摘要：本文旨在探討防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用和相關(guān)耐火性能分析的方法。針對(duì)建筑物和工業(yè)設(shè)施中的鋼結(jié)構(gòu)，防火涂料被廣泛應(yīng)用，以增強(qiáng)鋼材的耐火性能。本文首先對(duì)防火涂料的分類(lèi)特性進(jìn)行了概述，并探討了其在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用領(lǐng)域和我國(guó)目前的應(yīng)用現(xiàn)狀。其次，簡(jiǎn)明介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的幾種耐火性能分析方法。最后，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)鍵詞：防火涂料；鋼結(jié)構(gòu)；耐火性能；阻燃；發(fā)展趨勢(shì)

引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域和工業(yè)設(shè)施的材料，具有重要的結(jié)構(gòu)功能和承載能力。然而，一旦遭遇火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)的性能將大幅下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。因此，如何保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)免受火災(zāi)侵害，成為建筑行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。防火涂料作為一種有效的防火措施，通過(guò)形成耐火層保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能。

一、防火涂料

（一）防火涂料分類(lèi)

防火涂料自1837年問(wèn)世以來(lái)，衍生出了許多種類(lèi)。本文根據(jù)前人的相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]，總結(jié)出幾種防火涂料的分類(lèi)方法。防火涂料依據(jù)其防火機(jī)理的不同可以分為膨脹性防火涂料和非膨脹性防火涂料，目前絕大多數(shù)都是膨脹性防火涂料。防火涂料按使用范圍可以分為室內(nèi)防火涂料和室外防火涂料。前者主要應(yīng)用在建筑內(nèi)部裝飾材料、輪船汽車(chē)等交通運(yùn)輸工具內(nèi)部，后者主要應(yīng)用在建筑外墻壁、鋼結(jié)構(gòu)等場(chǎng)所。防火涂料按照涂層厚度的不同可分為超薄型、薄型和厚型三種。防火涂料若按添加阻燃劑的方式來(lái)劃分，可以分為添加型防火涂料和反應(yīng)型防火涂料。

（二）防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

1.防火涂料的特性[3]

防火涂料具有以下主要特性：防火性能、附著力、耐候性和耐久性。防火性能是衡量防火涂料效果的重要指標(biāo)，通常根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。[4] 附著力是衡量涂料與鋼結(jié)構(gòu)之間粘結(jié)強(qiáng)度的指標(biāo)，良好的附著力可以確保涂層長(zhǎng)期穩(wěn)定附著在鋼結(jié)構(gòu)表面。耐候性和耐久性是指涂料在不同氣候條件下的耐久性能，包括抗紫外線(xiàn)、耐鹽霧和防腐蝕等能力。

2.防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用領(lǐng)域

防火涂料在各類(lèi)建筑物和工業(yè)設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。[5]其中包括商業(yè)建筑、住宅建筑、大型公共設(shè)施、工廠和化工廠等。鋼結(jié)構(gòu)常用于承重部位，如梁、柱和懸掛裝置等，在這些區(qū)域施加防火涂料能夠有效延緩鋼結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速度，從而提供額外時(shí)間用于火災(zāi)撲滅和疏散。

3.防火涂料的工作原理和應(yīng)用方法

防火涂料的工作原理通常包括兩個(gè)方面：火焰抑制和熱隔離。[6]火焰抑制是指防火涂料中的化學(xué)成分在火災(zāi)發(fā)生時(shí)釋放出氣體或涂料體系產(chǎn)生水蒸氣等，形成吸熱和緩慢燃燒的條件，從而起到阻止火勢(shì)蔓延的效果。熱隔離是指防火涂料中添加的高溫保護(hù)層能夠隔離鋼結(jié)構(gòu)和火源之間的高溫傳導(dǎo)。

防火涂料的應(yīng)用方法一般包括刷涂、噴涂和浸漬三種方式。[7]根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的不同，選擇合適的涂料和施工方式能夠確保涂層的均勻性和完整性。

（三）我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用現(xiàn)狀

在我國(guó)，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)防火涂料的需求也不斷增加。目前，我國(guó)使用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料以有機(jī)防火涂料為主，涂料型和涂裝型防火涂料得到廣泛應(yīng)用，有機(jī)防火涂料具有裝飾性好、施工方便等特點(diǎn)，適用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析方法

耐火性能是衡量防火涂料在火災(zāi)中應(yīng)用的一項(xiàng)重要性質(zhì)，也是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的重要性能，通常以防火涂料的涂層厚度和其對(duì)應(yīng)的耐火極限來(lái)表示。鋼結(jié)構(gòu)在高溫下會(huì)受熱產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，繼而導(dǎo)致力學(xué)性能的惡化和喪失，引發(fā)事故，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析十分關(guān)鍵。[8]目前，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能測(cè)試和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定都要依據(jù)現(xiàn)行階段所采用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB14907-2018）。本文主要介紹鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能分析的幾種常用實(shí)驗(yàn)室分析方法。

