谈防火涂料在钢结构防火中的应用★

孙海明 杨鲁生

(1．烟台市莱山公路管理局，山东 烟台 264003;2．潍坊市政工程建设处，山东 潍坊 261031)

钢结构建筑凭借其自身强度高、空间小、自重低、工业化程度高、外观时尚、施工进度快等优点在工业厂房、高层建筑、大型体育场等领域得到了快速发展。随着钢结构在建筑行业的不断发展，钢结构的防火问题也就成为建筑学者亟待解决的重大问题之一。钢结构在高温条件下直接煅烧一般只能承受15 min，煅烧后其结构强度会大幅降低，影响整个建筑的承重能力。若不对钢结构的防火问题进行合理科学的防治则很有可能会对人民群众的生命财产安全造成威胁，因此必须对钢结构进行防火设计，延缓火势蔓延，保护群众的生命财产。目前比较常用的钢结构防火方法有防火涂料保护法、防火板保护法、通水冷却法等等，其中最为常用的方法为防火涂料法，防火涂料法施工简单、粘结强度高、阻燃性好、装饰性好，被广泛应用到钢结构建筑领域。上海东方明珠电视塔以及亚运会新建的体育场都采用了防火涂料保护法，在使用过程中表现出了良好的实用性。

1 防火涂料概述及其主要类型

防火涂料根据其特性又被称为阻燃剂涂料，除了具有普通涂料都具有的防腐性、装饰性以外，还具有不燃性和阻燃性，它能够在建筑物或周边环境发生火灾时，有效的延滞火势蔓延，起到防火作用，防止钢结构在高温作用下产生强度衰减，影响整个建筑的承载能力。钢结构防火涂料在很大程度上对钢结构起到了屏蔽作用，将其与火焰隔离开，我国防火涂料的研究起步较晚，开始于20世纪60年代，经过40年的研究和实践，我国的钢结构防火涂料无论是在产品品质、应用范畴以及生产产量方面都取得了很大进步，已经接近甚至达到了国际先进水平。钢结构防火材料按照防火机理可以分为膨胀性和非膨胀性，根据使用范围又可以分为室内型和室外型，根据分散介质不同可以分为溶剂型和水剂型，根据涂层厚度不同还可以分为厚涂型、薄涂型和超薄型，其中最常用的分类方式就是按照涂层厚度划分，见表1。

表1 防火涂料按厚度分类

1．1 厚涂型钢结构防火涂料

厚涂型钢结构防火涂料又称为钢结构防火隔热喷涂料，就是指防火涂层厚度相对较厚，一般的使用厚度在8 mm～50 mm之间，厚涂型钢结构防火涂料的耐火极限最高可达3 h。厚涂型防火涂料在预热后不会产生膨胀，并具有良好的不燃性和阻燃性，能够有效吸收周围环境中的热能，延缓钢结构温度的升高。厚涂型防火涂料首先要选择合适的无机粘结材料，将粘结剂、无机轻质绝热材料、防火添加剂以及强度增强材料按照设计比例掺合，然后涂抹喷洒在钢结构材料表面。厚型防火涂料的成分中含有大量的无机材料，而且涂料颗粒的密度较小，比表面积相对较大，热导率较低，吸热性能好，在火灾中的防火稳定性较好，具有良好的长期使用效果，与其他材料相比，厚型防火涂料的造价还相对较低。因此，厚涂型防火材料一般用在要求耐火极限大于2 h的钢结构工程，考虑到其美观性相对较差，多用于钢结构建筑的隐蔽工程以及部分钢结构工业厂房中。

1．2 薄涂型钢结构防火涂料

薄涂型钢结构防火涂料通常是指涂层厚度在3mm～7mm之间，具有一定的装饰性和美观性，预热会产生膨胀的钢结构防火涂料。在发生火灾时，薄涂型防火涂料遇热后自身会发生膨胀并发泡从而形成一层隔热防火层保护钢结构，延缓钢结构温度快速上升。这类防火涂料一般都具有一定的水溶性，在制备时应首先选择合适的水性聚合物作为溶剂，然后将防火添加剂、阻燃剂、耐火纤维等材料混合在其中，在选择溶剂时必须选取与钢结构材料具有良好附着力的水性聚合物，在实际应用当中使用较多的水性聚合物主要有聚醋酸乙烯乳液、苯乙烯改性丙烯酸乳液、偏氯乙烯乳液等，这些材料同时也具有很好的耐水性和耐久性。薄涂型防火涂料中的添加剂和外掺材料通常是分散在溶剂中的，因此溶剂还要起到分散载体的作用，对于分散能力相对较差的溶剂还应加入适量的分散剂增加其分散介质的能力。在生产薄涂型防火涂料时首先要将各种添加剂及外掺材料分散在水中，将这些材料的混合料研磨成规定细度的料浆，然后再将料浆、水性聚合物、防火添加剂、阻燃剂、耐火纤维等混合搅拌均匀，最后添加适量的消泡剂，待其达到一定强度后喷涂在钢结构表面。薄涂型钢结构防火涂料在遇热后会膨胀，自身的发泡厚度是原涂层厚度的几十倍，能够阻断火焰直接对钢结构加热，对钢材起到保护作用，其次，涂层膨胀、发泡等化学反应还会吸收周围的热量，有效降低周边温度，发泡分解出的不燃性气体还能够吸附燃烧所产生的自由基，减少可燃烧材料。薄涂型防火材料适用于耐火极限不超过2 h的钢结构建筑，并且具有良好的装饰性，在超薄型防火材料广泛推广前得到了大量应用。

