主要介绍了钢结构防火涂料的分类及防火原理,对国内外钢结构防火涂料的现状及应用进行了论述,并对目前所采用的钢结构防火涂料耐火极限测试方法进行了介绍,指出了该方法在现场检测时存在着局限性。还对其它检测方法进行了介绍和实例分析,分析表明每种检测方法都只能对防火涂料的某个方面进行研究,最后,提出了用多种检测方法相结合用于钢结构防火涂料现场检测的可能性。

钢结构体系具有自重轻、可利用空间大、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优点,被广泛应用于体育馆、展览馆、工业厂房等大型建筑,被誉为21世纪的“绿色建筑”。但其又有着耐火性能差的致命弱点,在正常荷载情况下,500℃左右时钢结构即会失去承载作用,而火场温度通常会在10min内上升至800℃以上,在这样的环境下,裸露的钢结构很快会出现变形情况,产生局部破坏,最终失去承载力。著名的“911”事件,据专家推测就是其钢结构防火涂层遭到破坏,在高温的情况下,钢结构失去承载力造成大楼的坍塌。

为提高钢结构的耐火性能,人们采用在其外围浇铸混凝土、包裹不燃材料等方法提高其耐火极限,但都起不到很好的效果。钢结构防火涂料由于其防火隔热性能好,施工不受结构几何形体限制、易于施工等优点,得到了广泛的应用,北京奥体中心、首都机场航站楼、上海东方明珠电视塔、广州新白云机场等大型建筑都采用了涂刷钢结构防火涂料来提高建筑物耐火极限的做法,下面就钢结构防火涂料的现状、应用、发展方向及防火性能检测方法的研究做简单的介绍。

1 钢结构防火涂料的分类及防火机理

钢结构防火涂料按基料的不同可分为有机类和无机类两大类;按使用场地不同可分为室外型和室内型两大类;根据其涂层的厚度和性能特点可分为厚型钢结构防火涂料(H类),薄涂型钢结构防火涂料(B类),超薄型钢结构防火涂料(CB类),其涂层厚度与耐火极限要求如表1所示。

       厚型钢结构防火涂料又称非膨胀型防火涂料,主要成分为无机绝热材料,呈现粒状面,密度较小,涂层受热不膨胀,由于其自身具有良好的隔热性,因而也叫隔热性防火涂料。其防火机理是利用涂层固有的良好绝热性,阻止火灾热量向钢材传递,并且在高温下形成一种结构致密的釉状物,能有效隔绝氧气并具有反射热量作用,延缓钢结构温升,起到防火保护作用。薄型和超薄型钢结构防火涂料又称膨胀型防火涂料,主要由基料、脱水剂、成碳剂和发泡剂等组成,当温度升高到一定程度的时候,脱水剂促使多羟基化合物脱水碳化,在发泡剂分解释放出的大量气体作用下,涂层发生膨胀,膨胀倍数可达十几倍甚至几十倍,形成致密的泡沫状炭化隔热层,从而阻止热量向钢结构传递,起到防火保护作用。

2 国内外的发展现状

国外钢结构防火涂料研究较早,上世纪60年代,先后涌现出英国Nullifire公司S605钢结构防火涂料、加拿大AD防火有限责任公司ADFirefilmⅡ型等一系列性能优异的钢结构防火涂料。我国从80年代初开始研制钢结构防火涂料,由公安部四川消防研究所研制出第一种钢结构防火涂料—LG钢结构防火涂料。90年代以来,我国钢结构防火涂料发展迅速,产品类型由最初的厚涂型发展到薄涂型、超薄型,比较典型的是大连福嘉集团为国家体育场提供的钢结构防火涂料,以及适用于室外钢结构的薄层SWB膨胀型防火涂料,到目前为止,已有许多性能优良的产品应用于工程建设中,钢结构防火涂料体系已发展到跨行业研究。

国内钢结构防火涂料的市场需求每年2万t以上,目前已累计应用钢结构防火涂料20多万t,保护面积数百万平方米;其生产和施工体系涉及到的单位2000多家,在科研、院校、企业中专门从事钢结构防火涂料的研发和应用的工程技术人员达1万人以上,生产企业分布于全国20多个省市自治区,较多集中在北京、江苏、四川、山东、上海及广东等地。

