黎俊德 吳騰輝

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 廣州仲恒房屋安全鑒定有限公司）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、自重輕、材質(zhì)均勻、加工方便、可循環(huán)使用、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代生活中，如鋼結(jié)構(gòu)停車場(chǎng)、工業(yè)廠房、體育館、車站、機(jī)場(chǎng)、橋梁等建筑物、構(gòu)筑物。然而，鋼結(jié)構(gòu)具有耐腐蝕性差、耐火能力弱等缺點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到450℃時(shí)其力學(xué)性能開(kāi)始發(fā)生劣化，隨溫度的上升其劣化效果愈加嚴(yán)重，當(dāng)溫度達(dá)到580℃時(shí)其力學(xué)強(qiáng)度僅為室溫狀況下的一半，無(wú)法滿足對(duì)建筑物、構(gòu)筑物的支撐作用[2]。因此，為提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，減少結(jié)構(gòu)損害，研究人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料展開(kāi)了大量的研究，且取得了豐富的研究成果。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按防火原理劃分，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料；按分散介質(zhì)劃分，可分為水溶性防火涂料和溶劑性防火涂料；按基料種類劃分，可分為無(wú)機(jī)防火涂料和有機(jī)防火涂料；按涂覆的基材劃分，可分為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料和飾面型防火涂料[3]。

本文在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，從鋼結(jié)構(gòu)的防火原理、防火涂料種類、發(fā)展方向等方面展開(kāi)敘述，以期為更多的研究人員提供參考。

1 防火涂料的防火原理

物體發(fā)生燃燒反應(yīng)必須同時(shí)具備大量助燃?xì)怏w、火源、可燃物這三個(gè)因素，當(dāng)其中某個(gè)因素不存在時(shí)，燃燒反應(yīng)則不會(huì)發(fā)生。因此，中斷物體燃燒反應(yīng)只需使以上三個(gè)因素不同時(shí)存在即可，而阻止助燃?xì)怏w與可燃物接觸則是最簡(jiǎn)單也是最方便的方法，防火涂料正是利用此原理進(jìn)行防火工作，其工作原理如下：

⑴膨脹型防火涂料受熱時(shí)發(fā)生膨脹在鋼結(jié)構(gòu)表面形成泡沫層，一方面能夠隔絕助燃?xì)怏w，另一方面形成的泡沫層由于質(zhì)地疏松有利于延緩熱量傳遞速度；

⑵膨脹型防火涂料泡沫層的形成過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，可以減少燃燒時(shí)的熱量；

⑶非膨脹型防火涂料在受熱時(shí)不會(huì)發(fā)生體積變化，但其導(dǎo)熱系數(shù)很低，能夠有效延緩熱量傳遞到鋼材的速度；

⑷非膨脹型防火涂料本身具有不燃性，涂料在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生釉狀保護(hù)層能夠?qū)摬呐c火源隔離開(kāi)，減緩鋼材因溫度上升而發(fā)生性能劣化；

⑸防火涂料某些組分在燃燒過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)生成不燃?xì)怏w是一個(gè)吸熱過(guò)程，需要消耗一部分熱量，在一定程度上有助于降低溫度。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

2.1 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料是指涂料在燃燒時(shí)發(fā)生體積膨脹形成致密的海綿狀或蜂窩狀的碳質(zhì)泡沫層將鋼構(gòu)件與火源隔離開(kāi)，延緩鋼構(gòu)件升溫速度，從而保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，膨脹型防火涂料燃燒示意圖和膨脹過(guò)程示意圖分別如圖1、圖2 所示。其中，膨脹型防火涂料可分為有機(jī)膨脹型防火涂料與無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料。

2.1.1 有機(jī)膨脹型防火涂料

涂料成膜劑采用有機(jī)物質(zhì)，通過(guò)體積膨脹增加泡沫層厚度并依靠膨脹炭層起到防火作用的涂料稱為有機(jī)膨脹型防火涂料，常見(jiàn)的成膜物質(zhì)有環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。除此之外，有機(jī)膨脹型防火涂料還包括酸源、碳源、發(fā)泡劑、填料顏料等成分。

