鋼結(jié)構(gòu)防火防腐涂層材料性能研究

王灝喆，常少華，代育恒，黃 燦，廖利勇，盧 柳

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

自中國改革開放以來，建筑行業(yè)高速發(fā)展，各種施工工藝不斷得到完善和創(chuàng)新，其中裝配式建筑越來越受到大眾的青睞。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)、韌性高、裝配便捷等優(yōu)勢，在當(dāng)今的建筑行業(yè)得到普遍的應(yīng)用。不過，鋼結(jié)構(gòu)同樣存在著一些弊端：當(dāng)外部溫度高于400 ℃時，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力會下降，且承載能力的下降速度隨著溫度的升高越來越快，當(dāng)溫度升高至600 ℃以上時，鋼結(jié)構(gòu)將完全喪失承載能力直至建筑物垮塌。同時，鋼結(jié)構(gòu)也極易被腐蝕，由腐蝕所造成的鋼材損失增加了較大的施工成本[1]。由此可見，做好鋼結(jié)構(gòu)的防火、保溫、防腐工作不僅能夠給施工方節(jié)約成本，還能夠避免大火所導(dǎo)致的安全事故。

1 膨脹蛭石對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的影響

無保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能較差，因為無保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)由于鋼元素的高導(dǎo)熱性，在火災(zāi)中溫度會迅速上升。研究表明，火災(zāi)環(huán)境溫度可在短時間內(nèi)達(dá)到540 ℃，在此溫度下，未受保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)將失去強(qiáng)度，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形或整個建筑倒塌，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性的財產(chǎn)損失，甚至危及到人的生命。應(yīng)用膨脹型防火涂料是保護(hù)鋼構(gòu)件的直接有效手段之一，已在鋼結(jié)構(gòu)建筑和隧道等混凝土結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。最近幾年，國內(nèi)外的研究人員對防火涂料中的阻燃添加劑進(jìn)行了更深層次的探討。通常狀態(tài)下，該涂料包括3 種阻燃添加劑，分別是酸源、碳源、發(fā)酵劑。涂層可以在火災(zāi)中形成膨脹的炭層，形成一個隔熱屏障，能有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)本身，并保持建筑的結(jié)構(gòu)完整性[2]。然而，由上述的3種阻燃添加劑和聚合物粘合劑組成的防火涂料不能在火災(zāi)中提供足夠的長時間保護(hù)，主要以下有2 個原因：①阻燃添加劑涂層形成的炭層在高溫下容易氧化，從結(jié)構(gòu)物上脫落，對涂層性能產(chǎn)生重大影響，增加原始結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險；②涂料在高溫膨脹過程中，阻燃添加劑產(chǎn)生的不可燃?xì)怏w（如H2O、NH3、CO2等）容易揮發(fā)，從而會降低涂層的膨脹率和涂層的防火性能。因此，要提高防火涂料的性能，既要提高涂料的膨脹性能，又要提高炭層在高溫下的抗氧化性能。

采用無機(jī)填料作為改良劑是提高防火涂料性能最簡單、最有效的途徑之一。最近的研究表明，無機(jī)填料如TiO2、MoSi2等可以與聚磷酸銨或磷酸反應(yīng)，從而在炭層表面形成一層耐熱性較高的陶瓷材料。涂料在著火膨脹過程中，涂料中的阻燃劑分解并釋放出一些不可燃?xì)怏w。此外，如片狀玻璃和石墨這樣的片狀材料，可以提高涂層的膨脹率。但這些填料不能與聚磷酸銨或磷酸反應(yīng)，同時由于其化學(xué)惰性，也不能形成耐熱的陶瓷材料，因而無助于增強(qiáng)炭層的抗氧化性。上述填料并沒有改善涂層的膨脹，同時也沒有增強(qiáng)炭層的抗氧化能力，導(dǎo)致涂層在火災(zāi)下的防火性能改善不大。

