射熱量，進(jìn)一步減少了熱量向鋼材內(nèi)傳遞，延緩了鋼結(jié)構(gòu)的溫升，從而保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。厚型防火涂料在高溫條件下不會發(fā)生體積膨脹，在燃燒過程中不會釋放有毒有害氣體且防火性能優(yōu)異，因此厚型防火涂料可用在鋼結(jié)構(gòu)中對耐火等級要求較高的梁、柱中。但是，較厚的涂層以及涂層表面較為粗糙的特點(diǎn)在一定程度上限制了厚型防火涂料的使用范圍，目前厚型防火涂料多用在室內(nèi)外隱蔽工程中[2]。

1.2.2 薄型和超薄型防火涂料

薄型和超薄型防火涂料均為膨脹型防火涂料，其中，薄型防火涂料的涂層厚度一般為3～7mm，而超薄型防火涂料一般小于3mm，耐火極限均可超過1h[3]。薄型防火涂料一般以水性聚合物作為基料，添加阻燃劑、發(fā)泡劑、炭化劑、顏填料等材料攪拌而成，而超薄型防火涂料一般為溶劑型體系。薄型和超薄型防火涂料通常采用噴涂、刷涂、輥涂等方式將涂料涂覆在鋼結(jié)構(gòu)表面，因此在施工前需要對鋼結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行處理，包括表面凈化和化學(xué)處理，經(jīng)處理之后的鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)無銹、無油、干燥以及具有一定的粗糙度以提高涂層的附著力。由于薄型防火涂料需要進(jìn)行多次涂覆以達(dá)到目標(biāo)厚度，而每一次涂覆需等到上一次涂覆的涂層干燥了才可進(jìn)行，因此需要施工場地明亮且避免陽光直射、空氣清潔避免使涂層受到塵埃污染、相對濕度低于80%、溫度保持在5℃～40℃之間、風(fēng)速適宜等[6,7]。

薄型和超薄型防火涂料中有機(jī)物在高溫條件下羥基化合物發(fā)生脫水吸收一部分熱量、發(fā)泡劑進(jìn)行分解釋放大量不燃性氣體以稀釋可燃性氣體、涂層發(fā)生膨脹形成炭化層能夠隔絕可燃性氣體避免鋼結(jié)構(gòu)直接暴露在火中，延緩了鋼結(jié)構(gòu)的溫升，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。薄型防火涂料具有涂層厚度較小、粘結(jié)性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，目前薄型防火涂料可用在體育館、工業(yè)廠房等建筑中；而超薄型防火涂料的涂層厚度更小，施工更加方便、能夠極大程度的滿足鋼結(jié)構(gòu)對裝飾性的要求，特別適用于對裝飾性、防火性有較高要求的裸露鋼結(jié)構(gòu)中[2]。因此，現(xiàn)階段超薄型防火涂料應(yīng)用的最多，所占的市場份額亦最高[8]。

溶劑型超薄防火涂料中含有大量有機(jī)物質(zhì)，在高溫條件下釋放大量有毒有害氣體會對環(huán)境以及人員健康造成不利影響[9]。因此，有學(xué)者對無機(jī)膨脹型防火涂料展開了研究，張仁忠等[10]將低熔玻璃粉摻入成膜劑中制備防火涂料，結(jié)果顯示該防火涂料在提高涂層強(qiáng)度和隔熱性能的同時可減少88.7%的有毒氣體。

2 防火涂料性能檢測方法

相較于《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》(GB 14907-2002)，現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》(GB 14907-2018)對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料理化性能、耐火性能的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢測方法進(jìn)行了修改，如表1 所示。目前耐火性能的檢測是采用HN400×200 熱軋H 型鋼和36b 熱軋工字鋼作為試驗(yàn)基材，包括設(shè)置熱電偶、涂覆涂料、測量涂層厚度、將試件安裝在燃燒爐中、進(jìn)行燃燒試驗(yàn)、試件加載等步驟，耐火極限以鋼材失去承載能力或達(dá)到規(guī)定的平均溫度時間來確定，其中承載能力以鋼材的彎曲變形量為判斷依據(jù)。但是，此方法的操作過程復(fù)雜、成本高，且只檢測了防火涂料的宏觀性能，而對于涂層中各組分的作用機(jī)理、有毒有害煙霧的排放情況未有提及，同時此方法僅能在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，而無法對室外現(xiàn)場防火涂料進(jìn)行耐火性能檢測。鑒于此，研究人員提出了若干種規(guī)范以外的檢測方法。

表1 規(guī)范GB 14907-2002 與GB 14907-2018 的對比

2.1 錐形量熱儀法

錐形量熱儀根據(jù)材料在燃燒時消耗每克氧氣燃燒熱的平均值基本不變的原理來檢測聚合物燃燒性能，能夠獲得釋熱速率、總釋放熱、有效燃燒熱、點(diǎn)燃時間、煙及毒性參數(shù)、質(zhì)量變化參數(shù)、比消光面積、總生煙量等檢測結(jié)果。錐形量熱儀是目前用于表征材料燃燒性能的最佳儀器，燃燒試驗(yàn)環(huán)境與材料燃燒的實(shí)際環(huán)境最符合，所測得的數(shù)據(jù)能夠反映材料在進(jìn)行燃燒時的變化。劉夢洋[11]利用錐形量熱儀測試防火涂料的消光系數(shù)、比消光面積、總生煙量、CO 釋放量、點(diǎn)燃時間、熱釋放速率等，進(jìn)一步研究了防火涂料阻燃生煙的過程及特點(diǎn)。

