鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能評價方法及產(chǎn)品質(zhì)量安全風險分析

陳大勇 李澤剛 王璐 方然 傅敬偉

摘要：本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機理，闡述了目前應用的幾種評價鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的方法;提出了防火涂料在生產(chǎn)、流通、使用中主要存在的風險點，并針對該風險點提出了風險監(jiān)測建議和措施。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料;防火性能;評價方法;風險分析

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)因其高強度、易安裝、抗震性能好等優(yōu)點得到了廣泛應用。雖然鋼為不燃材料，但是當溫度達到600℃時，鋼結(jié)構(gòu)會逐漸失去承載能力。而在火場中，通常會在10min內(nèi)達到800℃以上的溫度，若不加任何保護，裸露的鋼結(jié)構(gòu)很快會出現(xiàn)變形，產(chǎn)生局部破壞，最終失去承載力[1]。因此，通過有效的措施對鋼結(jié)構(gòu)進行保護對保障人民的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是一種由基體樹脂、成碳劑、催化劑、發(fā)泡劑組成的涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面，起提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的涂料。由于其防火隔熱性能好、施工便捷等優(yōu)點，廣泛應用于鋼結(jié)構(gòu)的保護。目前，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的市場需求每年在2萬噸以上，累計使用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料已達20余萬噸，保護面積數(shù)百萬平方米;其生產(chǎn)和施工涉及的單位超2000余家[2]。本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機理、防火性能的檢測方法，對其在使用過程中的安全問題進行風險分析，對綜合評價鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火性能提出了建議。

一、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機理

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按防火機理可分為膨脹型和非膨脹型[3]。

其中，膨脹型的防火機理為：（1）涂料中含有碳源、酸源、碳化劑、發(fā)泡劑等成分，在受熱過程中分解產(chǎn)生氣體，形成膨脹發(fā)泡層，起到隔絕氧氣的作用，并且因為其泡孔結(jié)構(gòu)的存在，降低了熱量的傳遞，從而起到保護基體的作用;（2）膨脹發(fā)泡過程是一個吸熱過程，能降低基體表面的溫度，起到隔熱作用[4-5]。

非膨脹型的防火機理為：（1）涂料主要成分為無機絕熱材料，自身不燃，導熱率低，延滯了熱量傳向被保護基材的速度;（2）涂料中的某些組分遇火相互反應，生成不燃氣體，該過程是吸熱反應，消耗了大量的熱，有利于降低體系溫度;（3）涂料在高溫下形成一種致密結(jié)構(gòu)，能有效隔絕氧氣并具有反射熱量作用， 延緩鋼結(jié)構(gòu)升溫[6-7]。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的檢測方法

（一）國標中規(guī)定的檢測方法

GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》是我國現(xiàn)行關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的檢測方法，其實施過程可概括為：選用HN 400×200熱度H型鋼和36b工字鋼進行試件制作。在試驗前先測定涂層厚度，然后再按照標準要求進行加載、耐火試驗。最終判定條件為試件的最大彎曲變形與平均溫度。雖然該方法是目前國家標準中規(guī)定的試驗方法，但筆者認為該方法存在以下幾點弊端：1.試驗過程復雜、周期長、成本高;2.只考察了耐火性能，實際在發(fā)生火情時，防火涂料受火后可能會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，該因素同樣應該考慮;3.該方法對生產(chǎn)企業(yè)初次生產(chǎn)進行型式檢驗時還適用，但對工程驗收時，受其試驗周期等影響，很難有實際應用。