1．3 超薄型钢结构防火涂料

超薄型钢结构防火材料最早是由德国科学家首先提出的，它的涂层厚度一般都小于3 mm，超薄型防火涂料的优点就是涂料层薄、涂料用量少、成本相对较低，并且具有较好的防火能力和美观性。超薄型防火涂料和薄涂型防火涂料一样，在遇到高温时能够迅速在钢结构材料表面产生一层轻质泡沫隔热层，能够有效减少周边环境温度对钢材的影响，而且在涂料熔融软化和发泡碳化的过程中都会吸收热量，降低钢材温度。超薄型钢结构防火涂料的主要组成成分包括基料树脂、发泡剂、隔热剂、阻燃剂、成碳催化剂和抑烟剂等，其生产工艺和薄涂型防火材料大致相同。配制超薄型钢结构防火涂料时一般是以合成树脂为基料，并使用有机溶剂作为稀释剂，加入发泡剂、隔热剂、阻燃剂、成碳催化剂和抑烟剂等材料，研磨加工至规定细度，制成后可直接涂抹在钢结构表面使用。超薄型防火涂料一般直接喷涂在钢结构表面，可根据实际要求，掺加一定的染料以起到装饰的作用，多用在耐火极限不超过2 h的钢结构建筑中，特别是大型钢结构建筑的外侧，能够充分发挥它的装饰性。超薄型钢结构防火涂料作为防火涂料的后起之秀，具有十分广阔的应用前景。

2 钢结构防火涂料应用中的问题及解决办法

2．1 防火涂料本身存在不足

近年来，随着我国钢结构产业的不断发展，钢结构防火涂料研究也取得了很大进步，但是目前市场上流通的各种钢结构防火涂料还普遍存在一定的质量问题，与国外防火涂料市场还存在一定差距。比较明显的一个问题就是涂料的环保问题，很多涂料在喷涂到建筑钢材表面后并不稳定，会挥发出一部分有毒气体，对室内环境特别是大型钢结构建筑空间内部造成严重的危害。在火灾发生时，部分热稳定性不好的涂料也会产生NO2，NH3，CO等有害气体，如果这些气体在房间内的浓度过大，就会对室内人员的身体健康产生不利影响。防火涂料的质量检验标准一直是国内外专家长期研究的技术难题之一，目前大部分防火涂料的物理指标及性能检验标准都是在室内试验的基础上提出的，然而火灾中的不可预测因素较多，因此必须加强对防火涂料质量和性能控制标准的研究，尽快对国内防火涂料市场进行规范，确保防火涂料具有较高的质量和效果。

2．2 在选用防火涂料品种方面存在误区

钢结构防火涂料按照不同的划分标准可以分为不同的类型，不同的防火涂料具有不同的特点，其防火性能和适用范围也大不相同。部分设计单位对防火涂料的了解甚少，不能正确的选取合理、安全、科学的防火涂料，甚至忽视了防火涂料耐火极限的重要性，还有一部分单位在选取时分不清室内防火涂料和室外防火涂料的区别，一味的为减小造价而选取对室内人员有害的涂料作为室内防火涂料。在防火涂料选取时，首先应全面了解工程对防火涂料的要求，然后根据市场上常见防火涂料的种类和性能选取符合规范要求的涂料使用，在施工前应做好室内试验，对涂料的各项性能进行检测验证。

2．3 防火涂料厚度的确定方法不规范

钢结构防火涂料要想满足规范规定的耐火极限要求，除了选取合适的防火涂料以外，还要保证其具有足够的厚度。目前对钢结构防火涂料厚度并没有一个规范、准确的方法，部分单位通过参照其他工程，或者按照涂料使用说明中的厚度来进行防火涂层设计，这一方法存在很大的安全隐患，还有部分单位没有对设计厚度的防火涂层进行防火试验验证，缺乏必要的安全性。