膨脹蛭石是一種天然礦物質(zhì)，具有層狀結(jié)構(gòu)，遇火會膨脹，膨脹蛭石的層狀結(jié)構(gòu)可以防止阻燃添加劑產(chǎn)生的不可燃?xì)怏w逃逸。因此，膨脹蛭石可以提高防火涂層在火災(zāi)下的膨脹率，從而有效地隔離結(jié)構(gòu)物外部的高溫。此外，膨脹蛭石主要由耐熱組分組成，如SiO2、Al2O3和Mg。這些耐熱組分可以提高涂層的熱穩(wěn)定性，并增強(qiáng)炭化層在高溫下的抗氧化性。膨脹蛭石的這些優(yōu)點表明，膨脹蛭石可以作為防火涂料的改性填料。經(jīng)研究表明，在涂層中加入7%的膨脹蛭石后，涂層的防火性能顯著提高，且有利于涂層的膨脹率提高，形成更好的炭層泡沫結(jié)構(gòu)。然而，過多地添加膨脹蛭石會導(dǎo)致炭層結(jié)構(gòu)疏松脆弱，炭層傳熱速度加快，導(dǎo)致涂層防火性能下降。

2 聚苯胺對鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料性能的影響

聚合物涂料在許多需要長期保護(hù)的工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其防腐性能受到了人們的廣泛關(guān)注。因此，聚合物涂料領(lǐng)域隨著時間的推移一直在發(fā)展，并不斷得到補(bǔ)充。然而，腐蝕防護(hù)過程中的環(huán)境侵蝕和磨損會使水等腐蝕介質(zhì)滲入到涂層中，加速涂層的腐蝕，縮短涂層的使用壽命。隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，涂料應(yīng)用的環(huán)境越來越多，對涂料的性能和類型要求也越來越高，如石油管道防腐涂料、海洋設(shè)施防腐涂料等。除環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂、丙烯酸樹脂等常見聚合物可作為涂料基體材料外，更多種類的高性能聚合物被應(yīng)用于涂料領(lǐng)域[3]。因此，選擇一種性能優(yōu)良的材料并加入合適的填料，讓涂料獲得更好的防腐性能具有重要意義。

聚醚砜（PES）樹脂作為一種特殊的工程材料，由于其結(jié)構(gòu)的特異性，具有良好的熱穩(wěn)定性、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，因此在防腐蝕涂料領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。然而，聚醚砜只有在高溫下才能熔化和流動成膜。聚醚砜的高黏度限制了其作為涂層基體材料的應(yīng)用。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的流動性和低溫交聯(lián)固化能力，被廣泛用作涂料中的主要材料或改良劑。因此，在聚醚砜樹脂中加入交聯(lián)劑（環(huán)氧樹脂和固化劑）從而制備聚醚砜-環(huán)氧復(fù)合涂料，既能保持聚醚砜優(yōu)異的耐腐蝕性能，又能降低固化溫度。此外，在環(huán)氧樹脂涂料中添加適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)或無機(jī)填料，可制備出性能優(yōu)良的防腐涂料。

聚苯胺（PANI）是一種具有特殊電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的聚合物，因其原料易得、合成工藝簡單、對涂料具有良好的局部抗性而被廣泛應(yīng)用。此外，聚苯胺與金屬接觸后會在氧化態(tài)和還原態(tài)之間切換，從而保護(hù)原有結(jié)構(gòu)物。聚苯胺與腐蝕介質(zhì)和原有結(jié)構(gòu)物接觸后，會在結(jié)構(gòu)物表面形成鈍化膜，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的二次保護(hù)。

與普通單層涂層相比，雙層涂層更具針對性。因此，可以在底漆和面漆中分別添加合適的填料，使兩層涂料既能獨立作用又能相互配合，使涂料能更好地起到防腐的作用。對于表面涂層，其表面屏蔽性能可以防止腐蝕介質(zhì)侵入涂層[4]。聚四氟乙烯（PTFE）是一種高分子材料，具有良好的物理屏蔽性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性能、耐老化性能。在涂層材料中加入聚四氟乙烯可以提高表面涂層的物理屏蔽性能，從而進(jìn)一步提高涂層的防腐性能和使用壽命。

