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淺析鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火原理
摘要：鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑的主要形式，在常溫下具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，抗震性能好，施工周期短，建筑工業(yè)化程度高，空間利用率大等優(yōu)點(diǎn)，為企業(yè)節(jié)省投資而被投資者大量應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火性能差的特點(diǎn)也非常明顯，因?yàn)殇摬碾m是一種不燃燒的材料，卻是熱的良導(dǎo)體，極易傳導(dǎo)熱量。鋼材在溫度超過300度以后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度顯著下降，達(dá)到600度時(shí)強(qiáng)度幾乎等于零�？茖W(xué)試驗(yàn)和實(shí)例都表明，未加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下，只需15分鐘，自身溫度就會(huì)上升到540度以上，致使構(gòu)件本身扭曲變形，導(dǎo)致建筑物坍塌毀壞，變形后的鋼結(jié)構(gòu)也無法修復(fù)使用。因此，對鋼結(jié)構(gòu)必須采取防火保護(hù)措施。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 防火涂料 防火原理
一、前言
鋼結(jié)構(gòu)件的防火方法主要有涂料保護(hù)、防火板保護(hù)、混凝土保護(hù)、柔性卷材保護(hù)、無機(jī)纖維保護(hù)、結(jié)構(gòu)內(nèi)通水冷卻保護(hù)等。其中，涂刷防火涂料施工方便、重量輕、成本低、不受構(gòu)件幾何形狀限制，應(yīng)用范圍最廣，效率最高。
要使鋼結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用中克服防火方面的不足，必須進(jìn)行防火處理，其目的就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的極限范圍。防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生形變塌落，其措施是多種多樣的，關(guān)鍵是要根據(jù)不同情況采取不同方法，如采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量傳遞的速度推遲鋼結(jié)構(gòu)溫升、強(qiáng)度變?nèi)醯臅r(shí)間等。但無論采取何種方法，其原理是一致的。防火涂料就是一種近年來比較先進(jìn)的防火技術(shù)措施。
二、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火原理及組成
鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的原理是采用絕熱或吸熱的材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量向鋼材傳遞的速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)溫升和強(qiáng)度減弱的時(shí)間。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》(GB14907—2002)，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料定義為施涂于建筑物及構(gòu)筑的鋼結(jié)構(gòu)表面，能形成耐火隔熱保護(hù)層以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的涂料。目前，國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要有基體樹脂、催化劑、成碳劑、發(fā)泡劑等組成。
1.基體樹脂
基體樹脂與其它組分配伍，既保證了涂料在正常條件下具有各種使用功能，又能在火焰灼燒或高溫條件下具有難燃性和優(yōu)良的膨脹發(fā)泡性能。通常情況下，丙烯酸樹脂防火涂料的炭化層質(zhì)量較高，故通常采用丙烯酸樹脂作為主成膜物，并對其進(jìn)行改性，以提高涂料的整體效果。
2.催化劑
催化劑是一種能在一定條件下分解出磷酸的物質(zhì)，分解出的酸使多元醇脫水，從而使之形成不易燃的三維空間結(jié)構(gòu)的炭化層。通常，磷酸三聚氰胺的水溶性較聚磷酸胺小，且兼具催化和發(fā)泡雙重功效，目前主要選用磷酸三聚氰胺為催化劑。
3.成碳劑
成碳劑是涂層在高溫下形成不易燃三維空間結(jié)構(gòu)的泡沫碳化層的物質(zhì)基礎(chǔ)，對泡沫炭化層起骨架作用。成碳劑在分解溫度上要和催化劑相匹配，當(dāng)采用聚磷酸胺作催化劑時(shí)就應(yīng)用熱穩(wěn)定性高的含高碳多羥基化合物作成碳劑，如季戊四醇、二戊季醇超薄型防火涂料用于廣東大亞灣核電站裸露廠房屋架上已達(dá)十幾年之久，仍可正常使用。但其缺點(diǎn)是施工時(shí)氣味大、涂層易老化，淀粉等。使用淀粉做成碳劑，涂層的耐水性問題不易解決，而二季戊四醇由于其價(jià)格原因，在國內(nèi)也很少使用，目前國內(nèi)普遍采用季戊四醇作為防火涂料的成碳劑。
4.發(fā)泡劑
膨脹型防火涂料只有在發(fā)泡劑的作用下，才能在高溫火焰下產(chǎn)生膨脹層。發(fā)泡劑遇火分解并釋放出氨、水、二氧化碳、鹵化氫等不燃性氣體，使涂層在到達(dá)軟化點(diǎn)的情況下發(fā)泡膨脹，形成海綿狀結(jié)構(gòu)。