3 材料存在的主要问题及解决办法

钢结构防火涂料由于其自身的局限性,存在着部分问题,如企业规模较小、产品更新慢、售后服务不及时、施工质量不高等,这些都属于材料以外的问题,下面就材料本身可能存在的问题提出几点看法并试图提出解决问题的办法。

3.1 材料自身存在的问题

3.1.1 涂料燃烧时产生过多有毒有害气体

目前,多数膨胀型防火涂料阻燃剂采用的的C-N-P或C-N-P-CL体系。用到大量的三聚氰胺、聚磷酸铵、硼酸铵、氯化石蜡等化学物质,在受热后分解出有毒有害气体,如NH3、HCL、NOX、CO等,这些气体均可产生窒息作用。因此,在选材时,应当选用生成有毒有害气体较少的防火涂料,在减少火灾对建筑物和人危害的同时,又可减少材料自身生成烟气对人的危害。

3.1.2 涂料使用寿命低于钢结构设计年限

钢结构防火涂料同其它涂料一样,在使用过程中都要经受日光、紫外线照射、振动、雨雪等因素的考验,但由于防火涂料加入了很多有机或无机材料,如多元醇、有机胺等化学物质,其粘结性能和耐老化性能都有着不同程度的降低。GB14907-2002《钢结构防火涂料》中对防火涂料的耐暴热性、耐湿热性、耐酸性、耐碱性及耐盐雾腐蚀性都有了明确的规定并在这些项目合格的基础上进一步考察其耐火性能,规定上述项目合格的产品其附加耐火性能的衰减值不应大于35%。钢结构的主体设计使用年限一般是50年,而钢结构防火涂料的使用寿命远低于50年,这样就很可能造成在钢结构使用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火作用。

3.1.3 耐火性能测试方法落后

目前测试钢结构防火涂料防火性能的方法是采用GB14907-2002《钢结构防火涂料》规定的方法,即按照GBJ17规定的设计载荷在136b或140b工字钢梁上加载,在水平燃烧炉上进行燃烧试验,所要求的计算跨度不小于4200mm。这种模拟试验方法成本高,浪费了大量的钢材、燃气和检验费用,国内仅有少数检验机构拥有此检验能力,实际使用过程中难以对涂料的使用质量进行检测,具有较大的局限性,工程验收现场检测也只是检测防火层厚度等物理指标,而防火性能往往用当年的型式检验报告代替,这种做法不利于提高产品质量,同时也留下了火灾隐患。

3.2 解决问题的办法

3.2.1 在涂料制备过程中,应选择适当的阻燃体系,既可以达到阻止热传递的效果,又可以最大程度上延迟比消光面积峰值出现的时间,降低比消光面积的平均值,从而少产生甚至不产生有毒有害气体。

3.2.2 使用高效协同体系,延长钢结构防火涂料使用寿命,如在保证防火效果的前提下,尽量少量使用阻燃剂、填料及助剂等辅助性材料,以增强涂料与钢结构的粘结强度和耐久性,延缓涂料物理性能和防火性能的下降,延长防火涂料的使用周期;研制出一种快速检测钢结构防火涂料耐久性的检测方法,能够真正预测出实际的使用寿命,这样可根据环境的不同要求及其基材或主体结构的使用寿命来决定是否需要更换或及时维修。

3.2.3现在所用的防火性能检测方法并不能代表火灾发生时钢结构防火涂料的实际耐火情况,因此,应加快对标准的修订,研发出一种可代替现有防火测试方法的新方法,如采用热分析手段来模拟火灾实际情况,通过对比试验找出相关联的部分,这种方法的可能性将在下面详细探讨。

4 今后发展方向

 纵观防火涂料的发展史,经历了一个从无机到有机又到无机的循环过程。在21世纪到来之际,我国的防火涂料研究将进入一个更高的发展阶段,在此提出关于防火涂料的发展方向的初步设想:

