浅议钢结构防火涂料在建筑防火中的运用

刘吉庆

摘要：随着经济的发展，钢结构作为主要的建筑结构得到了越来越广泛的应用，合理的选择钢结构防火涂料对保障建筑物的火灾安全性至关重要，在这一背景下本文介绍了钢结构防火涂料的防火机理、品种分类，并对其在建筑防火中的应用设计进行了探讨。

关键词：钢结构；防火涂料；防火设计

中图分类号：TU391文献标识码： A

引言

钢结构体系具有自重轻、强度高、易于安装与施工、可利用空间大、抗震性良好、可再次利用、环境污染少等特点被广泛应用于工业厂房、体育馆、展览馆等大型建筑和高层建筑，被誉为21世纪的“绿色建筑”。但是，钢结构的耐火性能差，在正常荷载情况下，温度达到500℃左右时钢结构便会失去承载作用，而火场温度通常会在10min内上升至800℃以上，在这样的火灾环境下，裸露的钢结构很快便会出现变形得情况，产生局部破坏，最终失去承载力，造成建筑物坍塌，因此对钢结构进行防火保护具有重大的意义。钢结构的防火方法主要有喷涂防火涂料、安装防火板、使用防火混凝土、采用柔性卷材防火、无机纤维防火、钢构件内通水冷却防火等方法。其中，钢结构防火涂料由于其防火隔热性能良好、设计施工方便、不受结构几何形状的限制等优点应用范围最广、效率最高。

1. 钢结构防火涂料

1.1防火机理

钢结构防火涂料是指喷涂或刷涂在建筑物钢结构表面的一种防火型涂料，在火灾环境下能够形成耐火隔热保护层，提高钢结构的耐火极限以达到建筑设计防火规范的要求，进而避免钢结构在火灾情况下失去承载力导致建筑物坍塌的情况。钢结构防火涂料的防火机理主要有三点：

（1）涂层具有难燃性或不燃性，对钢基材起到屏蔽的作用，使钢结构不至于直接暴露在高温火焰中；

（2）涂层吸收热量后某些物质会分解释放出水蒸气或其他不燃的惰性气体，起到稀释氧气、消耗热量、降低火焰温度、减缓燃烧速度的作用，从而了抑制了燃烧的蔓延；

（3）当涂层为膨胀型防火涂料时，其受热后会形成炭化泡沫层，对热量向钢基材的传递起到阻碍的作用，延缓了钢材的升温和钢结构强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。

1.2分类

钢结构防火涂料根据防火机理可以分为膨胀性和非膨胀性两类，按照使用范围可分为室内型和室外型，根据分散介质的不同又可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是根据涂层厚度进行划分。

1.2.1 厚涂型钢结构防火涂料

厚涂型是指涂层厚度为8mm~50mm，密度较小，呈粒状面，热导率低，耐火极限在2h以上的防火涂料。

该类防火涂料的主要成分为无机材料，使用硅溶胶、耐火水泥、水玻璃、磷酸铝盐等无机胶结料配以膨胀珍珠岩、漂珠、海抱石、粉煤灰等无机轻质绝热骨料材料，硅酸铝纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、岩棉等增强材料以及相关防火添加剂、化学药剂和填料等混合配制而成，防火性能稳定，适宜长期使用。但由于其组分颗粒较大、涂层外观较粗糙，对建筑物的整体美观造成一定影响，因而大多用于结构隐蔽的工程。其施工常采用喷涂的方式，适用于耐火极限要求在2h以上的室内外隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构。

1.2.2 薄涂型钢结构防火涂料

薄涂型是指涂层厚度为3mm~7mm，有一定的装饰效果、高温时会膨胀变厚的耐火极限在2h以内的防火涂料。

该类钢结构防火涂料是选用适宜的，对钢材具有良好的附着力以及耐久性和耐水性的水性聚合物为基料，配以防火添加剂、阻燃剂复合体系和耐火纤维等混合而成。此类防火涂料的装饰性能要优于厚型钢结构防火涂料但逊色于超薄型钢结构防火涂料，采用喷涂施工，常应用在耐火极限在2h以下的钢结构防火保护工程中，如一般民用与工业建筑楼盖与屋盖钢结构。

1.2.3 超薄型钢结构防火涂料

超薄型是指涂层厚度≤3mm，装饰效果好，在高温下能够膨胀发泡，耐火极限通常在2h以内的防火涂料。

此类钢结构防火涂料一般为溶剂型体系，具有良好的耐水性能、流平性能以及较高的黏结强度，遇火时能够缓慢膨胀发泡形成致密而坚硬的防火隔热层，有效保护钢构件。该类钢结构防火涂料可采用喷涂、辊涂或刷涂的施工方式，一般应用于耐火极限要求在2h以内的建筑钢结构上，如工业与民用建筑梁、柱等钢结构。目前国内外，已经研制出多种耐火极限超过2h的新品种超薄型钢结构防火涂料，广泛应用于各种轻钢结构、网架等的防火保护中。

