水性钢结构防火涂料的应用研究

殷岩勤 康利刚

摘要：本文从水性钢结构防火涂料出发，对其相关情况进行了阐述。首先对钢结构防火涂料的类型和作用机理进行了分析，其次分析了水性防火涂料在钢结构、隧道、木质防火门以及防火保险柜上的应用，最后明确了防火涂层的厚度设计，以供广大设计师与工程人员参考。

关键词：钢结构; 水性; 防火涂料; 应用

由于钢结构在施工方面具有自重轻、抗震性能优以及节能环保等特点，因此近年来在工业建筑行业发展迅速。由于“一带一路”的提出和实施，相关国家修建了很多基础设施，包括钢结构厂房、发电厂以及物流仓库等。但是钢结构的建筑结构其本身的防火性能比混凝土结构的要差，因此需要对其进行防火消防。当前，钢结构的建筑结构多采用防火涂料进行保护。2015年，我国实施了《建筑设计防火规范》，钢结构防火涂料的应用和开发受到广泛关注。

1   钢结构防火涂料的类型

对于钢结构防火涂料的含义，在GB 14907-2018中有了相关阐述，即表示用于建筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层使得建筑的防火性能大大提升的一类材料。钢结构防火涂料有多种类型，根据不同的分类方式，种类有所差异。常见的分类体系包括水溶型和溶剂型;根据钢结构防火涂料的防火机理，可以将其分为膨胀型和非膨胀型等;按照防护对象可以分为普通型和特殊性;按照使用地点，可以分为室内型和室外型。

2   钢结构防火涂料的作用机理

钢结构防火涂料主要是由基础材料、填料、助剂以及溶剂构成，其中的填料主要是阻燃剂和保温隔热材料。阻燃剂主要是由催化剂、成炭剂和发泡剂组成，也就是常说的酸源、炭源和气源。

钢结构防火涂料的防火特性在于材料本身达到高温时，可以在表面形成一层均匀致密的保护层，这种保护层主要是不可燃的碳层。碳层的形成主要是通过添加不同阻燃剂，形成协同作用。防火涂料在高温条件下，组分催化剂分解成为成炭剂，发泡剂分解成为气体将成炭剂形成的碳层吹起，形成一种致密的保护层，这种保护层可以阻断火源和材料本身的接触，因此可以达到防火阻燃的作用。

除了发泡膨胀阻燃剂以外，在水性钢结构防火涂料中还可以加入氢氧化铝、氢氧化镁等，其在高温下发生分解形成水分，吸收大量的热，因此也可以达到阻燃效果。另外，氢氧化铝、氢氧化镁分解会形成氧化物，也可以帮助提高炭层强度。

3   防火涂料的应用

3.1  在钢结构上的应用

在对钢结构表面进行除锈和涂抹除锈材料后，涂刷厚度为3mm左右的水性防火涂料。待其干燥以后，按照國标GB14907-2018对其进行耐火性能测试。实验结果表明：经过三个小时的测试，钢结构的挠度为37.9mm，且其表面形成了一层碳层。设置对照组，对同样钢结构表面进行除锈和涂抹除锈材料后，在相同条件下对其进行测试，此时测得的钢结构的挠度为210mm，燃烧时间只有2h40min。从两组的实验结果对比可以看出，水性防火涂料对于钢结构防火涂层具有防火保护作用，其作用机理主要是由于水性防火涂料在受热时，表面形成一层致密的碳层，可以隔绝火源。这种碳层可以使得热量与钢结构防火涂层表面大部分隔绝，因此钢结构受热变形较小，从而提升其耐火极限。

另外，在涂覆过程中，水性防火涂料表面细腻、流淌性好，而钢材表面一般不规则、有颗粒感，外观较差。而将两者进行搭配使用，即可以改善材料的防火性能，还可以提升外观效果。

3.2  在隧道的应用

将水性防火涂料均匀地涂装于隧道结构表面，养护一天后，测得隧道结构表面形成了0.23mm厚的防火涂料膜。根据GB28375-2012对其进行防火性能测试。实验结果表明：当测试时间为2h30min时，隧道结构表面形成一层致密防火层，且测试温度显示混凝土外表面的温度为350℃。设置空白组，在相同条件下，对未涂覆水性防火涂料的隧道结构进行测试，结果显示耐火极限为1h30min。从两组的实验结果对比可以看出，对隧道结构表面进行涂覆水性防火涂料可以大大提升其耐火极限。另外，水性防火涂料也可以改善隧道结构的外观。

3.3  在木质防火门上的应用

将水性防火涂料调成银灰色后，均匀地涂装于木质防火门表面，养护一天后，测得木质防火门表面形成了厚度为0.25mm的涂层。然后根据GB12955-2008对其进行测试。实验结果表明：当测试时间为2h10min时，木质防火门表面形成一层致密防火层。设置空白组，在相同条件下，对未涂覆水性防火涂料的木质防火门进行测试，结果显示耐火极限为90min。从两组的实验结果对比可以看出，对木质防火门进行涂覆水性防火涂料可以大大提升其耐火极限。

3.4  在防火保险柜上的应用

将水性防火涂料均匀地涂装于防火保险柜表面，养护3h后，测得防火保险柜表面形成了厚度为0.20mm的涂层。然后根据标准耐火升温曲线对其进行测试，实验结果表明：当测试时间为1 h时，防火保险柜外表面形成一层致密防火层，内部温度提高了4℃，且材料本身形状完好，其中的小白鼠存活。设置空白组，在相同条件下，对未涂覆水性防火涂料的防火保险柜表面进行测试，结果显示，30min后内部温度提高了40 ℃，且其中的小白鼠死亡。从两组的实验结果对比发现，对防火保险柜表面进行涂覆水性防火涂料可以大大提升其防火性能。

