建筑钢结构防火涂料的优选方法分析

张哲

钢材不耐火属性是建筑结构的主要问题，一旦温度在200℃以上，就会出现明显变化，强度大幅度下降。如果温度在600℃左右，材料则处于塑性状态，完全不具备承载能力。综合而言，钢结构表层温度达到150℃，便需采取保护处理措施。

1.建筑钢结构防火涂料选用现状

（1）防火涂料本身有缺陷。近些年，国内此类产品的成长速度较快，种类呈现出多样化的特点，但技术性能和经验还略有不足。如环保方面，涂料在基材上应用，组成的材料比较不稳定，会给内部空间造成危害。另外，安全性方面，涂料遭遇火灾时，会出现膨胀的现象，以保护基材不受损伤，但会释放出多种有毒气体，在达到一定浓度后，会伤害人体。所有防火涂料的分析都是采取试验手段，环境为标准条件，但现实中火灾会有不确定性，加之建筑落成使用多年后，涂料防火效果无法确定是否还处于原本的试验状态。

（2）涂料应用方对安全性缺乏认识，最终选用的涂料可能并不适宜。如今，可供选择的防火涂料种类极多，而质量不能统一。从理论角度来说，在基材上增加一层涂料，耐火效果会有所提高，隔绝高温。而实际上，涂料本身的构成与阻燃性等不同，可用范围也有区别。建筑钢结构中，在耐火级别上有明确标准，但个别建设方却缺少对此的认识，导致没能有效发挥涂料的作用，仅关注最终的验收结果。部分设计师及建设人员，前期设计中，不会留给防火处理较多的预算，或者直接刨除在预算之外，形成明显隐患。

（3）耐火试验和厚度，缺乏标准的确定方法。本文所述的防火涂料属于功能性范畴，具体性能归纳成两点：①物理机械，如憎水性、承载性、干湿性等；②耐火，防止火灾破坏基材。通常耐火极限的分析，基于确定构件，涂上对应涂料，根据时间温度的关系曲线，确定涂料直至被损坏的时间，借此评估其防火性能。耐火试验时，主要条件为构件承载状态及升温情况，而且同一极限时长的涂料会由于所处环境、火灾条件差异，发挥的保护力有区别。如今，施工方收到的说明书，仅指出极限时长、厚度，但缺少对应的钢材类型。

（4）使用及保养方式有问题。在实际建设中，通常把涂料用于对应基材表层，钢结构处理时，如果应用的方式不适宜，会使防火效果大打折扣。如今，诸多公共项目为提升室内的艺术感，装修中会应用过多的易燃材料，并且具有设计艺术感的装饰，结构会比较繁琐，形成大量孔洞，不利于防火处理。另外，纤维织物同样无法满足阻燃要求，采取喷洒等方式，容易形成结晶，影响防护效果。内部市场钢结构中可应用的涂料类型和技术成长态势良好，但对应施工方式标准和后期保养方式未能跟上产品更新。现实应用中，钢结构经过此项处理后，一般不会受到额外关注。建筑验收处理也缺少科学性，无法达到定量评估[1]。

2.建筑钢结构防火涂料的确定

2.1 选择标准原则

首先，防火涂料需满足我国的有关技术标准，同时需附带专业检测机构提供的合格报告。生产商必须具备许可证，以此为前提进一步选择涂料。在建筑钢结构上使用的防火涂料，厂家需提供技术性能及产品批号、说明书以及贮存时间等。其次，结合需要喷涂的钢结构位置与功能性，确定防火涂料。

（1）耐火极限标准，国内建筑物明确分出多个耐火等级，对应要求的极限值有差异。比如，极限时间在60min 以内，应选择超薄及薄型；极限时间在2.5h 以内，能选择的有薄型及厚涂型；极限时间超过2.5h，仅能选择厚涂型的涂料。

（2）建筑物不同部位，耐火等级会有区别。比如，裸露在空气中，并起到装饰作用的区域，需喷涂超薄的涂料。而裸露柱体与网架部分，应喷涂薄型的涂料，钢结构隐蔽区域，无需考虑美观性，可选择厚涂一类。

（3）重要性标准，在较为重要的项目中，会以厚涂型为主，而普通的民用建筑使用薄型及超薄型即可。

（4）基于涂层厚度标准，确定高防火涂料。如果是超薄的涂料，耐火的极限时间不应长于1.5h，并且涂层的厚度至少要达到3mm。如果耐火极限时长是1h，则设定的涂层厚度需达到2mm。如果选择薄型的涂料，在极限时间小于2h时，厚度应控制在5mm 及以上，假设要求极限时间在1.5h 以内，涂层厚度至少应在4mm。