（二）標準外的檢測方法

1.錐形量熱儀法

錐形量熱儀是一種表征材料燃燒性能的較為理想的儀器，其試驗參數(shù)包括：點燃時間（TTI）、總釋放熱（THR）、釋熱速率（HRR）、煙及毒性參數(shù)等。由于其試驗環(huán)境與火災材料的真實燃燒環(huán)境接近，所測得的參數(shù)可用來評價材料在火災中的燃燒行為。其應用主要包括：評價材料的燃燒危害、研究阻燃機理以及進行火災模型研究。埃弗森·坎德雷[8]等人通過錐形量熱儀的方法研究了不同的涂料配方，在不同的輻射功率（25、50、65 kW/m2）下的燃燒行為，其主要評價指標包括點燃時間、最大熱釋放速率以及達到最大熱釋放的時間。點燃時間越短、熱釋放速率越大，則火災危害性越大。此外，錐形量熱儀中測定的比消光面積（SEA），可以表征燃燒過程中的發(fā)煙量動態(tài)參數(shù)，因此可對煙氣進行一定程度的評價。

2.熱分析法

膨脹型防火涂料的防火機理多為在受熱過程中分解產(chǎn)生氣體，通過熱分析方法（DSC、TGA和DTA）可以研究體系在受熱過程中隨著溫度變化，體系發(fā)生變化的動態(tài)過程。明建耀[9]等人通過TGA的方法研究了一種水性膨脹防火涂料的防火性能，其評價指標主要為殘?zhí)贾亓俊５窃摲椒ㄊ且环N微量測試方法，用量評價防火涂料的防火機理可以，但不適用于直觀評價防火性能，因為其試驗環(huán)境與真實火災環(huán)境相差較大。但可作為其他評價方法的一種輔助手段。

3.掃描電鏡法

掃描電鏡（SEM）主要用來觀察涂料燃燒過后炭化層的表面形貌，尤其對膨脹型防火涂料，由于其防火性能與其膨脹程度有密切關(guān)系，通過觀察炭化層的泡孔形貌，可以側(cè)面反映出其防火性能。王國建[10]等人就通過SEM的方法研究了在水性膨脹防火涂料中加入玻璃鱗片（GF）可以改善涂層的泡孔結(jié)構(gòu)，最終有利于防火性能的提高。

4.紅外光譜法

紅外光譜可用來表征分子結(jié)構(gòu)，研究防火涂料在燃燒前后經(jīng)歷的變化，從而推斷其阻燃機理。狄志剛[11]等采用紅外光譜法研究了以自制的阻燃抑煙劑制備的羥基有機硅單體和羥基丙烯酸樹脂為主要基料的防火涂料，通過–Si–O–鍵的吸收峰變化來評價其防火性能。

雖然以上幾種方法在一些科研工作中有所研究，但并未形成較為系統(tǒng)的評價方法。筆者認為，在小尺寸試驗中，采用錐形量熱與紅外連用的方法，可以較好評價防火涂料的防火性能，原因有以下幾點：（1）試件制作過程中，防火涂料的涂刷可按照實際使用中的施工方法，貼近實際;（2）試驗環(huán)境與火災環(huán)境接近;（3）測試參數(shù)種類多，評價指標較全;（4）聯(lián)用紅外，可以對煙氣成分進行分析，研究其產(chǎn)煙毒性，從而更加全面地分析其防火性能。

三、風險監(jiān)測建議及措施

（一）產(chǎn)品質(zhì)量風險點

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料由于其自身的局限性以及在生產(chǎn)、流通、使用過程中存在的問題，其風險點主要包含以下幾個方面：

1.產(chǎn)品自身缺陷，多數(shù)膨脹型防火涂料阻燃劑采用C-N-P或C-N-P-CL體系[12]，在受熱分解過程中會產(chǎn)生NH3、HCL、NOX、CO等，這些氣體均可產(chǎn)生窒息作用[13]。

2.企業(yè)技術(shù)欠缺，生產(chǎn)的防火涂料產(chǎn)品質(zhì)量達不到標準要求。

3.施工過程中，為降低成本，摻雜品質(zhì)低劣的產(chǎn)品，不按施工工藝進行施工，涂刷厚度達不到要求，或應該掛網(wǎng)的地方而不掛網(wǎng)等。