4·1 绿色、环保仍是永恒不变的主题

随着人们对环境污染及人身健康的日益重视,挥发性有机化合物含量高的溶剂型涂料的使用受到越来越严格的限制。因此,必须加快开发少用或不用有机溶剂的涂料,也就是开发所谓“环境友好型涂料”。环境友好型涂料主要有:水性涂料、粉末涂料、光固化涂料等。针对防火涂料而言,仅水性防火涂料和无溶剂防火涂料具有可观的发展前景。由此可见,发展环保型防火涂料,特别是坚持发展水性防火涂料,尽量减少或避免因生产、施工或燃烧造成环境污染和人身危害,将成为今后的主要研究方向。

 4·2 高效的基料和阻燃协同体系

基料直接决定着防火涂料的耐水、耐侯、耐酸、耐碱、粘结强度等性能的好坏,而阻燃体系直接决定着耐火极限的长短,如何既能保持优异的物理性能,又能保持持久的耐火性能是研究的重点之一;并且,在选择阻燃体系的同时,还应注意不应过多或不产生有毒有害气体;对整个涂料体系进行研究,确定具体的使用寿命,只有对上述问题进行统筹考虑,才是钢结构防火涂料今后重点的发展方向之一。

4·3 同时具备防火和防腐性能涂料的开发

就目前情况而言,钢结构防火涂料通常不同时具备防火和防腐两项性能,而对同一钢结构,往往既要有防腐涂料的保护,又要有防火涂料的保护,造成了人力、物力和财力的浪费,如果开发一种防火涂料,同时具备上述功能,将是今后发展方向之一。同济大学顾国强等采用高氯化聚乙烯和有机硅丙烯酸酯树脂为基料,同时实现了防腐和防火功能。

5 标准外规定的其他方法在防火性能检测中的应用

前面已经提到,目前GB14907-2002《钢结构防火涂料》中仅要求对防火涂料的一种厚度进行测试,所用材料也仅仅局限于136b或140b工字钢梁,与实际应用情况不符,不完全符合火灾现场情况。鉴于此种情况,笔者详细地介绍了锥形量热仪法、光电子能谱、扫描电镜、红外光谱、发泡厚度等标准规定外的检测方法在钢结构防火涂料检测方面的应用,期望能与耐火极限关系间建立联系,探讨其在钢结构防火涂料热降解研究中联合应用的可能性。

 5.1 锥形量热仪法

5.1.1 用于研究涂料的阻燃性能徐晓楠等利用锥形量热仪,采用20kw/m2热辐射条件,评价膨胀型防火涂料和膨胀型石墨防火涂料阻燃性能。研究表明,用该方法可快速得到点燃时间、热释放速率峰值、有效燃烧热等数据,可有效评价防火涂料防火性能;有人将TTI和pkHRR结合起来,用它们的比值(TTI/pkHRR)来评价聚合物材料潜在的轰然性,较好地说明了聚合物材料潜在的危害性。

5.1.2 烟气及有毒有害气体的释放

目前,多数膨胀型防火涂料阻燃剂采用的C-N-P或C-N-P-CL体系[13],在受热后分解出有毒有害气体,如NH3、HCL、NOX、CO等,这些气体均可产生窒息作用[6]。锥形量热仪采用氦-氖激光束测定消光系数,给出烟释放的动态过程,其参数比消光面积(SEA)是一个表征在燃烧过程中每时每刻发烟量的动态参数,能体现单位质量挥发物转换成烟的比率,从烟气释放的角度对涂料的阻燃性能进行评价。

5.1.3 降解过程的研究

利用锥形量热仪得到防火涂料的失重率与时间的关系,从而可以得到降解的过程,徐晓楠等人对APE涂料和EG涂料进行研究,发现首先脱水剂出现分解,随后涂料中的铵盐、胺产生酸,在催化剂的存在下,酸进一步与含碳物质的羟基反应形成热性能不稳定的酯,继续升温导致酯分解成炭、酸、水和二氧化碳,释放出的酸再与羟基反映,在酯的分解过程中产生大量的不燃气体,使含碳物质发泡,形成厚的隔热层。

