防火涂料在鋼結構中的應用及檢測方法探討

黃艷芳 劉 珊

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

鋼結構具有強度高、施工工期短、抗震性能好、可回收重復利用、污染少等優點，常用于超高層建筑、體育館、機場等建筑中。雖然鋼材本身是不燃燒材料，但是鋼材在高溫下容易發生性能劣化，導致結構失穩，影響建筑安全性，研究顯示鋼材的臨界溫度僅為550℃，而鋼結構的耐火極限僅為15min，此時暴露在火災中的鋼結構很快便會發生性能劣化導致結構失穩，喪失承載作用[1]。隨著溫度的上升，鋼結構的耐火極限則會進一步縮短，因此為提升鋼結構的耐火極限，延長鋼結構在高溫條件下的穩定性，在其表面涂覆防火涂料則尤為重要，因而對于防火涂料在鋼結構中的應用研究一直以來是研究的熱點。

通過閱讀相關文獻，本文分別介紹了厚型、薄型和超薄型防火涂料在鋼結構中的應用情況以及防火涂料耐火性能的檢測方法，以期為工程研究人員提供參考。

1 防火涂料在鋼結構中的應用

1.1 國內外鋼結構防火涂料的發展

國外早在上世紀60 年代就已經開展了防火涂料在鋼結構中的應用，前期以厚型防火涂料的研究為主。然而，大量火災事故表明厚型防火涂料的性能無法滿足鋼結構的防火要求，研究人員開始將研究方向轉變為薄型和超薄型防火涂料。國外鋼結構防火涂料的主要生產廠家主要分布在一些發達國家，例如美洲的美國和加拿大、歐洲的英國和德國、亞洲的日本和韓國等，比較出名的廠家有加拿大的AD 防火有限責任公司、英國的Nullifire 公司、日本的SKK 公司等[2,3]。

國內在上世紀80 年代對防火涂料展開了大量研究，在90 年代發展迅速，研究歷程同樣是先對厚型防火涂料展開研究，然后再進行薄型和超薄型防火涂料的研究。在1987 年研制出厚涂型LG 防火涂料，接著又研制出薄涂型LB 防火涂料[4]。國內防火涂料的主要生產廠家分布在北京、上海、江蘇、浙江、四川等大城市或經濟發達地區。近些年來，我國鋼結構防火涂料發展迅猛，在產品種類、技術性能、標準化程度等方面已經接近或達到國際水平[5]。

1.2 厚型、薄型和超薄型防火涂料的特點

1.2.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料為非膨脹型防火涂料，其涂層厚度較厚，一般為8～50mm，耐火極限可超過2h[3]，根據成膜物質的不同可分成基料為有機物的難燃性防火涂料和基料為無機物的不燃性防火涂料。厚型防火涂料主要利用硅酸鹽水泥、石膏、地聚合物等作為粘結劑，膨脹珍珠巖、膨脹蛭石等作為骨料，添加防水劑、硬化劑、改性劑等化學助劑以及水進行攪拌成拌合物，施工時將拌合物多次涂抹在鋼結構表面以達到目標厚度，當目標厚度超過20mm 時可使用鋼絲網進行加固。

厚型防火涂料的涂層較厚而且導熱系數低，減少了熱量向鋼材的傳遞，同時在結構外層形成的釉狀物質能夠隔絕空氣以及反射熱量，進一步減少了熱量向鋼材內傳遞，延緩了鋼結構的溫升，從而保護鋼結構。厚型防火涂料在高溫條件下不會發生體積膨脹，在燃燒過程中不會釋放有毒有害氣體且防火性能優異，因此厚型防火涂料可用在鋼結構中對耐火等級要求較高的梁、柱中。但是，較厚的涂層以及涂層表面較為粗糙的特點在一定程度上限制了厚型防火涂料的使用范圍，目前厚型防火涂料多用在室內外隱蔽工程中[2]。

