防火涂料在钢结构中的应用及检测方法探讨

黄艳芳 刘 珊

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

钢结构具有强度高、施工工期短、抗震性能好、可回收重复利用、污染少等优点，常用于超高层建筑、体育馆、机场等建筑中。虽然钢材本身是不燃烧材料，但是钢材在高温下容易发生性能劣化，导致结构失稳，影响建筑安全性，研究显示钢材的临界温度仅为550℃，而钢结构的耐火极限仅为15min，此时暴露在火灾中的钢结构很快便会发生性能劣化导致结构失稳，丧失承载作用[1]。随着温度的上升，钢结构的耐火极限则会进一步缩短，因此为提升钢结构的耐火极限，延长钢结构在高温条件下的稳定性，在其表面涂覆防火涂料则尤为重要，因而对于防火涂料在钢结构中的应用研究一直以来是研究的热点。

通过阅读相关文献，本文分别介绍了厚型、薄型和超薄型防火涂料在钢结构中的应用情况以及防火涂料耐火性能的检测方法，以期为工程研究人员提供参考。

1 防火涂料在钢结构中的应用

1.1 国内外钢结构防火涂料的发展

国外早在上世纪60 年代就已经开展了防火涂料在钢结构中的应用，前期以厚型防火涂料的研究为主。然而，大量火灾事故表明厚型防火涂料的性能无法满足钢结构的防火要求，研究人员开始将研究方向转变为薄型和超薄型防火涂料。国外钢结构防火涂料的主要生产厂家主要分布在一些发达国家，例如美洲的美国和加拿大、欧洲的英国和德国、亚洲的日本和韩国等，比较出名的厂家有加拿大的AD 防火有限责任公司、英国的Nullifire 公司、日本的SKK 公司等[2,3]。

国内在上世纪80 年代对防火涂料展开了大量研究，在90 年代发展迅速，研究历程同样是先对厚型防火涂料展开研究，然后再进行薄型和超薄型防火涂料的研究。在1987 年研制出厚涂型LG 防火涂料，接着又研制出薄涂型LB 防火涂料[4]。国内防火涂料的主要生产厂家分布在北京、上海、江苏、浙江、四川等大城市或经济发达地区。近些年来，我国钢结构防火涂料发展迅猛，在产品种类、技术性能、标准化程度等方面已经接近或达到国际水平[5]。

1.2 厚型、薄型和超薄型防火涂料的特点

1.2.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料为非膨胀型防火涂料，其涂层厚度较厚，一般为8～50mm，耐火极限可超过2h[3]，根据成膜物质的不同可分成基料为有机物的难燃性防火涂料和基料为无机物的不燃性防火涂料。厚型防火涂料主要利用硅酸盐水泥、石膏、地聚合物等作为粘结剂，膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等作为骨料，添加防水剂、硬化剂、改性剂等化学助剂以及水进行搅拌成拌合物，施工时将拌合物多次涂抹在钢结构表面以达到目标厚度，当目标厚度超过20mm 时可使用钢丝网进行加固。

厚型防火涂料的涂层较厚而且导热系数低，减少了热量向钢材的传递，同时在结构外层形成的釉状物质能够隔绝空气以及反射热量，进一步减少了热量向钢材内传递，延缓了钢结构的温升，从而保护钢结构。厚型防火涂料在高温条件下不会发生体积膨胀，在燃烧过程中不会释放有毒有害气体且防火性能优异，因此厚型防火涂料可用在钢结构中对耐火等级要求较高的梁、柱中。但是，较厚的涂层以及涂层表面较为粗糙的特点在一定程度上限制了厚型防火涂料的使用范围，目前厚型防火涂料多用在室内外隐蔽工程中[2]。

1.2.2 薄型和超薄型防火涂料

薄型和超薄型防火涂料均为膨胀型防火涂料，其中，薄型防火涂料的涂层厚度一般为3～7mm，而超薄型防火涂料一般小于3mm，耐火极限均可超过1h[3]。薄型防火涂料一般以水性聚合物作为基料，添加阻燃剂、发泡剂、炭化剂、颜填料等材料搅拌而成，而超薄型防火涂料一般为溶剂型体系。薄型和超薄型防火涂料通常采用喷涂、刷涂、辊涂等方式将涂料涂覆在钢结构表面，因此在施工前需要对钢结构的表面进行处理，包括表面净化和化学处理，经处理之后的钢结构表面应无锈、无油、干燥以及具有一定的粗糙度以提高涂层的附着力。由于薄型防火涂料需要进行多次涂覆以达到目标厚度，而每一次涂覆需等到上一次涂覆的涂层干燥了才可进行，因此需要施工场地明亮且避免阳光直射、空气清洁避免使涂层受到尘埃污染、相对湿度低于80%、温度保持在5℃～40℃之间、风速适宜等[6,7]。

薄型和超薄型防火涂料中有机物在高温条件下羟基化合物发生脱水吸收一部分热量、发泡剂进行分解释放大量不燃性气体以稀释可燃性气体、涂层发生膨胀形成炭化层能够隔绝可燃性气体避免钢结构直接暴露在火中，延缓了钢结构的温升，保护钢结构。薄型防火涂料具有涂层厚度较小、粘结性好、施工方便等优点，目前薄型防火涂料可用在体育馆、工业厂房等建筑中；而超薄型防火涂料的涂层厚度更小，施工更加方便、能够极大程度的满足钢结构对装饰性的要求，特别适用于对装饰性、防火性有较高要求的裸露钢结构中[2]。因此，现阶段超薄型防火涂料应用的最多，所占的市场份额亦最高[8]。