薄型和超薄型钢结构防火涂料用到的多数是膨胀型阻燃体系,其阻燃机理大多是脱水剂脱水成酸等物质,炭化剂脱水成炭和发泡剂分解产生气体,这几个步骤应基本上协调一致,有序进行,才能达到最好的阻燃效果。杜建科、肖新颜等用DSC、TGA和DTA方法对聚磷酸铵为脱水催化剂、三聚氰胺为发泡剂、季戊四醇为成炭剂的膨胀阻燃体系的各组分及其作用过程进行了研究,根据图谱分析了各组分受热分解过程,并且对膨胀阻燃体系匹配过程、基材树脂与膨胀阻燃体系匹配过程、防火涂料降解及阻火过程进行研究,阐明了含气泡的多孔质体的形成过程,为研究防火涂料的阻火、隔热过程提供了科学的依据。

5·3 光电子能谱法

 膨胀阻燃体系阻燃效果的好坏与炭层的绝热效果有关,炭层的绝热效果则与其组成和结构有关,因此,可用光电子能谱法确定炭层的成分对阻燃效果的影响。Serge Bourbigot等人将XPS用于研究APP/PER/LRAM3.5中,分析不同配比和不同温度下残余物中P、C、O、N等各元素的比例关系,并由各元素的结合能推断出残炭物中各元素存在的形式。从试验结果可以看出,阻燃效果的好坏并不完全取决于成炭量的多少,同时取决于炭层的组成,只有C/P比较高时,防火隔热性能才较好,根据测定的不同结合能基团的比例,将不同温度下与氧结合的C和与脂肪烃或芳香烃结合的C的比例进行计算,得出残炭中C/P比高、P/N比低可能更有利于形成稠环结构,提高炭层的稳定性,具有好的阻燃效果的结论。

5.4 扫描电镜法

王国建等采用SEM的方法观察了添加可膨胀石墨、聚乙二醇改性可膨胀石墨和未添加可膨胀石墨的防火涂料经燃烧后形成的孔泡结构、尺寸和分布,研究表明,防火涂料在添加了聚乙二醇改性可膨胀石墨后,炭化发泡层的泡孔尺寸变大,分布变窄,并且钻出表面的蠕虫状可膨胀石墨量大大减小,说明可膨胀石墨经聚乙二醇改性后,与聚合物界面的粘结性增加,改善了炭化发泡层的孔泡和表面形态,最终有利于防火性能的提高。

5.5 红外光谱法

狄志刚等以羟基有机硅单体和羟基丙烯酸树脂为主要基料,用自制的阻燃抑烟剂制备防火涂料,用红外光谱的方法对体系改性前后进行研究,表明改性体系后的羟基含量明显降低,-Si-O-键的吸收峰变强,证明了缩聚反应的发生;并用气相色谱分析了从反应中蒸出的低沸物,其中存在着大量的乙醇,也可证明缩聚反应的发生。

5·6 其它方法

除上述几种方法外,其它方法如涂层膨胀倍数法、X射线衍射分析法也经常被用于防火涂料的分析。发泡层倍数也是确定防火涂料防火性能的一个重要指标,只有进行了充分的发泡才能起到较好的物理隔热作用,DBJ01-616-2004《建筑防火涂料(板)工程设计、施工与验收规程》中就明确规定了涂层的膨胀倍数;X射线衍射分析法可用于原材料和成炭层的物相分析,确定微观物质组成等方面。此外,由于防火涂料起到隔热的作用,因此,炭层的导热能力对防火涂料的保护性能起到决定性的作用,测量膨胀后涂料的导热系数可反映实际火场中涂料的隔热能力。

钢结构防火涂料在火灾中保护钢结构的过程就是涂料受热膨胀分解、阻止热传递的过程,对其高温下的热降解过程的深入测试和研究有助于让我们了解防火涂料的燃烧机理,可为涂料配方和体系提供理论依据。在钢结构防火涂料防火性能的检测,尤其是工程验收现场检测方面,标准规定外的检测技术,特别是多种技术联用,很可能会在防火涂料防火性能检测方面得到广泛的应用。