有機(jī)膨脹劑防火涂料的膨脹過(guò)程由酸源、碳源、氣源三部分組成，反應(yīng)體系流程圖如圖3 所示。酸源是指無(wú)機(jī)酸或者在加熱時(shí)能夠形成酸的物質(zhì)，如硼酸、無(wú)鹵雙磷酸酯、聚磷酸銨等，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后將受熱分解引發(fā)碳質(zhì)化合物的碳化或脫水等化學(xué)反應(yīng)；碳源是指具有豐富含碳量的多羥基化合物，能夠通過(guò)酯化反應(yīng)進(jìn)行脫水成碳，如季戊四醇、雙季戊四醇、淀粉等；氣源是指含氮的多碳化合物，在受熱條件下釋放不燃或難燃性氣體，如二氧化碳、氯化氫、氨氣等，然后在鋼結(jié)構(gòu)表面形成具有碳材料孔壁的泡沫結(jié)構(gòu)，如三聚氰胺、氯化石蠟等。酸源、碳源、氣源三者的不同組合形成了種類繁多的膨脹阻燃體系[2]。

對(duì)于酸源、碳源的探索研究有助于提升防火涂料的耐火能力。胡勝利等[5]研究了不同聚合度的聚磷酸銨對(duì)室外薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料理化性能（耐水、耐鹽、耐酸、耐堿、耐紫外線）和耐火性能的影響，結(jié)果表明利用高聚合度聚磷酸銨制備的防火涂料在理化性能、熱穩(wěn)定性均優(yōu)于低聚合度聚磷酸銨。吳潤(rùn)澤等[6]研究了晶型、聚合度以及包覆改性聚磷酸銨對(duì)防火涂料耐火時(shí)間的影響，結(jié)果顯示高聚合度的Ⅱ型聚磷酸銨能夠更好地改善膨脹炭層的性能，耐火時(shí)間更久，經(jīng)過(guò)包覆改性后可繼續(xù)提高耐火極限。季戊四醇作為一種常見(jiàn)的碳源，Tang 等[7]將季戊四醇與C9馬來(lái)酸酐共聚物進(jìn)行酯化反應(yīng)，結(jié)果顯示含有季戊四醇與C9馬來(lái)酸酐共聚物的涂層在水中或鹽水中浸泡之后仍表現(xiàn)出良好的耐火性能。

王朋等[8]探索了聚磷酸銨與季戊四醇的協(xié)同作用對(duì)防火涂料性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)聚磷酸銨與季戊四醇混合物在熱解過(guò)程中存在3 個(gè)過(guò)程，分別為180～320℃時(shí)聚磷酸銨與季戊四醇形成磷酸酯，320～550℃時(shí)磷酸酯發(fā)生脫水環(huán)化，600～750℃時(shí)環(huán)狀結(jié)構(gòu)炭化形成石墨化片段，聚磷酸銨與季戊四醇的質(zhì)量比為3:1 時(shí)混合物生成的炭量最多，膨脹倍數(shù)最大，此時(shí)防火性能最佳。沈航[9]采用三聚氰胺聚磷酸鹽-雙季戊四醇發(fā)泡體系替換聚磷酸銨-三聚氰胺-季戊四醇發(fā)泡體系制備了水性防火涂料，結(jié)果顯示前者與聚合物具有較好的相容性、疏水性以及抗溶失性能，當(dāng)質(zhì)量占比為12.5:12.5 進(jìn)行復(fù)配作為基料，可獲得低于10%的抗溶失涂層體系，這是后者無(wú)法比擬的。

