摘 要：闡述鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的重要性，介紹了目前常用的各類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的組成、作用原理，并對(duì)涂料的作用過(guò)程進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料火災(zāi)危險(xiǎn)性作用機(jī)理分類及運(yùn)用
一、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料運(yùn)用的必要性
鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的一種形式，以其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于賓館、飯店、展覽館等民用公共建筑和廠房、倉(cāng)庫(kù)等工業(yè)建筑。由于鋼結(jié)構(gòu)自身不燃，鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱保護(hù)問(wèn)題曾一度被人們忽視，在火災(zāi)的作用下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度達(dá)到350℃、500℃、600℃時(shí)，強(qiáng)度分別下降1/3、1/2、2/3，鋼材的力學(xué)性能，諸如屈服點(diǎn)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，很快失去支撐能力，導(dǎo)致建筑物垮塌，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑一旦發(fā)生火災(zāi)往往造成群死群傷等惡性火災(zāi)事故的發(fā)生。美國(guó)世貿(mào)中心大樓是典型的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑，其主樓呈雙塔形，使用鋼材7.8萬(wàn)噸，樓的外圍有密置的鋼柱，墻面由鋁板和玻璃窗組成，素有“世界之窗”之稱。“9.11”恐怖襲擊中，在大火的作用下主樓僅僅經(jīng)過(guò)30分鐘便轟然倒塌，造成了死亡2797人、損失360億美元的舉世震驚慘案。 因此做好鋼結(jié)構(gòu)的防火措施，對(duì)于杜絕群死群傷惡性火災(zāi)事故具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基本機(jī)理
從燃燒的條件知道，要使燃燒不能進(jìn)行，必須將燃燒的三個(gè)要素（可燃物、氧氣、熱源）中的任何一個(gè)要素隔絕開(kāi)來(lái)。因此防火涂料之所以可以防火（阻燃），大致可以歸納為以下幾點(diǎn)：
1.防火涂料本身具有難燃或不燃性，使之防火保護(hù)體系在火災(zāi)條件下不易自身燃燒。
2.防火涂料遇火受熱分解放出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護(hù)基材周圍的易燃?xì)怏w和空氣中的氧氣，抑制火焰燃燒。
3.燃燒被認(rèn)為是游離基引起的連鎖反應(yīng)。而含氮、磷的防火涂料受熱分解放出一些活性自由基團(tuán)，與有機(jī)自由基結(jié)合，中斷連鎖反應(yīng)，降低燃燒速度。
4.膨脹防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層致密泡沫隔熱層，封閉被保護(hù)的鋼基材，阻止鋼基材溫度升高。
三、鋼結(jié)構(gòu)涂料的分類及運(yùn)用
裸露鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料涂覆保護(hù)已開(kāi)展多年，目前，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)涂料主要分為厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。隨著技術(shù)水平的不斷提高，所采用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料品種從含短纖維的噴涂料（膨脹型），逐漸過(guò)渡到不含纖維的薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料（油性的防火漆和水性的防火乳膠漆），不僅是防火性能得到進(jìn)一步提高，最重要的是防火涂層的理化性能和裝飾性能大大改善。
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厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層厚度在8毫米～50毫米的涂料，這類防火涂料的耐火極限可達(dá)0.5小時(shí)～3小時(shí)。在火災(zāi)中涂層不膨脹，依靠材料的不燃性、低導(dǎo)熱性或涂層中材料的吸熱性，延緩鋼材的升溫，保護(hù)鋼件。這類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料采用合適的粘結(jié)劑，再配以無(wú)機(jī)輕質(zhì)材料、增強(qiáng)材料。對(duì)于全鋼結(jié)構(gòu)高層建筑，從耐久性和防火性考慮，宜選用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。如原美國(guó)世貿(mào)中心工程，上海金茂大廈等。但這類產(chǎn)品由于涂層厚，外觀裝飾性相對(duì)較差。
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涂層厚度在3毫米～7毫米的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料稱為薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。該類涂料受火時(shí)能膨脹發(fā)泡，以膨脹發(fā)泡所形成的耐火隔熱層延緩鋼材的升溫，保護(hù)鋼構(gòu)件。這類鋼結(jié)構(gòu)涂料一般是用合適的乳膠聚合物作基料，再配以阻燃劑、添加劑等組成。對(duì)這類防火涂料，要求選用的乳液聚合物必須對(duì)鋼基材具有良好附著力、耐久性和耐水性。常用作這類防火涂料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性的丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。為了使粒狀的各種添加劑能更好地分散，還加入分散劑，如常用的六偏磷酸鈉等。
（三）超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