4.使用過程中，防火涂料的使用壽命低于鋼結(jié)構(gòu)設計年限，出現(xiàn)老化等問題而未及時維護。

（二）風險監(jiān)測建議及措施

隨著建筑中鋼結(jié)構(gòu)應用越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的質(zhì)量直接關(guān)系到人身安全。相關(guān)部門應做好日常風險監(jiān)測工作，防患于未然，可最大限度減輕損失。針對以上提出的風險點，本文提出以下幾點建議：

1.落實企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量主體責任，加強質(zhì)量監(jiān)管力度。由于目前鋼結(jié)構(gòu)防火涂料取消了強制性產(chǎn)品認證，因此相關(guān)部門的監(jiān)督顯得更為重要。通過產(chǎn)業(yè)政策引導和對企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量安全教育，引導企業(yè)合理設計，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.加強技術(shù)引導，開展行業(yè)技術(shù)交流，提升企業(yè)技術(shù)能力。

3.對施工現(xiàn)場進行嚴查，保證施工過程的規(guī)范性，施工工藝的不同，對防火性能的影響極大。此外，加強施工過程中的抽檢，防止摻入雜物和假冒偽劣產(chǎn)品。

4.規(guī)范驗收，在消防工程建設結(jié)束時，嚴查防火涂料的使用情況，對其相關(guān)檢測報告、采購合同、發(fā)票等資料進行嚴查，保證其使用的材料符合相關(guān)規(guī)范。

5.使用過程中因意維護保養(yǎng)，由于防火涂料在使用過程中，受到環(huán)境的影響，可能會導致涂料老化、失效、脫落等，這種老化現(xiàn)象會造成防火涂料防火性能急劇下降。因此，一旦出現(xiàn)這種情況，應及時維護，保證其防火性能。

參考文獻：

[1]鄧小波，楊森，高萍，等.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀、應用、發(fā)展方向及防火性能檢測方法的研究[J].化工新型材料，2010，38（9）：57-60.

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

[3]中華人民共和國應急管理部.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料：GB 14907-2018[S].2018.

[4]崔定偉，張鵬飛.超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制及其阻燃機理探討[J].中國涂料，2012（09）：45-49.

[5]陳中華，李崇裔.水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制與性能研究[J].涂料工業(yè)，2011（04）：26-30.

[6]王新鋼，毛朝君.新型水性厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究及其施工技術(shù)[J].新型建筑材料，2007（08）：39-42.

[7]王新鋼，毛朝君.鋼結(jié)構(gòu)的防火保護和新型水性厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究[J].上海涂料，2008（04）：6-9.

[8]Kandare E，Kandola B K，Myler P.Evaluating the influence of varied fire-retardant surface coatings on post-heat flexural properties of glass/epoxy composites[J].Fire Safety Journal，2013，58（5）：112-120.

[9]Yew M C，Ramli Sulong N H.Effect of Epoxy Binder on Fire Protection and Bonding Strength of Intumescent Fire Protective Coatings for Steel[J].Advanced Materials Research，2011（1）：1228-1232.

[10]Wang G，Yang J.Influences of glass flakes on fire protection and water resistance of waterborne intumescent fire resistive coating for steel structure[J].Progress in Organic Coatings，2011，70（2）：150-156.

[11]狄志剛，付敏，朱曉豐，等.玻璃鋼格柵用耐高溫阻燃涂料[C]//第3屆特種涂料暨防火涂料研討會，2010：7-10.

[12]舒中俊，徐曉楠，李響.聚合物材料火災燃燒性能評價[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：254-286.

[13]徐曉楠，梁清泉.我國防火涂料應用中存在的問題分析研究[J].消防科學與技術(shù)，2004（2）：164-167.

作者簡介：

陳大勇，男，四川大學在讀博士，從事高分子材料及防火材料研究。

*通訊作者：傅敬偉，男，高級工程師，從事高分子材料、防火材料及產(chǎn)品檢測二十余年;E-mail：977327795@qq.com。