2.1.2 無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料

以無(wú)機(jī)物質(zhì)作為主要成分并以膨脹發(fā)泡為防火機(jī)理的涂料稱為無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料。有機(jī)膨脹型防火涂料在燃燒時(shí)涂層中有機(jī)物易分解，經(jīng)燃燒后容易釋放有毒煙霧，而無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料在燃燒時(shí)具有無(wú)煙、無(wú)毒的特點(diǎn)。

范春山等[10]以石棉粉、膨脹珍珠巖粉、高鋁土和膨脹蛭石為原料制備防火涂料，采用復(fù)合泡層結(jié)構(gòu)，通過(guò)梯次發(fā)泡來(lái)延緩溫度上升，延長(zhǎng)了鋼結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的時(shí)間，高溫層厚度與低溫層厚度比值在3.0:1.5～2.5:2.0 為宜。張仁忠等[11]以氫氧化鎂、碳酸鎂、膨脹石墨、苯丙乳液、磷酸鋁、硼酸鋅為原料以及添加低熔玻璃粉研制了新型無(wú)機(jī)阻燃劑體系，同時(shí)以苯丙乳液、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化鈦、膨脹石墨為原料制備了有機(jī)膨脹型防火涂料，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前者能夠大大降低火災(zāi)中有毒煙霧的排放量，前者的強(qiáng)度、無(wú)機(jī)殘余率分別是后者的1.7 倍和2.1 倍，同時(shí)涂層結(jié)構(gòu)更加致密、阻燃效果更加優(yōu)異。張娜娜等[12,13]以堿性硅溶膠、甲基硅酸鉀、顏填料和助劑制備了水性無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試獲得了最佳配比且在最佳配比下涂料的膨脹層致密堅(jiān)硬、耐火性能滿足規(guī)范要求，同時(shí)揭示了防火涂料在灼燒前期是由甲基硅酸鈉和可膨脹石墨共同發(fā)揮阻燃作用，在灼燒中期由白云石發(fā)揮阻燃作用，在灼燒后期溫度達(dá)到800～1000℃時(shí)，體系由固態(tài)變成液態(tài)、吸收熱量后變成玻璃態(tài)，整個(gè)灼燒過(guò)程表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的友好性。

2.2 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料根據(jù)成膜物質(zhì)的不同可分為有機(jī)非膨脹型防火涂料和無(wú)機(jī)非膨脹型防火涂料，前者是以有機(jī)物為基料的難燃性防火涂料，后者是以無(wú)機(jī)物為基料的不燃性防火涂料。祁學(xué)軍等[14]采用水玻璃激發(fā)偏高嶺土制備了以地聚合物為基料的非膨脹型防火涂料，測(cè)試結(jié)果顯示涂料的耐火時(shí)間達(dá)到2.8h（厚度為25mm），同時(shí)耐水性能、粘結(jié)強(qiáng)度、耐堿、耐冷熱循環(huán)等均表現(xiàn)良好，但存在干密度過(guò)大的問(wèn)題；高輝等[15]以磷酸鹽為成膜物質(zhì)，添加氫氧化鋁、硼酸鹽、膨脹蛭石等材料制備了防火涂料，性能良好且成本較低。

由于非膨脹型防火涂料的涂層厚度在高溫條件下不會(huì)發(fā)生變化，因此涂層厚度對(duì)于非膨脹型防火涂料的耐火性能具有決定性影響。韓君等[16]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了不同涂層厚度下非膨脹型防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，如圖4 所示，結(jié)果顯示涂層厚度越厚，防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)越小即耐火性能越好。但是，較大的涂層厚度也限制了非膨脹型防火涂料的使用范圍，由于涂層厚度較大且用量多，對(duì)裝飾性、美觀性要求較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑中很少采用，其次，施工工藝較為復(fù)雜，在造型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)中難以施工或全涂覆，當(dāng)發(fā)生破損及脫落現(xiàn)象時(shí)將嚴(yán)重影響耐火性能。