2.2 优选方式确定

涂料优选的方法：

（1）类型筛选法。基于建筑项目本身，确定涂料的种类，确定满足耐火极限标准的最优品种。

（2）功能比较法。结合项目结构实际应用场所标准，以及钢结构的涂料可用范畴，确定达到防火标准的种类。

（3）价格类比法。基于达到防火级别前提下，结合生产商售价比较，选定性价比更好的品类。

（4）综合优选法。整体分析上文条件，选择综合得分更高的类型[2]。

3.优选建筑钢结构防火涂料的具体分析

3.1 涂层厚度

3.1.1 临界温度

如今，轻质且强度大、安全性高、建设便利等类型的钢结构，在建筑项目中使用逐渐频繁，而裸露材料被高温影响，其力学性能随之出现变化。比如，强度与弹性模量，二者和温度为负相关。火灾发生后，钢结构的屈服强度会逐渐弱化，受到损伤。

（1）应力—应变。钢结构耐火时间是15min，在温度高于300℃，材料强度会逐步下降。在温度上升至650℃，钢结构几乎无承载性能。屈服平台无效后，一般需确定某强度视为屈服强度，通常确定为常温条件中0.2%应变下的强度。

（2）高温环境中，钢结构屈服强度。验算高温中结构承载力，以屈服强度为衡量指标。得出的结论是在温度不足300℃时，钢结构屈服强度没有波动；在300℃～750℃中，为线性下降。

（3）分析多种构件的初始应力，具体考虑内容需要根据构件的形态确定。比如，轴心受压的构件，其原本便有缺陷及残余应力，不可根据理想状态分析；受弯的构件，静定梁需考虑其塑性的问题；压弯的钢构件，需注意平面内外的稳定性。

（4）临界温度，在实际分析中，为简化此过程，可先进行合理化假设。

在分析钢结构本身抗火性能中，可先确定假定条件。比如，火灾状态下，钢结构四周环境的温度提高与时间推进过程，采取标准的升温曲线，即使应用差异化的升温公式，也需调整为对应的缺陷。同时假设钢结构的截面温度一致，并且钢结构是等截面，抗火效果也相同。此外，借助对火灾状态下钢结构内部升温的分析，确定承载力与临界问题。该种确定方法主要通过确定常温及高温环境中，二者稳定系数的关系，以此确定趋近于真实情况的临界温度[3]。

上文提到确定临界温度的方法是如今较为常见的，但分析侧重点有差异，主要原因如下：

（1）可能出现误差的问题是常温环境中极限正应力取代高温环境中屈服强度，在持续升温中，屈服强度会有所降低，但在大多数情况下，两项数值有差距，但理论层面上得出临界温度数值更为安全。

（2）假定应力比，确定超越方程，借助数值整理出应力比和相关结构的力学系数，通过查表的方式，确定临界温度。该种确定方式中，应力比只分析常温条件中结构所受应力及承载力，二者最高值的比，从中可以看出，该方式和第一种相较，更加便利，但最后得出数值有差异，应当是求解时有误差。

（3）分析稳定系数，借助近似值确定稳定系数，并对比超越方程更加复杂，但最后结论会相对满足火灾的实际条件。

选择防火涂料时，需注意热物理性能以及含水率，前者通常能利用试验得出，具体数值随着温度波动。目前钢构件所有防火涂料基本上都是轻质一类，同时保护层也能分成干性与湿性，对此则以含水率为衡量标准。在钢结构上所用的涂料，厚度一般是有限制的，可根据高温条件中，经过涂料层后传至钢结构的热量进行确定。以理论层面来看，临界温度和涂层厚度是正相关，但实际选择应用时，还需通过试验定量验证。

3.1.2 耐火极限

钢结构的主要用途是荷载，对其抗火设计可看成确定防火保护方案，在达到建筑荷载标准后，考虑防火性的问题。火灾环境中，在钢构件内部不断升温时，其承载水平会有所降低，并且在承载力降至外荷载形成效应的状态中，构件本身承载力已经处于极限情况。而此种状态继续细分成局部构件与整体结构，前者遭到破坏以及后者整体倾覆。二者衡量标准为前者承载力失稳，且变形速率已经达到无限大的程度，不能承担起重物，出现变形；后者整体失稳，不具备承载能力，全部变形。关于抗火设计，需先满足外载荷，而后考虑达到耐火等级。具体采用的方式包括三类。

（1）围绕试验分析，为设计提供分析数据，准备多种类型构件，在设定荷载及升温情况下，开展耐火试验，以此得出在各防火处理后，构件耐火情况。借助多次试验，得到涂料品种及厚度对应耐火极限。采用此种设计方式有明显不足，比如最终获取耐火极限手段不科学。加之，在建筑物里，构件承载情况和试验期间实施的标准条件无法保证相同，并且建筑中的制约条件无法在试验中完全复制，导致最终结果有偏差。

