水性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究

殷錦捷,王艷榮,許 明

(銀川能源學(xué)院,寧夏銀川 750105)

水性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究

殷錦捷,王艷榮,許 明

(銀川能源學(xué)院,寧夏銀川 750105)

介紹了我國(guó)近年來(lái)發(fā)生的特大火災(zāi),介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的重要性、分類及防火原理,對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述,探討了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展方向。

鋼結(jié)構(gòu),水性,防火涂料

1 概述

盤(pán)點(diǎn)2014～2015年我國(guó)發(fā)生的特大火災(zāi),這些火災(zāi)很多是由于鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差引起的。例如,2014年1月14日下午14時(shí)52分,浙江省臺(tái)州市溫嶺市城北街道楊家渭村臺(tái)州大東鞋廠發(fā)生火災(zāi),過(guò)火面積達(dá)到800多平方米,初步確認(rèn),有16人死亡。2014年3月26日13時(shí)20分,位于揭陽(yáng)普寧市軍埠鎮(zhèn)蓮壇村沙堆自然村水浮溝下第二街泉發(fā)樓鄭曉生等人經(jīng)營(yíng)的內(nèi)衣作坊發(fā)生重大火災(zāi)事故,造成12人死亡,5人受傷,過(guò)火面積208平方米,直接經(jīng)濟(jì)損失390.93萬(wàn)元。由此,鋼材料的耐火性能必須引起高度的重視。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高,從而促進(jìn)建筑行業(yè)的迅速發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、塑性韌性好、內(nèi)部組織比較均勻、制造簡(jiǎn)便、氣密性水密性好以及耐熱性好等優(yōu)點(diǎn),使得其在現(xiàn)代建筑中尤其是大空間建筑如體育館、歌劇院、高層建筑等得到了廣泛應(yīng)用。但是,鋼結(jié)構(gòu)材料雖然本身屬于不燃燒材料,但其極易導(dǎo)熱,耐火性能比混凝土結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)要差得多。科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明,沒(méi)有防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)材料在高溫下會(huì)迅速失去強(qiáng)度而變形,當(dāng)受熱溫度高到250℃以上后,鋼結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度會(huì)下降很快；當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí),其強(qiáng)度會(huì)下降1/3；而當(dāng)受熱溫度高達(dá)600℃以上時(shí),會(huì)使其強(qiáng)度降低2/3。而一般火場(chǎng)溫度高達(dá)700℃,在這時(shí)只需十幾分鐘就會(huì)使得其自身的溫度升高到540℃,從而使得鋼材的機(jī)械力學(xué)性能,如抗壓強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、載荷能力以及彈性模量都快速地降低,當(dāng)受熱溫度達(dá)到600℃時(shí),鋼材的強(qiáng)度幾乎降低為零,從而使得建筑坍塌[1]。

火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)有如下的特點(diǎn)[2]：

(1)難撲救：鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中極易坍塌并且速度極快,及時(shí)撲救的機(jī)會(huì)很小。

(2)損失嚴(yán)重：不論是民用建筑還是工業(yè)建筑,一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和慘重的人員傷亡。

(3)損壞的建筑物難修復(fù)：鋼材不像混凝土材料受損容易修復(fù)后再使用。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)防火舉措[3]

(1)在空心鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)充冷水,并使其形成循環(huán)水,在火災(zāi)時(shí)使得鋼結(jié)構(gòu)能夠保持降低的溫度。

(2)包封法,即將鋼結(jié)構(gòu)包封在隔熱、絕熱等耐火材料中,在火災(zāi)中阻隔火焰直接和鋼結(jié)構(gòu)接觸,降低鋼結(jié)構(gòu)的溫度,延長(zhǎng)升溫速度。

(3)屏蔽法,即將鋼結(jié)構(gòu)屏蔽在耐火材料組成的物體中,將火焰和鋼結(jié)構(gòu)材料直接隔絕開(kāi)。

(4)噴涂法,將防火材料噴涂在鋼結(jié)構(gòu)表面,利用防火涂料本身的難燃性或是形成膨脹隔層將鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)在內(nèi),延緩鋼結(jié)構(gòu)升溫速度。