經(jīng)研究表明，聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的雙層聚四氟乙烯環(huán)氧復(fù)合涂層，能更好地使結(jié)構(gòu)物免受腐蝕。因為聚四氟乙烯是一種表面能低的大分子，所以可以將其加入到表面涂層中，從而得到良好的表面屏蔽性能。在底漆中，在涂層材料中加入不同體積分?jǐn)?shù)的聚苯胺。聚苯胺與腐蝕介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物接觸后，會在結(jié)構(gòu)物表面形成鈍化膜，實現(xiàn)對金屬的二次保護(hù)。隨著聚苯胺體積分?jǐn)?shù)的增加，涂層的耐蝕性先升高后降低。當(dāng)聚苯胺的加入量為40%時，涂層的綜合性能較好，可以認(rèn)為是最佳的加入量。底漆中加入適當(dāng)比例的聚苯胺可提高涂料的耐腐蝕性能[5]。通過觀察研究，聚苯胺體積分?jǐn)?shù)為40%的底漆未見明顯缺陷。此外，以40%聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的雙層涂料具有高附著力、長期的電化學(xué)耐蝕性和耐鹽霧腐蝕性能。雙層涂料的優(yōu)異性能決定了其廣泛的應(yīng)用范圍，該防腐涂料可廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、海洋腐蝕及更嚴(yán)重的腐蝕領(lǐng)域等大面積的金屬易腐蝕領(lǐng)域。

3 高爐礦渣

鋼鐵行業(yè)在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展初期扮演著支柱產(chǎn)業(yè)的角色，在國民經(jīng)濟(jì)中一直占據(jù)著不可動搖的地位，與此同時，伴隨高爐煉鐵工藝而產(chǎn)生的礦渣與日俱增。長期以來，中國對于這些由鐵礦石的內(nèi)含雜質(zhì)與熔劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后得到的副產(chǎn)物采取就地堆積或掩埋的措施，與部分西方國家高達(dá)96%以上的利用率形成鮮明對比，這樣的處理方式不僅造成礦渣本身的資源浪費，更對土地資源、土壤環(huán)境和水資源等造成了嚴(yán)重破壞和污染，因此專家學(xué)者逐漸開始重視高爐礦渣的回收利用和二次加工等問題，提出多種解決方案，如將其用作建筑材料摻合料。從高爐礦渣的成分來看，其主要由CaO、MgO、SiO2和Al2O3構(gòu)成[2]，此外還有較少的Fe2O3、Na2O 等成分，與天然礦石同屬于硅酸鹽材料，加上水淬處理使得部分熱能存儲于礦渣內(nèi)部，其潛在的化學(xué)活性能夠在一定條件下得到激發(fā)。

目前高爐礦渣的二次利用主要涉及建材、污水處理以及農(nóng)業(yè)三大領(lǐng)域。在建材領(lǐng)域，可以先將其制備成微粉，然后根據(jù)高爐礦渣的酸堿性差異確定再加工產(chǎn)品的類別，最終得到建材摻合料、水泥基礎(chǔ)混合材料以及石膏等產(chǎn)物。與西方國家較早進(jìn)行的礦渣微粉研究和推廣相比，國內(nèi)有關(guān)微粉標(biāo)準(zhǔn)的制定和技術(shù)應(yīng)用起步較晚，正式實施距今約20 年。實踐表明，以高爐礦渣為原料制成的礦渣棉等材料性能突出，能夠在建筑設(shè)備的隔熱和保溫方面發(fā)揮良好的效果。在污水處理領(lǐng)域，可以利用礦渣疏松多孔的玻璃狀結(jié)構(gòu)，通過水化反應(yīng)生成經(jīng)久耐用的凝膠，在處理廢水時起到有效固封重金屬離子的作用。從長期實踐來看，通過高爐礦渣研制的重金屬廢水凈化材料能夠有效去除廢水中的Cr3+、Pb2+和Zn2+等金屬元素，去除率超過97%，從而滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以將高爐礦渣制成硅肥用于農(nóng)作物施肥，飽含硅元素的肥料不僅能提高農(nóng)作物的光合作用效率和養(yǎng)分吸收率，預(yù)防腐爛早衰，還能有效改善耕地質(zhì)量，進(jìn)一步提升作物產(chǎn)量。