（2）采取计算方式，确定设计[4]。该种方式可提高对结构抗火水平评估的准确性。假设钢结构内布局匀称，并且从火灾条件下传进热量和温度提高中吸入热量相等。为处理结合试验进行设计的缺陷，额外增加热传导及结构分析，鉴于构件受力情况及截面积等对其自身抗火水平的干扰性，力求得出更贴合实际的结果。

（3）性能化结构，此种方式考虑到设计需要，按照实际的结构对象，设计目标是保障人身安全以及控制经济损失。考虑现实火灾条件下，温度提高和结构稳定性对抗火水平的影响，综合运用若干工具，评估火灾风险，以提升结果的准确性。

当前的防火涂料有非膨胀及膨胀两种，其中造成非膨胀型隔热性能波动的要素有密度、厚度等，而膨胀型涂料主要为热物理参数及膨胀率。一方面，通过热物理参数判断隔热性能，一般会面临几个问题：

（1）常温环境中，该数值是定值，但涂料仅在发生火灾后才能展现出价值，同时热物理参数会随着时间与温度出现浮动。

（2）高温状态下，涂料会出现化学反应，发生吸收及发出热量的情况。此种情况和抗火设计中假设条件有差异，会降低分析结果的精准度。基于热学有关原理，化学反应期间出现的热量通常难以确定。

（3）涂料里会有不定量水分，高温环境中，其内部水分会出现蒸发，进一步加快结构问题出现的速度，并且该因素也无法准确设置。

另一方面，膨胀型涂料可以在高温条件下快速形成保护层，以减缓温度热量传导效率，继而满足耐火的需要。涂料形成保护层后，热物理条件随之出现明显变化，厚度扩大至原本的数倍，由此造成常温条件中热物理参数，无法准确衡量涂料的隔热效果。对于以上问题，如今需要可以准确评估涂料在高温条件中隔热效果的参数，不仅可表示隔热效果，还需保证计算过程的简便性。防火规范中，和钢结构承载力有明显关联性的为温度参数，所以确定出趋近于现实温度的条件是准确判断隔热效果的关键点。

火灾条件中，传热并非稳定状态，虽然能理清各变量参数之间的联系，但也无法凭借数学计算得出。总的来说，借助真实结构温度参数，确定等效的热导率，可以比较综合分析出热工参数。如果选择膨胀类的涂料，考虑膨胀发生前的密度与厚度等，也能确定该系数。根据试验理论分析，涂层厚度和其耐火极限为正相关，在确定厚度参数时，可借助此参数加以选定[5]。

3.2 数据系统

3.2.1 选择需求

在实际建筑项目中，通常无法完全掌握市面上的各种涂料功能效果与性价比，导致综合优选难度较高。为此构建数据库，给用户提出更便利的选择方式。为此，应先确定用户需要，基于此设置功能性，并预留出扩展空间。经过统计整理，用户需求可分成几类：

（1）信息需要，此系统应能提供对应涂料的耐火时长、厚度、生产商相关信息等。

（2）信息查询，能进行模糊搜索，可输入一个条件要求，支持多个条件下的查询。

（3）信息描述，包括生产商名称、电话、型号、耐火级别、密度等。

3.2.2 系统设计

建立关于钢结构应用防火涂料的系统，需基于现有的涂料产品，借助采集及分析涂料类型与物理属性，满足设计者的现实需求。另外，因为涂料产品依旧在持续更新中，所以要求信息系统可供更新维护，保证有关数据资料完整。兼顾信息的开放性和安全性，设置用户权限。

3.2.3 维护更新

根据防火涂料的市场环境，数据系统应当持续更新，保证数据库的实用意义。更新该系统时，需考虑两个问题，即利用新信息替换原有信息以及原本信息是否保留。事实上，更新信息库的方式既和采集信息的手段有关，还和信息组织形式有联系。因为数据库信息形式较为一致，只有数值与字符两种，为丰富信息类型，可采取以下更新手段：

（1）根据现有版本的信息系统进行更新操作，应设定查新的间隔时间，并在设置更新时间前，关注市场上的涂料产品变化情况，不断收集整理，批量录入到数据库内。

（2）采取系统版本更新，如今拥有的信息模型和结构比较单调，在市场钢结构演化中，相应防火涂料可能跟不上更新速度，但也在持续创新中，并且用户侧重的数据点有差异，直接通过升级版本，满足用户需要。

4.结语

综上所述，钢材对建筑工程的重要性不言而喻，但受到其自身耐火能力的局限，施工中，通常会额外进行防火处理。本文讨论的主要防火涂料使钢结构能在高温环境中具备承载能力，为火灾发生时人们的室内逃生争取时间。