（一）錐形量熱儀分析法

錐形量熱儀對(duì)于燃燒中的防火涂料具有多項(xiàng)功能的測(cè)試，可測(cè)試防火涂料的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、有效燃燒熱、生煙速率、總生煙量等參數(shù)，這些參數(shù)在鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全工程與設(shè)計(jì)和防火涂料阻燃性能的研究中都非常重要，其應(yīng)用十分廣泛。[9]經(jīng)過(guò)不斷改善與發(fā)展，錐形量熱儀現(xiàn)已成為研究材料燃燒性能最重要的實(shí)驗(yàn)儀器之一，錐形量熱儀分析法也成為火災(zāi)科學(xué)中十分重要的耐火性能分析方法。錐形量熱儀的燃燒環(huán)境與真實(shí)的火災(zāi)環(huán)境十分相似，其測(cè)試數(shù)據(jù)可進(jìn)一步研究鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的燃燒生煙過(guò)程與阻燃機(jī)理。

（二）熱分析方法

所謂熱分析是指在程序控制溫度下測(cè)量材料的物理性質(zhì)和溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)。[10]許多與熱物理性質(zhì)有關(guān)的分析方法都可歸類(lèi)為熱分析方法。國(guó)際熱分析學(xué)會(huì)將熱分析技術(shù)分為9類(lèi)17種，其中熱重分析法（TG）、差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱技術(shù)（DSC）的應(yīng)用最為廣泛，也是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在熱分析技術(shù)應(yīng)用的主要范疇。其中薄型和超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料用到的多數(shù)是膨脹性阻燃體系，[11]杜建科等利用DSC、TGA、DTA等方法分析了一系列膨脹性阻燃體系的組分及過(guò)程，解釋了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的機(jī)理，對(duì)深入研究鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全設(shè)計(jì)有巨大作用。

（三）紅外光譜分析方法

傅里葉紅外光譜法（FT-IR）是利用傅里葉紅外光譜儀來(lái)測(cè)試防火涂料在燃燒前后的分子變化，以此對(duì)防火涂料中各組分展開(kāi)性能分析。[12]傅立葉紅外光譜的特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，測(cè)量精度高，分辨率高及測(cè)量波段寬，全波段內(nèi)分辨率一致，這些特點(diǎn)可以極大幫助分析鋼結(jié)構(gòu)防火涂料各組分組成。[13]馮偉華、唐波等以水性丙烯酸樹(shù)脂為基體， 聚磷酸胺、季戊四醇和三聚氰胺為膨脹阻燃體系， 加入少量氧化石墨烯制備水性膨脹防火涂料。利用紅外光譜分析法觀察到在加入氧化石墨烯的涂層的殘?zhí)恐校?200cm-1左右的—OH吸收峰和1460cm-1左右的—CH2的彎曲振動(dòng)峰更加明顯，且出現(xiàn)了其他特征吸收峰，進(jìn)而證明氧化石墨烯和季戊四醇的阻燃效果。

（四）X射線(xiàn)衍射分析方法

X射線(xiàn)衍射分析（XRD）是利用晶體形成的X射線(xiàn)衍射，對(duì)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。[14]研究晶體材料時(shí)，X射線(xiàn)衍射方法非常理想、有效，所以X射線(xiàn)衍射法被認(rèn)為是研究固體最有效的工具。[15]劉志碩等利用X射線(xiàn)衍射分析對(duì)膨脹防火涂料碳層進(jìn)行了表征，通過(guò)繪制ZrN-4的XRD譜圖，發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)晶峰，表明生成了焦磷酸鹽類(lèi)物質(zhì)，使得碳層保存更好，提升了阻燃性能。

（五）傳統(tǒng)阻燃分析方法

傳統(tǒng)的阻燃測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法種類(lèi)繁多，從微尺度、小尺度一直到大尺度實(shí)驗(yàn)。大尺度實(shí)驗(yàn)雖然更加接近真實(shí)火災(zāi)，但耗資巨大且難以把控，因此最為廣泛使用的還是小尺度實(shí)驗(yàn)。其中，氧指數(shù)測(cè)試方法和UL-94測(cè)試方法被廣泛應(yīng)用于防火涂料的質(zhì)量控制和性能測(cè)試中。氧指數(shù)法（OI）是在評(píng)價(jià)塑料與紡織材料的燃燒中提出來(lái)的，其燃燒結(jié)果重現(xiàn)性較好；UL-94法則多用于評(píng)價(jià)材料燃燒性能，在國(guó)際上享有較高的權(quán)威性，受到了普遍認(rèn)可。

三、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料未來(lái)的發(fā)展方向和前景

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來(lái)發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面：高溫耐火性能的提升：不斷研究新型防火材料和配方，提高防火涂料的耐高溫性能，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間。環(huán)境友好型防火涂料：研發(fā)低VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）和無(wú)毒無(wú)害的防火涂料，減少對(duì)環(huán)境的污染和人體的危害。裝飾性能的提升：改善無(wú)機(jī)防火涂料的裝飾性能，使其能夠滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)的裝飾要求。施工性能的改進(jìn)：提高防火涂料的施工性能，使其更易施工和操作，降低施工難度和成本。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有廣闊的市場(chǎng)前景，尤其是在高層建筑、工業(yè)設(shè)施和公共場(chǎng)所等領(lǐng)域的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的實(shí)踐和研究證明。通過(guò)形成耐火層，防火涂料能有效提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，保護(hù)建筑物和工業(yè)設(shè)施免受火災(zāi)侵害。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能分析也可以經(jīng)過(guò)多種方法檢驗(yàn)，從而進(jìn)一步研究和實(shí)踐并完善鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的性能和應(yīng)用方法，推動(dòng)其在工程領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：姜奕豪（2003- ），男，漢族，山東招遠(yuǎn)人，本科，研究方向：安全工程。