防火、保溫和防腐一體化新型鋼結構多功能涂層研究

王灝喆，常少華，代育恒，黃 燦，廖利勇，盧 柳

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

1 研究背景

隨著國家的發展，人們的物質文化需求提高，環保的意識也在逐漸提高，這使得人們對于建筑的需求發生了根本性的轉變，不僅要求建筑的實用性，更是在其中加入了環境保護的元素。在近幾十年的發展中，中國由最開始的鋼鐵缺乏，到后來的快速增長，鋼結構的加工制造技術也是逐漸發展到了成熟的水平，為中國的鋼結構建筑物奠定了堅實的基礎。從“十一五”規劃到現在，中國的國家經濟在轉型，綠色的鋼結構建筑出現是從實質上解決消耗過剩的鋼材產能的方法[1]。鋼結構的使用量現在是高居不下，如鳥巢的建立就使用了大量的鋼結構。現在鋼結構的使用量已經有了大幅度的提升，并且由于秉承著綠色環保主題，鋼結構的使用量一直都是居高不下，但是目前在鋼結構的防火、保溫和防腐方面并沒有太多成熟的技術，所以這些方面急需要得到提升。為了保證鋼結構建筑的安全和正常使用，提高鋼結構耐火耐高溫極限、優化鋼結構防腐措施是關鍵。目前，鋼結構防腐措施主要是對鋼結構涂刷防腐涂料，涂層兼具部分防火耐高溫的功能。

本文依托安徽省滁州市天長市智慧秦欄美麗小城城鄉一體化建設PPP 項目勘察設計項目（第一標段）。保證項目中各類鋼結構建筑的安全、正常使用，需要對鋼結構涂層進行進一步研究，保證涂層兼具防火、防腐及保溫等功能，保障鋼結構工程的質量和安全。

2 工程概況

安徽省滁州市天長市智慧秦欄美麗小城城鄉一體化建設PPP 項目勘察設計項目（第一標段）位于安徽省滁州市天長市秦欄鎮，項目包含孝文化公園（面積約18 hm2）、文化中心（面積約4 hm2）、孝子河綜合治理（長度約6 km）、入鎮節點及節點綠化。整個項目包含大量景觀雕塑、文化藝術墻、小品設施等工程，工程內含大量鋼結構工程，鋼結構由于密度小、強度高、塑形和韌性好、安裝施工快捷迅速、綠色等優點，在其中應用廣泛，為了保證園林、文化館等建筑的安全、美觀，需要對鋼結構涂刷防腐、防火涂料。

3 現有鋼結構涂層的發展現狀

3.1 厚涂型鋼結構防火涂料的研究現狀

厚涂型鋼結構主要在2 個方面做到防火要求。第一是通過自身的屬性，本身的成分是不燃燒的，并且具有低導熱性和吸熱性，從而起到減緩鋼結構的溫度的升高；第二是厚涂型防火涂料本身含有大量的鹵化物，在火災場中，由于溫度升高，則會導致鹵化物氣體分解出來，從而起到隔絕氧氣的作用，以此來阻礙燃燒速度，減緩鋼結構溫度的升高。

厚涂型鋼結構防火涂料的優點很明顯，但是它的缺點也很明顯，最為顯著的缺點就是裝飾性差，不夠美觀，給人們的視覺效果不夠好，因此用于隱蔽性的建筑物是比較多的[2]。并且厚涂型鋼結構防火涂料屬于硅酸鹽類涂料，凡是硅酸鹽類涂料都具有不耐水、防潮性差等問題，通常情況下都需要進行改良，加入一些有機高分子聚合物對其進行改良。

3.2 鋼結構水性防腐涂料的研究現狀

鋼結構涂料采用單一的樹脂防火涂料，由于它自身材料的單一性，導致了涂料具有很大的局限性。在進行改良的措施中，通常情況下是進行多種樹脂的有機結合，從而起到提高性能的作用。水性涂料的防火效果雖然好[3]，但是它的交聯密度低于溶劑型涂料，因此它的防腐蝕能力比較弱，所以通常是采用納米粒子技術，以此來提升涂料的防腐蝕能力。也可以利用聚苯胺的防腐屬性，用聚苯胺結合樹脂，因為聚苯胺可以在界面形成絕緣保護層，來提高涂層的防腐性[4]。

4 防火、保溫和防腐一體化新型鋼結構多功能涂層體系設計

4.1 基本設計原則

鋼結構的基本設置原則往往是由鋼結構所處的環境決定的，此外還需考慮到環境保護的問題和壽命的周期性問題等。

4.2 鋼結構的腐蝕環境

絕大多數的鋼結構材料通常是處于腐蝕環境中，在這樣的環境下，鋼結構材料的使用往往需要從各種方面進行優化。腐蝕有很多種，電化學腐蝕是最為普遍的。鋼結構經常處于被腐蝕狀態，通常情況下金屬表面會被優先腐蝕。在設計的全過程也要考慮到是否會對環境和鋼結構等造成一些不良影響。外部的腐蝕因素也包括當地的氣候特點[5]。

鋼結構的腐蝕是鋼結構建筑面臨的一個不可忽視的重要問題，中國的鋼結構建筑物每年由于腐蝕帶來的結構破壞，造成了建筑物的失穩，占比達到建筑物失穩總數的50%之多，造成了大量的經濟損失[6]。鋼結構涂料的涂抹是很可靠的技術手段，可用來保證鋼結構不被腐蝕和破壞。