2.钢结构在火灾环境下的特性

2.1力学响应

钢结构虽然属于非燃烧材料，但是其不具备耐火性能，高温下的钢构件各种物理力学性能都有不同程度的变化，特别是其强度的变化，对于钢构件的承载力有很大的影响。GB700-88《碳素结构钢》和 GB1591-1994《低合金结构钢》要求的Q235、Q345钢等普通建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右。通常在温度达300～400℃时，其强度开始迅速下降；500℃左右时钢强度下降到40％～50％，钢材的屈服点、弹性模量、荷载能力、抗压强度等力学性能迅速降低，低于建筑结构所要求的屈服强度，以致不能承载建筑结构的许用应力导致建筑物的坍塌。由此可见，如果使用没有进行防火保护的普通建筑用钢作为建筑构物的承载主体，一旦发生火灾时建筑构物便会迅速坍塌，对人民的生命和财产安全造成严重的损失。图1、图 2分别给出了高温作用下钢结构的应力应变曲线和钢结构的折减系数。

图1 钢结构在高温下的应力应变曲线

图2 钢结构在高温下的折减系数

2.2温度分布特性

在火灾环境下，热量向钢构件内部的传递了分为热辐射和热对流两部分，如图3所示。

图3 热量与钢构件之间的传递示意图

其中以热辐射的方式从热空气中向钢构件传递的净热量课按式1计算：

（1）

式中—综合辐射系数，，其中指与着火空间有关的辐射系数，通常取0.8，指与钢构件表面特性有关的辐射系数，通常取0.625；—空气温度，℃；—构件表面温度，℃；—单位时间内向钢构件单位表面积上传递的热量，；—形状系数，通常取1.0；—常数，。

以对流方式从热空气中向钢构件传递的热量可按式2计算：

（2）

式中，—单位时间向钢构件单位面积上传递的热量，；—对流传热系数，对于纤维类燃烧或在，可取，对于烃类燃烧火灾，可取。

钢构件相比于其他建筑材料其传热性能较好，在涉及钢结构内部温度分布时，一般不考虑沿构件厚度和宽度上的热梯度的影响，即假定其截面上各点温度相同，截面温度分布均匀。

3.建筑中钢结构的防火设计

3.1防火涂料选型

钢结构在建筑中的使用部位、承载形式及强度都不尽相同，因此对其耐火性能的要求也不一样。此外，由于建筑物本身的特点以及发生火灾的危险性也有所差异，对相关构建的耐火性的要求也不尽相同，因此科学合理地选择适宜的防火涂料来对钢结构进行保护对建筑物的防火安全至关重要。

（1）所选防火涂料产品必须符合国家相关技术性能的规定、达到相关标准，并附有并附有国家检测机构检测合格的耐火性能和理化性能检测报告以及消防监督机关颁发的生产许可证，同时应附有涂料品名、使用说明、技术性能、贮存期限、制造批号等相关说明。

（2）根据建筑物功能及建筑部位选择适宜的防火涂料。建筑物的耐火等级要求不同，不同的耐火等级对应着不同的耐火极限。当耐火极限要求低于1h，可选用薄涂型或者超薄型防火涂料；当耐火极限要求低于2.5h时，可选则厚涂型或者薄型或防火涂料；当耐火极限要求在2.5h以上时，应选用厚涂型防火涂料。

防火涂料应用于建筑物部位的不同其耐火等级也有所不同，裸露部位以及对建筑物装饰效果要求较高高时可选用超薄型防火涂料，例如屋顶的承重构件；裸露的网架构件以及柱等可选用薄涂型防火涂料；对于隐蔽部位等外观效果要求不高的可选用厚涂型防火涂料。

3.2防火涂层厚度的确定

涂敷防火涂料的钢材表面事先应进行严格的除水与除锈作业，经喷砂除锈时应达到Sa2.5级标准，手工除锈应达到St3标准级以上，除锈后的钢材表面再采用环氧防锈漆或者酚醛红丹等作防腐处理。在工程设计中一般根据防火涂料涂敷在I36b工字钢钢梁上，经过耐火试验得出的耐火极限数据以及防火规范规定的耐火极限要求来确定防火涂层厚度。

表1 钢构件应达到的耐火极限要求

耐火等级 耐火极限（h）

高层民用建筑 一般工业与民用建筑

柱 梁 楼板屋顶的承重结构 支撑多层的柱 支撑单层的柱 梁 楼板 屋顶承重结构

一级 3.00 2.00 1.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.50

二级 2.50 1.50 1.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50

三级 2.50 2.00 1.00 0.50

根据CECS 24-90钢结构防火涂料应用技术规范中当用厚涂型防火涂料（即 W1/D1≥22，T1≥9mm）、耐火极限 t≥1 小时时，可按下式计算：

（3）

式中，—待保护涂层厚度，mm；—标准试件涂层厚度，mm；—待保护钢梁质量，kg/m；—标准实验时钢梁质量，kg/m；—待保护钢梁涂层接触面周长，mm；—标准试验时钢梁涂层接触面周长，mm；—系数，对钢梁取1，对相应楼层钢柱取 1.25。

对超薄型和薄涂型防火涂料涂层厚度的确定一般以耐火试验报告中涂层厚度为依据，并适当留有余地以增加安全性。超薄型防火涂料耐火极限不宜超过1.5h，耐火极限为1.5h的构件涂层厚度不低于3mm，耐火极限1h的涂层厚度不低于2mm。薄型防火涂料在耐火极限不超过2h的涂层厚度不低于5mm；耐火极限不超过1.5h的涂层厚度不低于4mm。

4 结语

随着钢结构建筑的快速发展，钢结构防火涂料的运用前景也越来越广阔，应不断提高钢结构防火涂料的耐火性能、不断丰富其品种类型，根据不同需要、不同功能来选择适宜的涂料类型、进行合理的防火设计，以提高钢结构的耐火极限，增强建筑物抗御火灾能力，保障国家和人民生命财产的安全。

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