2.3 生物型防火涂料

生物材料作為一種綠色環(huán)保、可再生的材料，廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域中，在防火涂料領(lǐng)域采用生物材料也有不錯(cuò)的效果。利用高軟化點(diǎn)改性松香樹(shù)脂具有增黏、軟化等特點(diǎn)，馬騰飛等[17]研究了不同牌號(hào)、摻量松香樹(shù)脂對(duì)防火涂料防火性能的影響，結(jié)果顯示422 松香樹(shù)脂的摻量為0.7%時(shí)防火涂料的膨脹倍率達(dá)到45 倍且膨脹層外觀良好，測(cè)試鋼板的溫度最低。蛋殼、貝殼類產(chǎn)品作為最常見(jiàn)的生物材料，其主要成分為碳酸鈣及少量有機(jī)物，可作為防火涂料中的填料。邢君等[18]利用硅灰為粘結(jié)劑，蛋殼為填料制備了水基膨脹涂料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅灰、蛋殼以及阻燃添加劑的組合對(duì)鋼材的熱穩(wěn)定性、炭層膨脹、表面結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)良好，蛋殼的加入能夠極大的提升防火性能；楊飛等[19]同樣利用蛋殼作為填料并制備了防火涂料，研究結(jié)果亦表明蛋殼作為填料有助于提升防火涂料的性能；李耀莊等[20]將蛤蜊殼作為填料并制備了防火涂料，結(jié)果顯示填料中添加蛤蜊殼后阻燃體系在燃燒過(guò)程中形成了豐富的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得炭層更加致密，隔熱性能更好，涂層表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和成炭率，添加2wt%蛤蜊殼填料時(shí)防火涂料具有最佳的協(xié)效阻燃和抑煙性能，在800℃下涂層的殘?zhí)苛繛?3.7%。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來(lái)發(fā)展方向

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分為無(wú)機(jī)型防火涂料和有機(jī)型防火涂料，前者多為厚型即非膨脹型，具有耐火時(shí)間長(zhǎng)、防腐性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有涂層厚、用量多、裝飾性差、施工繁瑣等缺點(diǎn)；后者多為薄型或超薄型即膨脹型，具有粘結(jié)強(qiáng)度高、流平好、美觀、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫下會(huì)釋放有毒煙霧，影響環(huán)境及人員健康。目前，超薄型防火涂料的市場(chǎng)份額最大，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超薄型防火涂料必將會(huì)代替薄型和厚型防火涂料。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來(lái)發(fā)展方向必然是對(duì)超薄型防火涂料的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，可分為以下幾個(gè)方面：

⑴擴(kuò)大防火涂料的使用范圍，簡(jiǎn)化施工工藝；

⑵研發(fā)綠色環(huán)保型防火材料，減少對(duì)環(huán)境的污染以及減少對(duì)人員健康傷害；

⑶探索新型防火涂料配比設(shè)計(jì)，添加新型材料研制高性能產(chǎn)品，或研究添加其他行業(yè)的廢棄物，進(jìn)行二次利用；

⑷加強(qiáng)對(duì)復(fù)合型防火涂料的研發(fā)，在提升耐火性能的同時(shí)提升耐水、耐腐蝕、隔熱等性能。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴防火涂料的防火原理是將可燃物與助燃?xì)怏w隔離開(kāi)，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。

⑵膨脹型防火涂料雖然在高溫條件下容易釋放有毒煙霧，但其具有施工方便、使用范圍廣而得到廣泛使用，市場(chǎng)份額占比高，超薄型防火涂料將是研究的重點(diǎn)，對(duì)酸源、碳源、氣源的研究有利于提升防火涂料的性能。

⑶非膨脹型防火涂料具有良好的耐火性能且無(wú)毒、無(wú)煙、造價(jià)便宜，但由于涂層較厚、用量多、施工工藝復(fù)雜，因此使用范圍受到限制。

⑷生物型防火涂料采用環(huán)保、可再生的材料，以及將蛋殼、貝殼類廢棄物進(jìn)行二次利用，具有良好的環(huán)境效益。