1.超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料概念及運(yùn)用。超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料指防火涂層厚度在3mm以下，以溶劑型為主，具良好的裝飾和理化性能，受火時(shí)膨脹發(fā)泡形成致密、強(qiáng)度高的防火隔熱層，該防火隔熱層極大地延緩了被保護(hù)鋼材的溫升，提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限，為一類新型防火涂料。超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般使用在耐火極限要求在2.5h以內(nèi)的建筑鋼結(jié)構(gòu)上. 目前國(guó)內(nèi)外，已出現(xiàn)了耐火性能達(dá)到或超過(guò)2小時(shí)的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料新品種。目前各種輕鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等多采用該類型防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)。由于該類防火涂料涂層超薄，工程中使用量較厚型、薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料大大減少，從而降低了工程總費(fèi)用，又使鋼結(jié)構(gòu)得到了有效的防火保護(hù)。與厚涂型和薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料相比，超薄型膨脹鋼結(jié)構(gòu)防火涂料黏度更細(xì)、涂層更薄、施工方便、裝飾性更好，在滿足防火要求的同時(shí)又能滿足高裝飾性要求。
2.超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基本組成。（1）成膜劑。成膜劑對(duì)膨脹型防火涂料的性能有重大的影響。它與其它組分匹配，既保證涂層在正常工作條件下具有各種使用性能，又能在火焰或高溫作用下使涂層具有難燃性和優(yōu)異的膨脹效果；（2）催化劑。催化劑的主要作用是促進(jìn)和改變涂層的熱分解進(jìn)程，如促進(jìn)涂層內(nèi)含羥基的有機(jī)物脫水炭化形成不易燃的三維空間結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)層，減少熱分解產(chǎn)生的焦油、醛、酮的量，阻止放熱量大的炭氧化反應(yīng)發(fā)生等；（3）成炭劑。成炭劑是形成三維空間結(jié)構(gòu)不易燃的泡沫炭化層的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)泡沫炭化層起著骨架的作用，它們是一些含高碳的多羥基化合物，如淀粉、季戊四醇、雙季戊四醇、含羥基的樹(shù)脂等；（4）發(fā)泡劑。膨脹型防火涂料的特點(diǎn)是涂層遇熱時(shí)，能放出不燃性的氣體，如氨、二氧化碳、水蒸汽、鹵化氫等，使涂層膨脹起來(lái)，并在涂層內(nèi)形成蜂窩狀泡沫結(jié)構(gòu)。這些是靠發(fā)泡劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的；（5）無(wú)機(jī)顏填料。對(duì)膨脹型防火涂料來(lái)說(shuō)，含無(wú)機(jī)填料的比例較少，因其含量過(guò)高，會(huì)影響涂層的發(fā)泡高度，從而達(dá)不到隔熱的目的；（6）其它成分包括少量的有機(jī)膨潤(rùn)土、消泡劑和流平劑等。
3.超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的作用過(guò)程。(1)平穩(wěn)階段：這一階段為室溫20℃～230℃，這期間失重僅為2%左右，主要是涂料中未揮發(fā)的溶劑和其它易揮發(fā)份，涂料的表層起火，這主要是涂料內(nèi)的揮發(fā)份著火所致。此時(shí)，涂料中的成膜物質(zhì)開(kāi)始熔融軟化；(2)發(fā)泡炭化階段：這一階段為230℃～420℃，這期間失重為43%左右，這階段是涂料發(fā)揮作用的過(guò)程，主要是涂料中防火阻燃體系中的發(fā)泡劑三聚氰胺首先熱分解，釋放出不燃性氣體NH3，同時(shí)成膜物質(zhì)中部分成分分解產(chǎn)生NH3、HCl和水蒸氣等促使第一階段已熔融軟化的成膜物質(zhì)持續(xù)地膨脹發(fā)泡，形成泡沫層，此時(shí)脫水催化劑聚磷酸銨分解成聚偏磷酸，與成炭劑雙季戊四醇、成膜物質(zhì)等含羥基有機(jī)化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫水成炭，在泡沫層中形成炭骨架，最后生成致密堅(jiān)硬的黑色蜂窩狀炭化層。 因此可以有效的隔絕外部熱源，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)基材；(3)失炭階段：這一階段為420℃～770℃，這期間失重為18%左右，這主要是炭化層中的碳逐漸被氧化成CO2而逸出體系，同時(shí)有一部分炭化層由于附著力不夠而被氣流帶走；(4)無(wú)機(jī)層階段：這一階段為770℃～1000℃以后，這期間失重為0.24%左右，這主要是炭化層中碳被氧化逸出后，剩余的約37%的無(wú)機(jī)材料形成了白色無(wú)機(jī)骨架，防火涂料在火場(chǎng)后期（大約45分鐘以后），主要是這些無(wú)機(jī)骨架在起到防火隔熱的作用。
綜上，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，還需要向著超薄、超耐候性能、裝飾性能優(yōu)良的方向發(fā)展。一是研制和開(kāi)發(fā)高耐候性的室外超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。二是開(kāi)發(fā)復(fù)合高效低水溶性的催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑。三是通過(guò)樹(shù)脂的復(fù)配或接支改性來(lái)改善防火涂料的防火性能和各種理化性能。四是將膨脹型和非膨脹型進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，使涂層在高溫下形成低膨脹率的高強(qiáng)度炭化層。五是將新技術(shù)應(yīng)用到防火涂料中去，例如，將納米阻燃材料加入防火涂料體系中將會(huì)的到意想不到的效果。六是將廢物利用與防火涂料的開(kāi)發(fā)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。
參考資料：
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