4   防火涂层厚度设计

4.1  防火结构类型

（1）分隔类

分隔类是一种将钢建筑结构内部隔开成多个部分的一种设计，这种设计可以在一定时间内隔离烟和火的经过，使得建筑内被保护的部分温度不会超过太多，一般不超过140℃。根据分隔类设计的防火时间可以对其进行划分，主要分为H-0、H-60和H-120这三种。

（2）支撑类

支撑类是一种在建筑结构中可以作为承重作用的一类钢建筑结构，根据其受力方向的差别，可以将其分为垂直方向和水平方向上的结构。垂直方向的支撑类结构包括立柱、主梁等，水平方向的支撑类结构包括拉筋等。这种结构作用需要保护钢结构在一定的时间范围内，其温度不高于临界核心温度，也就是保护钢结构在此温度范围内保持其需要的性能。

（3）特殊类

特殊类是指钢结构建筑材料中用于传输以及储存等作用的器件，包括相关管道和阀门等部位。特殊类结构也需要控制其温度不高于临界核心温度，从而使得这些部位的安全性能得以保证。

4.2  防火等级

防火等级是指钢建筑结构在发生火灾时，材料本身的温度提高到临界核心温度所需要的时间。因此，钢建筑结构的防火等级需要根据需要来进行设定。另外，钢建筑结构的防火等级还需要规定燃烧的类型以及时间，以下对其进行详细阐述。

（1）燃烧类型

钢建筑结构发生火灾时，燃烧类型主要是根据其火源来进行划分，包括石油以及其他碳氢化合物。燃烧类型可以分为池火（“H”）和喷射火（“J”）两大类，前者是指火焰在燃烧过程中的传播方向是水平方向，后者是指火焰在燃烧过程中以喷射的方式出现。

（2）临界核心温度

图1给出了不同温度下H型钢的结构强度与温度关系的曲线，从图中可以看出，随着温度的升高，在一定范围内H型钢的结构强度基本保持不变，当温度继续升高时，结构强度急剧降低。根据对不同结构强度的规定，当温度达到一定时，此时钢结构材料失效，这个时候的温度就叫做临界核心温度，其主要作用是用来体现钢结构材料在高温下所需要保持强度的时间范围。根据材料特性的差异，临界核心温度有所不同。

（3）达到临界核心温度需要的防火时间

根据钢结构材料的要求，对其临界核心温度进行相关规定，从而使其符合相关安全性能的要求。临界核心温度的选择一般以5min作为间隔时间，一般以30min、45min等表示。如防火时间为60min，则材料的防火等级为60级。

从以上分析可以发现，分隔类建筑结构一般是用作烟和火进行隔离，从而控制材料内部温度的上升，因此不必考虑临界核心温度。分隔类建筑结构的防火等级表示方法一般以燃烧类型+防火时间来进行表示。例如，在H60的分隔类建筑结构中表示的含义是60min内材料内部的温度上升不高于14℃。对于支撑类和特殊类建筑结构还需要结合临界核心温度来进行表示，例如J60（400℃）的含义是指在喷射火焰的条件下，60min内结构钢材料内部温度不高于400℃。

4.3  防火涂层厚度确定的方法

根据防火结构的类型的不同，对于防火涂层厚度的设计也有所不同。根据其类型，主要包括几下几种方法：

（1）分隔类钢结构：需要根据防火等级和防火涂层认证证书来进行设计。還需要对其进行deck类（水平甲板）和bulkhead类（垂直舱壁）的划分。

（2）支撑类钢结构：这类钢结构材料，需要根据相关信息来对涂层厚度进行设计。在防火涂层认证证书的相关规定中，会根据防火等级、临界核心温度以及截面因子，来对不同类型的钢结构材料进行确定，包括工字钢和中空型材。在防火涂层认证证书的相关规定中，如果没有对于截面因子的相关规定，则需要选择最接近并大于该截面因子对应的厚度。在常见的ULl709标准中，对于防火涂层厚度的设计一般都是根据池火来进行考虑的，因此钢结构材料全部使用W10x140的H型钢实施相关测试，即只考虑不同防火级别。

（3）在对支撑类钢结构进行防火测试时，其主要考虑主结构，忽略截面因子等。

（4）对于特殊类结构的防火涂层厚度的设计，参考支撑类。

（5）当火焰类型为喷射火时，防火涂层应当考虑到补偿量。如涂层厚度（J60）=涂层厚度（H60）+厚度补偿量（J60补偿量;涂层厚度（J60+H60）=涂层厚度（H120）+厚度补偿量（J60补偿量）。

（6）在实际情况中，为了便于操作，因此一般将根据不同截面因子计算得到的涂层厚度值当做少量的涂层厚度值。如对于多个厚度值的1.5mm、1.8mm、2mm、6.8mm、7.2mm以及9mm，将其中1.5mm、1.8mm、2.mm的都按照2mm来计算，6.88. mm、7.2mm、9mm都按9mm来进行计算，这样实际操作就只有两种厚度值，从而减少涂层厚度值的种类。

5   结语

为了保护工程的安全和减少火灾发生带来的危害，水性钢结构防火涂料在钢结构工业建筑中应用越来越多。因此需要对水性钢结构防火涂料加深了解，包括其应用原理、应用方向以及实际应用过程中的操作等。

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