1.2.2 薄型和超薄型防火涂料

薄型和超薄型防火涂料均為膨脹型防火涂料，其中，薄型防火涂料的涂層厚度一般為3～7mm，而超薄型防火涂料一般小于3mm，耐火極限均可超過1h[3]。薄型防火涂料一般以水性聚合物作為基料，添加阻燃劑、發泡劑、炭化劑、顏填料等材料攪拌而成，而超薄型防火涂料一般為溶劑型體系。薄型和超薄型防火涂料通常采用噴涂、刷涂、輥涂等方式將涂料涂覆在鋼結構表面，因此在施工前需要對鋼結構的表面進行處理，包括表面凈化和化學處理，經處理之后的鋼結構表面應無銹、無油、干燥以及具有一定的粗糙度以提高涂層的附著力。由于薄型防火涂料需要進行多次涂覆以達到目標厚度，而每一次涂覆需等到上一次涂覆的涂層干燥了才可進行，因此需要施工場地明亮且避免陽光直射、空氣清潔避免使涂層受到塵埃污染、相對濕度低于80%、溫度保持在5℃～40℃之間、風速適宜等[6,7]。

薄型和超薄型防火涂料中有機物在高溫條件下羥基化合物發生脫水吸收一部分熱量、發泡劑進行分解釋放大量不燃性氣體以稀釋可燃性氣體、涂層發生膨脹形成炭化層能夠隔絕可燃性氣體避免鋼結構直接暴露在火中，延緩了鋼結構的溫升，保護鋼結構。薄型防火涂料具有涂層厚度較小、粘結性好、施工方便等優點，目前薄型防火涂料可用在體育館、工業廠房等建筑中；而超薄型防火涂料的涂層厚度更小，施工更加方便、能夠極大程度的滿足鋼結構對裝飾性的要求，特別適用于對裝飾性、防火性有較高要求的裸露鋼結構中[2]。因此，現階段超薄型防火涂料應用的最多，所占的市場份額亦最高[8]。

溶劑型超薄防火涂料中含有大量有機物質，在高溫條件下釋放大量有毒有害氣體會對環境以及人員健康造成不利影響[9]。因此，有學者對無機膨脹型防火涂料展開了研究，張仁忠等[10]將低熔玻璃粉摻入成膜劑中制備防火涂料，結果顯示該防火涂料在提高涂層強度和隔熱性能的同時可減少88.7%的有毒氣體。

2 防火涂料性能檢測方法

相較于《鋼結構防火涂料》(GB 14907-2002)，現行的《鋼結構防火涂料》(GB 14907-2018)對鋼結構防火涂料理化性能、耐火性能的檢驗項目、檢測方法進行了修改，如表1 所示。目前耐火性能的檢測是采用HN400×200 熱軋H 型鋼和36b 熱軋工字鋼作為試驗基材，包括設置熱電偶、涂覆涂料、測量涂層厚度、將試件安裝在燃燒爐中、進行燃燒試驗、試件加載等步驟，耐火極限以鋼材失去承載能力或達到規定的平均溫度時間來確定，其中承載能力以鋼材的彎曲變形量為判斷依據。但是，此方法的操作過程復雜、成本高，且只檢測了防火涂料的宏觀性能，而對于涂層中各組分的作用機理、有毒有害煙霧的排放情況未有提及，同時此方法僅能在室內實驗室進行，而無法對室外現場防火涂料進行耐火性能檢測。鑒于此，研究人員提出了若干種規范以外的檢測方法。

表1 規范GB 14907-2002 與GB 14907-2018 的對比

2.1 錐形量熱儀法

錐形量熱儀根據材料在燃燒時消耗每克氧氣燃燒熱的平均值基本不變的原理來檢測聚合物燃燒性能，能夠獲得釋熱速率、總釋放熱、有效燃燒熱、點燃時間、煙及毒性參數、質量變化參數、比消光面積、總生煙量等檢測結果。錐形量熱儀是目前用于表征材料燃燒性能的最佳儀器，燃燒試驗環境與材料燃燒的實際環境最符合，所測得的數據能夠反映材料在進行燃燒時的變化。劉夢洋[11]利用錐形量熱儀測試防火涂料的消光系數、比消光面積、總生煙量、CO 釋放量、點燃時間、熱釋放速率等，進一步研究了防火涂料阻燃生煙的過程及特點。