要保证防火涂料能够有效安全的对钢结构起到防火隔热效果，就必须选取合理的防火涂料类型，并通过防火试验对设计层厚进行验证。只有这样才能排除不同升温条件对防火涂料耐火极限的影响，保证其安全性、可靠性。

3 钢结构防火涂料设计实例

3．1 工程概况

本文选用浙江省某印染厂的新建钢结构厂房设计工程为例，简要介绍钢结构防火涂料的选择、设计以及施工过程。该厂房建筑总面积约为15 000 m2，为四跨倒L形钢结构建筑，厂房主要用于布料的染制及存放，根据《建筑设计防火规范》规定，布料属于丙类火灾危险性存储物，故本工程的耐火等级按二级设计。根据规范中对单层二级耐火等级工用建筑结构承重构件的防火要求，柱的耐火极限为2．0 h，梁的耐火极限为1．5 h，采用的防火涂料设计必须满足规范要求。

3．2 选择防火涂料品种

根据规范对梁、柱的耐火极限要求以及工程经济效益的综合考虑，可以选用薄涂型钢结构防火涂料或者超薄型钢结构防火涂料。由于厂房地处海边工业区，气候潮湿，因此应优先考虑选用耐久性更好的超薄型钢结构防火涂料。

3．3 设计防火涂料厚度

钢结构防火涂料的厚度与钢结构的临界温度具有直接关系，火灾中大部分的钢结构材料都是因为达到了临界温度使其屈服强度降低而产生破坏的，因此要想确定涂料层的厚度就必须首先计算出钢结构的临界温度。计算钢结构临界温度可以通过分析钢结构构件高温下的力学性能经公式计算得出，也可以通过确定高温下钢结构构件的抗火性能参数查表得出，还可以通过钢结构构件自身的升温公式计算得出。

在本工程中采用通过分析钢结构高温下力学性能的方法计算出临界温度，计算公式如下:Td其中，Td为临界温度，℃;σ0为屈服强度，MPa，针对不同受力构件计算公式不同。1)轴心受压构件。其中，N为轴心压力，kN;φ为整体稳定系数;A为截面形状系数。2)受弯构件。其中，MX，MY为绕 X，Y 轴弯矩，MPa;γX，γY为截面塑性发展系数;WX，WY为净截面模量。通过上述公式计算出钢结构厂房柱、梁的临界温度，经计算梁的最不利临界温度为541℃，柱的最不利临界温度为573℃，最后选取该钢结构厂房的临界温度为541℃。求得临界温度后，即可以通过公式计算出防火涂层的设计厚度，公式如下:

其中，di为涂层设计厚度，mm;λi为等效热传导系数;Td为临界温度，℃;t为耐火极限时间，h;Fi为单位长度构件的受火面积，m2/m;V为单位长度构件的体积，m3/m。将计算得出的临界温度代入上公式，经计算得超薄型钢结构防火涂料的设计层厚为2．27 mm。通过室内性能试验对设计厚度进行验证，经验证2．27 mm设计厚度满足要求，可以采用。

3．4 钢结构防火涂料施工

首先对钢结构构件表面进行除尘、除锈，因环境潮湿，可以考虑在构件表面涂抹防锈漆，清理完毕后涂刷防火涂料，分多层进行涂刷，每层涂刷厚度为0．4 mm，每层的作业间隔时间不小于12 h，并保证良好的通风条件。监督人员必须严格控制施工质量，确保现场施工符合规范和设计要求，保证防火涂层能够有效的保护钢结构构件。

4 结语

随着钢结构建筑的技术创新和不断推广，钢结构防火涂料的应用前景将越来越广阔，对于当前钢结构防火涂料市场中存在的问题，我们必须认真对待，严格按照规范要求进行设计、施工。对于新型钢结构防火涂料的研究是提高钢结构耐火极限、加强钢结构建筑防火能力的有效途径，我们要勇于借鉴、刻苦钻研，积极研发性能优良的防火涂料，更好地保护国家和人民群众的生命财产安全。

［1］王广乾，李正建．谈防火涂料在钢结构建筑中的应用［J］．工程建设与设计，2012(7):140-143．

［2］李 风．钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究［J］．涂料工业，2010(2):45-47．

［3］张雪芹．建筑钢结构防火涂料的研究及选型设计［J］．装饰装修材料，2003(10):53-56．

［4］GB/T 50016-2006，建筑设计防火规范［S］．