1.3 防火涂料

防火涂料(fire-retardant coating),又名防火漆、阻燃涂料,它在實(shí)際使用的過(guò)程中不僅可以用于裝飾基材,還擁有防銹、防腐蝕、耐鹽霧、耐酸堿以及阻燃等性能。這種涂料自身就具有難燃性甚至不燃性,在使用的過(guò)程中很難被火焰點(diǎn)燃,將其施用于可燃性基材表面,可以改變材料表面燃燒特性,阻滯火災(zāi)迅速蔓延；或施用于建筑構(gòu)件上,用以提高構(gòu)件的耐火極限。因?yàn)檫@一特性,防火涂料得到了廣泛的應(yīng)用,在火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候可以對(duì)燃燒的拓展以及燃燒情況進(jìn)行阻止和延滯,為人們爭(zhēng)取更多的生存和搶救時(shí)間,從而為人們的人身安全以及財(cái)產(chǎn)安全提供一定的保障。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分類

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料種類繁多,按照使用場(chǎng)所可分為：室內(nèi)防火涂料和室外防火涂料；按涂料的受熱屬性可分為：膨脹性防火涂料以及非膨脹性防火涂料；在實(shí)施中主要是按照涂層的厚度分類的,可分為：超薄型防火涂料、薄涂型防火涂料以及厚涂型防火涂料。

2.1 薄型防火涂料

基料是一些具有適合度的水性聚合物,可以與防火添加劑、阻燃劑復(fù)合體系以及耐火纖維等進(jìn)行配合運(yùn)用,在防火原理方面與超薄型結(jié)構(gòu)相同。薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在裝飾性方面比厚型防火涂料更具有優(yōu)勢(shì),在一般情況下,它的耐火極限大概在兩個(gè)小時(shí)以內(nèi),在使用的過(guò)程中也大多是采用噴涂的方式進(jìn)行施工。

2.2 超薄型防火涂料[4]

特點(diǎn)：在使用的過(guò)程中擁有相對(duì)較為優(yōu)越的耐火耐水性,黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較高,具有較好的裝飾性以及流平性等。

在實(shí)際運(yùn)用中,遇到火災(zāi)后會(huì)出現(xiàn)緩慢膨脹的發(fā)泡現(xiàn)象,在基材表面形成一層相對(duì)較為致密以及堅(jiān)硬的防火隔熱層,在耐火沖擊性方面具有極強(qiáng)的效果,可以對(duì)鋼材升溫的速度進(jìn)行延緩,從而達(dá)到保護(hù)鋼構(gòu)件的目的。

另外,超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有超薄的特性,在一定程度上節(jié)省了工程的總費(fèi)用。

2.3 厚型防火涂料

特點(diǎn)：在防火性能方面具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性,適合于長(zhǎng)期使用中。

缺點(diǎn)：組分顆粒相對(duì)較大,使用中往往會(huì)出現(xiàn)外觀不平整現(xiàn)象,對(duì)建筑外觀的整體美觀性造成一定程度影響,所以大多用在結(jié)構(gòu)中的隱蔽工程中。

此外,在這種防火涂料的使用中,可以利用材料表面顆粒的熱導(dǎo)率低、密度小以及材料所具有的吸熱性等特點(diǎn),為鋼材料提供保護(hù)。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

國(guó)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究起步較早,在20世紀(jì)60年代時(shí),西方發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始致力于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究,并取得了一定的成效。

西德以水玻璃、多孔石墨等為主要成分研制了鋼防火涂料；捷克在P-N-C體系中再加入氯乙烯聚合物從而開(kāi)發(fā)研究出新型膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；芬蘭研制出無(wú)機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,這種防火涂料以磷酸鹽、高爐渣等為主要成分；日本研制出丙烯酸聚氨酯鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。在20世紀(jì)90年代中期,以德國(guó)為首的市場(chǎng)上開(kāi)始涌現(xiàn)出超薄膨脹型防火涂料,這種涂料裝飾性好、涂層薄、粒度細(xì)、施工方便,在滿足人們的高裝飾性要求的基礎(chǔ)上也同時(shí)能滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求。