2.2 熱分析法

物質在加熱或冷卻過程中發生分解、熔化、吸附、脫附等變化過程中會出現吸熱、放熱、重量變化等，熱分析法則是利用溫度函數對這些變化進行分析，常見的熱分析法有差示掃描量熱法（DSC）、熱重法（TGA）、差熱分析法（DTA）等。薄型和超薄型鋼結構防火涂料在高溫條件下受熱分解釋放氣體，因此可利用熱分析法研究防火涂料在溫度升高過程中發生的變化。于歡等[12]通過熱重試驗分析了不同配方下膨脹型防火涂料中涂層隨溫度升高的變化情況，揭示了防火涂料對鋼結構的保護作用機理，對于防火涂料配方的設計具有一定作用。

2.3 掃描電鏡法

掃描電鏡法是利用電子掃描顯微鏡觀察膨脹型防火涂料在燃燒后炭化層的表面形貌并進行分析，以此反映防火涂料的耐火性能。于歡等[12]利用電子掃描顯微鏡觀察了不同配方下膨脹型防火涂料炭化層的表面形貌，經分析發現涂層發生膨脹是因為涂層表面達到臨界溫度會熔化成為高粘性液體，這些液體能夠包裹反應過程中釋放的低導熱系數的惰性氣體而形成氣泡，導致涂層發生膨脹且厚度增大，延緩熱量向鋼結構傳遞。

2.4 紅外光譜法

紅外光譜法是利用傅里葉紅外光譜儀測試防火涂料在燃燒前后的分子變化，以此對防火涂料中各組分展開性能分析。馮偉華等[13]以水性丙烯樹脂、聚磷酸胺、季戊四醇、三聚氰胺為原料并添加少量氧化石墨烯制備了水性膨脹型防火涂料，通過紅外光譜分析發現添加氧化石墨烯后，涂層的殘炭中-OH、-CH2、C=O、P=O、P-O-P、P-O-C 特征峰更明顯，這表明氧化石墨烯能夠提升涂層的阻燃性能。

2.5 X 射線衍射分析法

X 射線衍射分析是利用晶體形成的X 射線衍射，對物質進行內部原子在空間分布狀況的結構分析方法。馮偉華等[13]對防火涂料進行了X 射線衍射實驗，分別繪制了添加氧化石墨烯以及未添加氧化石墨烯時涂層燃燒殘炭的XRD 曲線，結果顯示添加氧化石墨烯的XRD 曲線中有較多尖銳的結晶峰，表明涂層在膨脹過程中生成了石墨化碳晶體，提高了防火涂料的耐火極限。

2.6 其他檢測方法

上述提及的方法多用于室內實驗室檢測，有研究人員針對現場檢測的方法展開了研究。王同喜等[14]研制了可以在現場檢測防火涂料質量的控溫電加熱爐試驗裝置，該裝置能夠按照標準溫升曲線升溫，以防火涂料的膨脹厚度與背火面平均溫升作為檢測指標。張文彬等[15]將鋼結構防火涂料與樣品涂料進行外觀比較、測試防火涂料噴涂厚度和粘結強度，同時研發了一種用于檢測超薄型鋼結構防火涂料現場耐火性的溫控加熱裝置，通過模擬標準溫升曲線對防火涂料性能進行檢測，并與實驗室標準爐耐火性試驗進行比對，從而獲取現場防火涂料的檢測結果，為工程驗收提供技術支持。

3 結語

雖然我國鋼結構防火涂料發展較晚，但發展十分迅速，已經接近或達到國際水平。鋼結構防火涂料主要分為厚型、薄型和超薄型防火涂料，其中超薄型防火涂料施工工藝簡單、應用范圍廣，目前是鋼結構防火涂料的第一選擇。但是，超薄型防火涂料在高溫條件下會釋放有毒有害氣體，因此新型環保、綠色無害的超薄型防火涂料將是科研人員的重點研究方向。

除了相關規范中提及的防火涂料耐火性能檢測方法之外，目前仍有多種檢測方法可用于薄型和超薄型防火涂料燃燒機理的分析與研究，對于防火涂料的配方設計能夠提供理論支持，但對于厚型防火涂料檢測技術的研究則開展的較少。

厚型防火涂料是通過粘結劑涂覆在鋼材表面，如若發生脫落則會嚴重影響鋼結構的安全性；薄型和超薄型防火涂料作為一種高分子有機化合物，長時間的日照雨淋必然會導致防火涂料性能劣化，對鋼結構的安全產生潛在危害。因此，對于已經工作的防火涂料的性能檢測及檢測方法的研究亦是重點發展方向。