2.2 熱分析法

物質(zhì)在加熱或冷卻過程中發(fā)生分解、熔化、吸附、脫附等變化過程中會出現(xiàn)吸熱、放熱、重量變化等，熱分析法則是利用溫度函數(shù)對這些變化進(jìn)行分析，常見的熱分析法有差示掃描量熱法（DSC）、熱重法（TGA）、差熱分析法（DTA）等。薄型和超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在高溫條件下受熱分解釋放氣體，因此可利用熱分析法研究防火涂料在溫度升高過程中發(fā)生的變化。于歡等[12]通過熱重試驗(yàn)分析了不同配方下膨脹型防火涂料中涂層隨溫度升高的變化情況，揭示了防火涂料對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用機(jī)理，對于防火涂料配方的設(shè)計(jì)具有一定作用。

2.3 掃描電鏡法

掃描電鏡法是利用電子掃描顯微鏡觀察膨脹型防火涂料在燃燒后炭化層的表面形貌并進(jìn)行分析，以此反映防火涂料的耐火性能。于歡等[12]利用電子掃描顯微鏡觀察了不同配方下膨脹型防火涂料炭化層的表面形貌，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)涂層發(fā)生膨脹是因?yàn)橥繉颖砻孢_(dá)到臨界溫度會熔化成為高粘性液體，這些液體能夠包裹反應(yīng)過程中釋放的低導(dǎo)熱系數(shù)的惰性氣體而形成氣泡，導(dǎo)致涂層發(fā)生膨脹且厚度增大，延緩熱量向鋼結(jié)構(gòu)傳遞。

2.4 紅外光譜法

紅外光譜法是利用傅里葉紅外光譜儀測試防火涂料在燃燒前后的分子變化，以此對防火涂料中各組分展開性能分析。馮偉華等[13]以水性丙烯樹脂、聚磷酸胺、季戊四醇、三聚氰胺為原料并添加少量氧化石墨烯制備了水性膨脹型防火涂料，通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)添加氧化石墨烯后，涂層的殘?zhí)恐?OH、-CH2、C=O、P=O、P-O-P、P-O-C 特征峰更明顯，這表明氧化石墨烯能夠提升涂層的阻燃性能。

2.5 X 射線衍射分析法

X 射線衍射分析是利用晶體形成的X 射線衍射，對物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。馮偉華等[13]對防火涂料進(jìn)行了X 射線衍射實(shí)驗(yàn)，分別繪制了添加氧化石墨烯以及未添加氧化石墨烯時涂層燃燒殘?zhí)康腦RD 曲線，結(jié)果顯示添加氧化石墨烯的XRD 曲線中有較多尖銳的結(jié)晶峰，表明涂層在膨脹過程中生成了石墨化碳晶體，提高了防火涂料的耐火極限。

2.6 其他檢測方法

上述提及的方法多用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室檢測，有研究人員針對現(xiàn)場檢測的方法展開了研究。王同喜等[14]研制了可以在現(xiàn)場檢測防火涂料質(zhì)量的控溫電加熱爐試驗(yàn)裝置，該裝置能夠按照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線升溫，以防火涂料的膨脹厚度與背火面平均溫升作為檢測指標(biāo)。張文彬等[15]將鋼結(jié)構(gòu)防火涂料與樣品涂料進(jìn)行外觀比較、測試防火涂料噴涂厚度和粘結(jié)強(qiáng)度，同時研發(fā)了一種用于檢測超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料現(xiàn)場耐火性的溫控加熱裝置，通過模擬標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對防火涂料性能進(jìn)行檢測，并與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)爐耐火性試驗(yàn)進(jìn)行比對，從而獲取現(xiàn)場防火涂料的檢測結(jié)果，為工程驗(yàn)收提供技術(shù)支持。

3 結(jié)語

雖然我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料發(fā)展較晚，但發(fā)展十分迅速，已經(jīng)接近或達(dá)到國際水平。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要分為厚型、薄型和超薄型防火涂料，其中超薄型防火涂料施工工藝簡單、應(yīng)用范圍廣，目前是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的第一選擇。但是，超薄型防火涂料在高溫條件下會釋放有毒有害氣體，因此新型環(huán)保、綠色無害的超薄型防火涂料將是科研人員的重點(diǎn)研究方向。

除了相關(guān)規(guī)范中提及的防火涂料耐火性能檢測方法之外，目前仍有多種檢測方法可用于薄型和超薄型防火涂料燃燒機(jī)理的分析與研究，對于防火涂料的配方設(shè)計(jì)能夠提供理論支持，但對于厚型防火涂料檢測技術(shù)的研究則開展的較少。

厚型防火涂料是通過粘結(jié)劑涂覆在鋼材表面，如若發(fā)生脫落則會嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)的安全性；薄型和超薄型防火涂料作為一種高分子有機(jī)化合物，長時間的日照雨淋必然會導(dǎo)致防火涂料性能劣化，對鋼結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生潛在危害。因此，對于已經(jīng)工作的防火涂料的性能檢測及檢測方法的研究亦是重點(diǎn)發(fā)展方向。