3.2 國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

我國(guó)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究起步比國(guó)外晚20年左右,在20世紀(jì)80年代初,國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。四川消防研究所在1984年首次研制出LG鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,隨后國(guó)內(nèi)很多研究所致力于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究。自此,我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制發(fā)展迅速,產(chǎn)品類型多樣化,由最初的厚涂型涂料發(fā)展到薄涂型、超薄型,并不斷地有相應(yīng)的新產(chǎn)品涌現(xiàn)。

4 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用中存在的問(wèn)題[5]

(1)制備標(biāo)準(zhǔn)難以把握,實(shí)際使用的構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件不能一一對(duì)應(yīng),在對(duì)實(shí)際使用構(gòu)件檢測(cè)時(shí)需要相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行準(zhǔn)確的換算,但是換算的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。

(2)安全性問(wèn)題,一些防火涂料的基材主要是有機(jī)樹(shù)脂,在受熱膨脹時(shí)分解出有毒氣體,對(duì)火場(chǎng)被困人員以及消防人員產(chǎn)生一定的危害。

(3)防火涂料的耐久性不強(qiáng),涂料中加入的有機(jī)材料,例如有機(jī)胺和多元醇等,這些物質(zhì)在日照、紫外線、雨雪、振動(dòng)等因素的影響下逐漸分解、降解,不同程度地降低其膨脹性能、黏結(jié)性能等,使得防火涂料老化、粉化以及剝落,從而降低或失去防火性能。

(4)檢測(cè)監(jiān)督環(huán)節(jié)不完善,防火涂料完工驗(yàn)收及使用期間的檢查是重要的環(huán)節(jié),這對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和生命安全有著巨大的影響,但是一些部門(mén)對(duì)這樣的問(wèn)題沒(méi)有高度的重視。

5 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展方向[6-7]

(1)向著環(huán)保安全方向發(fā)展,盡量降低防火涂料的毒性,既要降低涂料受熱分解時(shí)釋放出有毒氣體,也要減少生產(chǎn)涂料和施工時(shí)所造成的環(huán)境污染,以減小對(duì)環(huán)境以及人類的傷害。

(2)提高各類防火涂料的各成分之間的協(xié)同作用,使得各組分不僅起到各自的作用還能促進(jìn)其他組分的優(yōu)異性能的表現(xiàn),對(duì)于基材將耐水性、耐候性、耐酸堿性以及粘結(jié)性相結(jié)合,使阻燃劑體系的發(fā)泡性、成碳性和膨脹性達(dá)到協(xié)同的效果。

(3)發(fā)展具有復(fù)合性能的防火涂料,使得涂料朝具有環(huán)保經(jīng)濟(jì)、低有機(jī)揮發(fā)、低毒或無(wú)毒、低排放量、高防腐、高防火、高裝飾性能等方向發(fā)展。

[1] 馬洪濤.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].山東建材,2007(3)：37-41.

[2] 陳曉霞,衛(wèi)愛(ài)民,賈黎君.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用進(jìn)展[J].安陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007(2)：140-142.

[3] 常青.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的重要性以及功能和應(yīng)用[J].江西建材,2014(15)：81.

[4] 劉學(xué)軍.水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制[D].北京：北京化工大學(xué),2005.

[5] 耿合忠.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2007(10)：47-48.

[6] 甘子瓊,戚天游,肖華榮.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].涂料工業(yè),2004,34(3)：42-47.

[7] 鮑治宇,董延茂.膨脹阻燃技術(shù)及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005：171-181.

Research of Water-borne Fire Retardant Coatings on Steel Structure

YIN Jin-jie,WANG Yan-rong,XU Ming

(Yinchuan Energy Institute,Yinchuan 750105,Ningxia,China)

Describes the disastrous fire occurred in China in recent years；the importance of fire retardant coatings,classification and fire retardant principle. The current research fire retardant coatings and the development direction of the fire retardant paint were discussed.

steel structure,water-borne,fire retardant coatings

TU 545