4.3 鋼結構的耐火極限

鋼材雖然不是燃燒材料，但是它具有熔點，當達到它的熔點時，就會融化，并且鋼材的熔點普遍不高。鋼結構的強度在溫度低于200 ℃的時候，幾乎沒有明顯的變化；當鋼結構的溫度一旦高于430 ℃的時候，就會出現強度急劇下降的狀態；當鋼結構的溫度一旦超過600 ℃的時候，鋼結構就會完全地失去強度，將不會再具有承載力，并且部分會發生融化，造成變形，造成鋼結構建筑物的失穩。在鋼結構建筑物建設過程中，普遍情況下認為540 ℃為鋼結構承受溫度的臨界溫度。鋼結構建筑物防火設計規范規定的耐火極限如表1 所示。

表1 鋼構件的耐火極限（單位：h）

根據以往發生過的火災情況來看，火場的溫度會在短短的20 min 內就達到800 ℃。鋼結構的防火，一方面是可以減少鋼結構在火災中造成的破壞，另一個方面是可以有效減少火災所造成的經濟損傷[7]。

鋼結構的防火涂料一般有4 個方面的作用。第一個方面是涂料本身是難燃物或者是不燃物，它可以有效隔絕空氣，降低燃燒的速度；第二個方面是涂料本身的導熱性能比較差，可以有效延遲鋼結構的升溫；第三個方面是在涂料中存在惰性氣體，在火災時期，涂料由于受熱的原因，就會將惰性氣體釋放出來，起到隔絕氧氣的作用，從而可以起到降低鋼結構的起火程度；第四個方面是涂料中存在膨脹性的材料，由于膨脹性材料的加入，在受熱情況下，會形成一系列的泡沫狀物體，以此來隔絕空氣，可以起到阻礙溫度向鋼結構傳遞[8]。

4.4 鋼結構涂層的制備

制備涂層需要鋼板試件的制備，鋼板的選擇為Q235 鋼材，將鋼材切割為3～4 塊尺寸為200 mm×100 mm×50 mm 的鋼板，在涂刷涂料前需要對鋼板進行除灰，除銹打磨，打磨出金屬光澤為止，并且需要用丙酮對其進行除油處理，以提高涂料在鋼板上的附著能力。鋼結構涂料通常在優化設計過程中使用無機復合材料，使用多功能的鋼結構涂料。這個鋼結構涂料有2 個屬性，第一個屬性是防火保溫，第二個屬性是防腐[9]。另外，在這個鋼結構的制作過程中還要加入適量的水。為了改變質量，在防火涂層的過程中，使用傳統消泡劑，防火常用制劑通常性能優異，其耐火條件會相對提高，使耐火溫度達到一個合適的溫度。在很多方面，我們還將采用具有防腐功能和防火性能的涂料，可以實現一定程度的防火和保溫、防腐一體化等。

4.5 性能測試

在制備鋼結構的涂料完成后，需要進行一系列的性能測試。通常是包含了涂膜的表干時間測試、涂膜的實干時間測試、防腐性能測試、防火性能測試。

涂膜表干時間的測試是在鋼板的表面進行涂膜處理，然后晾干一段時間，采用吹棉球法，將棉球輕輕放在表面，吹動棉球，如果沒有在表面留下棉絲，則表示已經達到表干，所需要的時間就是表干時間；涂膜實干時間的測試是在涂膜的表面上放置棉球，然后用重物壓在棉球上，過1 min 后將重物拿開，棉球可以自由脫落，則表示此時鋼結構涂膜達到實干，所需要的時間為實干時間；防腐性能測試就是將試件涂抹完成后放在水和飽和氯化鈉溶液中，等過一段時間看有沒有生銹、氣泡、變色等，當鋼結構試件完成不發生變化的最久時間就是防腐性能指標；防火性能測試就是將鋼結構試件放在電阻爐中煅燒，看在煅燒的過程中，鋼結構試件有沒有發生變形、脫落等，當鋼結構試件不發生變化的最久時間就是防火性能指標。

4.6 一體化涂層施工工藝

針對防火、保溫和防腐鋼結構一體化涂層工藝，第一步是需要進行鋼結構表面的處理，鋼結構表面通常會鋪滿灰塵和有銹跡，需要將灰塵進行清除，對表面的銹跡進行打磨處理，待到打磨出金屬光澤，再將鋼結構防腐底漆進行涂刷[10]；第二步是待鋼結構防腐底漆涂刷后，需要將鋼結構防腐底漆干燥24～28 h，待到鋼結構防火底漆干燥后，就可以準備涂刷鋼結構防火涂料；第三步是涂刷鋼結構防火涂料，鋼結構防火涂料在施工時候通常是采用刮涂或者噴涂的方式，每次涂刷的厚度平均為3～5 mm，厚度沒有明確的限制，可以根據施工員自己的標準掌握，涂刷完一次后，需要間隔24 h 左右，待到上一次涂刷的防火涂料干燥后進行下一次的涂刷，直到涂刷厚度達到18～20 mm為止，然后進行干燥處理即可。注意鋼結構防火涂料為干粉材料，在涂刷時候需要加入合適的水進行攪拌。

5 結語

隨著中國社會經濟的發展，對于鋼結構的利用率也是越來越高，鋼結構的防火、保溫和防腐是目前鋼結構利用急需要解決的問題。在實際的應用中，各種的鋼結構涂料，比如厚涂型、水性等都是利用率較高的，但是它們存在著各自的缺點，還有需要改進的地方。因此，根據中國目前的現狀，在現有的技術水平、經濟基礎的前提下，結合中國對于鋼結構涂料的需要，研究一種鋼結構涂料可以起到防火、保溫和防腐一體化，是中國鋼結構涂料方面亟需完成的一項重要任務。