三、存在的技術(shù)問題
1.耐久性
由于厚型防火涂料存在自重大，裝飾性差，因此只能應(yīng)用在某些對外觀要求不高的室外鋼結(jié)構(gòu)。廣泛應(yīng)用的是薄型和超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，特別是超薄型。此兩類涂料所使用的主要原料聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇均耐水性不良，存在隨著環(huán)境、時(shí)間等溶出、分解、降解和老化等問題，因此，此類涂料必定會(huì)隨著時(shí)間的推移防火性能有所下降，而目前還沒有找出一種評定防火涂料耐久性的方法。檢測報(bào)告所給出的耐火極限是涂料涂后保養(yǎng)1至2個(gè)月的檢驗(yàn)結(jié)果，但火災(zāi)的發(fā)生是不可預(yù)測的，火災(zāi)可能是在涂料涂后的1年，也可能在涂后的10年發(fā)生，因此膨脹型防火涂料最主要的就是耐久性問題。
2.安全性
目前的膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料遇火有可能釋放出氨、HCN、鹵化氫、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氯、溴等有毒有害氣體。如果這些氣體的濃度超過了人體忍受極限，便會(huì)對未逃離火場的人員以及消防人員造成危害。
3.生產(chǎn)、施工
國內(nèi)多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模不大，生產(chǎn)工藝流程自動(dòng)化水平不高，有部分企業(yè)還處于手工作坊式在操作，不少產(chǎn)品的配方工藝大同小異，對專用于防火涂料的原料研究不夠，對原材料的檢測、控制不夠，生產(chǎn)過程的檢測手段不全，施工設(shè)備有待改進(jìn)提高，與防銹漆的配套性也不能進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。
4.測試方法
鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為一類功能性涂料，其性能主要有理化和耐火兩方面組成。同樣耐火極限的防火涂料因其應(yīng)用環(huán)境不同、受火類型不同，對基材的保護(hù)作用也就不同。
5.檢測標(biāo)準(zhǔn)方面
GB14907-2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》對同種防火涂料只規(guī)定一種涂層厚度的檢驗(yàn)報(bào)告，而實(shí)際工程中由于鋼梁、鋼柱、鋼樓板規(guī)范所要求的耐火極限各不相同，例如室內(nèi)厚度為2mm的超薄型防火涂料檢測報(bào)告出具耐火極限為1.5h，實(shí)際工程要求鋼梁、鋼板、鋼柱耐火極限分別為1.5h、1.0h、2.0h。對鋼板、鋼柱應(yīng)采用何種厚度的防火涂料進(jìn)行保護(hù)，目前無論從理論界或是實(shí)際工程均缺乏相應(yīng)的研究。
6.檢測標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與實(shí)際工程構(gòu)件的差異性
耐火極限檢驗(yàn)中使用的基材是Q235的標(biāo)準(zhǔn)I36b或I40b熱軋普通工字鋼梁，而實(shí)際工程運(yùn)用中，鋼構(gòu)件的截面尺寸各種各樣。檢驗(yàn)報(bào)告中描述的鋼梁與實(shí)際工程中的鋼構(gòu)件并無完全的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)際使用的鋼構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)鋼梁間應(yīng)該如何進(jìn)行換算，如何確定實(shí)際使用的鋼構(gòu)件的涂層厚度，國家尚無規(guī)定。
四、相應(yīng)對策
1.對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行科學(xué)的防火保護(hù)
目前，我們通常使用的方法有：鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂防火涂料；用現(xiàn)澆混凝土作外包層；鋼構(gòu)件內(nèi)充水等，其中應(yīng)用最為廣泛的是鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂防火涂料。
2.加大宣傳培訓(xùn)教育的力度
防火工程造成的火險(xiǎn)隱患原因是多方面的，但很重要的一個(gè)原因是思想認(rèn)識(shí)不到位，輕視火災(zāi)預(yù)防，對違規(guī)施工存在僥幸心理。消防部門應(yīng)利用報(bào)紙、廣播等形式廣泛宣傳鋼結(jié)構(gòu)阻燃處理的重要性和必要性，適時(shí)組織設(shè)計(jì)、施工單位進(jìn)行消防培訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)、施工人員的業(yè)務(wù)理論水平和執(zhí)法守法意識(shí)。3.加強(qiáng)對防火涂料市場的規(guī)范管理
凡是防火涂料的生產(chǎn)廠家必須有國家檢測機(jī)構(gòu)檢測合格的報(bào)告，方準(zhǔn)出廠銷售，并應(yīng)附有使用說明書，標(biāo)明技術(shù)性能、制造批號(hào)、儲(chǔ)存期限、適用范圍；消防監(jiān)督部門應(yīng)對每批防火涂料進(jìn)行出廠前的質(zhì)量抽檢，并檢驗(yàn)其包裝、標(biāo)貼、說明等是否符合
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