高爐礦渣在以上三大領(lǐng)域的應(yīng)用，是經(jīng)過長期的探索實踐，不斷吸取經(jīng)驗并最終取得肯定評價的結(jié)果，隨著相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的突破，高爐礦渣資源化利用正逐漸走向高端化、科技化，呈現(xiàn)出新的發(fā)展方向，如制造微晶玻璃、地坪材料、多孔陶瓷、陶瓷纖維等，這些產(chǎn)物均是二次利用了高爐礦渣的成分特性。以多孔陶瓷為例，該材料強(qiáng)調(diào)在保證氣孔率的同時保持耐腐蝕、耐高溫以及高強(qiáng)度等特點，與高爐礦渣的特性巧妙契合。此外，以身為工業(yè)固體廢棄物的高爐礦渣作為主要原料進(jìn)行生產(chǎn)制造的突出優(yōu)勢就是成本較為低廉。

在國家政策的積極引導(dǎo)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和人們環(huán)保意識普遍提升的背景下，采取更加科學(xué)有效的手段對高爐礦渣進(jìn)行處理不僅能提高資源利用率，助力中國鋼鐵行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，還能起到降低環(huán)境污染和破壞、助力社會綠色發(fā)展的作用。

4 石膏礦渣水泥

中國作為世界上石膏資源大國，石膏開采業(yè)同樣也是位居前列。天然石膏中主要分為二水石膏和硬石膏2 種，主要用來制作石膏制品、添加劑、水泥緩凝劑等。其中二水硫酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的二水石膏，因為自身特性被廣泛應(yīng)用在建筑行業(yè)。石膏礦渣水泥是由高爐礦渣和石膏以及少量的石灰和硅酸鹽水泥材料研磨攪拌制成，其中烘干后的高爐礦渣顆粒占比為75%～85%，天然無水石膏等占比為10%～20%。石膏制品因其易制作、環(huán)保、美觀、價格低廉等優(yōu)點，特別是其優(yōu)良的耐火性能，被廣泛用于內(nèi)墻或天花板。石膏制品由半水硫酸鈣制成，它的高孔隙率有助于保溫。已有研究表明，高孔隙度與低密度、較差的力學(xué)性能和良好的低導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。由此產(chǎn)生的較低導(dǎo)熱系數(shù)使得內(nèi)外環(huán)境之間的熱傳遞緩慢，從而獲得更好的舒適性，并具有良好的防火性能[6]。然而，低強(qiáng)度不僅限制了石膏制品的應(yīng)用，而且在火災(zāi)中強(qiáng)度急劇下降，甚至導(dǎo)致其覆蓋的結(jié)構(gòu)迅速失效。

與傳統(tǒng)的膨脹型防火涂料不同，硅酸鹽水泥防火涂料具有抗老化、抗開裂、遇水抗膨脹等性能。此外，采用簡單靈活的材料噴涂方法，大大縮短了安裝時間，降低了施工和維修成本[7]。與保溫防火板相比，硅酸鹽水泥防火涂料可用于異形構(gòu)件。而且這種耐火材料不會產(chǎn)生有毒氣體，有利于減少火災(zāi)和救援過程中的人員傷亡。但要保證足夠的耐火性能，硅酸鹽水泥防火涂料不僅要具有良好的保溫、抗剝落性能，而且還要求其在高溫后具有較高的殘余力學(xué)性能。

5 結(jié)論

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)涂層中膨脹蛭石的質(zhì)量濃度為7%時，鋼結(jié)構(gòu)涂層的防火性能顯著提高，涂層的膨脹率提高，炭層泡沫結(jié)構(gòu)性良好。此外，以40%聚苯胺底漆和聚四氟乙烯表面涂覆的雙層涂料具有高附著力、長期的電化學(xué)耐蝕性和耐鹽霧腐蝕性能。利用高爐礦渣和石膏制成的石膏礦渣水泥在高溫環(huán)境中不僅承受時間長，而且不易發(fā)生材料變形導(dǎo)致的散架。