溶剂型超薄防火涂料中含有大量有机物质，在高温条件下释放大量有毒有害气体会对环境以及人员健康造成不利影响[9]。因此，有学者对无机膨胀型防火涂料展开了研究，张仁忠等[10]将低熔玻璃粉掺入成膜剂中制备防火涂料，结果显示该防火涂料在提高涂层强度和隔热性能的同时可减少88.7%的有毒气体。

2 防火涂料性能检测方法

相较于《钢结构防火涂料》(GB 14907-2002)，现行的《钢结构防火涂料》(GB 14907-2018)对钢结构防火涂料理化性能、耐火性能的检验项目、检测方法进行了修改，如表1 所示。目前耐火性能的检测是采用HN400×200 热轧H 型钢和36b 热轧工字钢作为试验基材，包括设置热电偶、涂覆涂料、测量涂层厚度、将试件安装在燃烧炉中、进行燃烧试验、试件加载等步骤，耐火极限以钢材失去承载能力或达到规定的平均温度时间来确定，其中承载能力以钢材的弯曲变形量为判断依据。但是，此方法的操作过程复杂、成本高，且只检测了防火涂料的宏观性能，而对于涂层中各组分的作用机理、有毒有害烟雾的排放情况未有提及，同时此方法仅能在室内实验室进行，而无法对室外现场防火涂料进行耐火性能检测。鉴于此，研究人员提出了若干种规范以外的检测方法。

表1 规范GB 14907-2002 与GB 14907-2018 的对比

2.1 锥形量热仪法

锥形量热仪根据材料在燃烧时消耗每克氧气燃烧热的平均值基本不变的原理来检测聚合物燃烧性能，能够获得释热速率、总释放热、有效燃烧热、点燃时间、烟及毒性参数、质量变化参数、比消光面积、总生烟量等检测结果。锥形量热仪是目前用于表征材料燃烧性能的最佳仪器，燃烧试验环境与材料燃烧的实际环境最符合，所测得的数据能够反映材料在进行燃烧时的变化。刘梦洋[11]利用锥形量热仪测试防火涂料的消光系数、比消光面积、总生烟量、CO 释放量、点燃时间、热释放速率等，进一步研究了防火涂料阻燃生烟的过程及特点。

2.2 热分析法

物质在加热或冷却过程中发生分解、熔化、吸附、脱附等变化过程中会出现吸热、放热、重量变化等，热分析法则是利用温度函数对这些变化进行分析，常见的热分析法有差示扫描量热法（DSC）、热重法（TGA）、差热分析法（DTA）等。薄型和超薄型钢结构防火涂料在高温条件下受热分解释放气体，因此可利用热分析法研究防火涂料在温度升高过程中发生的变化。于欢等[12]通过热重试验分析了不同配方下膨胀型防火涂料中涂层随温度升高的变化情况，揭示了防火涂料对钢结构的保护作用机理，对于防火涂料配方的设计具有一定作用。

2.3 扫描电镜法

扫描电镜法是利用电子扫描显微镜观察膨胀型防火涂料在燃烧后炭化层的表面形貌并进行分析，以此反映防火涂料的耐火性能。于欢等[12]利用电子扫描显微镜观察了不同配方下膨胀型防火涂料炭化层的表面形貌，经分析发现涂层发生膨胀是因为涂层表面达到临界温度会熔化成为高粘性液体，这些液体能够包裹反应过程中释放的低导热系数的惰性气体而形成气泡，导致涂层发生膨胀且厚度增大，延缓热量向钢结构传递。

2.4 红外光谱法

红外光谱法是利用傅里叶红外光谱仪测试防火涂料在燃烧前后的分子变化，以此对防火涂料中各组分展开性能分析。冯伟华等[13]以水性丙烯树脂、聚磷酸胺、季戊四醇、三聚氰胺为原料并添加少量氧化石墨烯制备了水性膨胀型防火涂料，通过红外光谱分析发现添加氧化石墨烯后，涂层的残炭中-OH、-CH2、C=O、P=O、P-O-P、P-O-C 特征峰更明显，这表明氧化石墨烯能够提升涂层的阻燃性能。

2.5 X 射线衍射分析法

X 射线衍射分析是利用晶体形成的X 射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。冯伟华等[13]对防火涂料进行了X 射线衍射实验，分别绘制了添加氧化石墨烯以及未添加氧化石墨烯时涂层燃烧残炭的XRD 曲线，结果显示添加氧化石墨烯的XRD 曲线中有较多尖锐的结晶峰，表明涂层在膨胀过程中生成了石墨化碳晶体，提高了防火涂料的耐火极限。

2.6 其他检测方法

上述提及的方法多用于室内实验室检测，有研究人员针对现场检测的方法展开了研究。王同喜等[14]研制了可以在现场检测防火涂料质量的控温电加热炉试验装置，该装置能够按照标准温升曲线升温，以防火涂料的膨胀厚度与背火面平均温升作为检测指标。张文彬等[15]将钢结构防火涂料与样品涂料进行外观比较、测试防火涂料喷涂厚度和粘结强度，同时研发了一种用于检测超薄型钢结构防火涂料现场耐火性的温控加热装置，通过模拟标准温升曲线对防火涂料性能进行检测，并与实验室标准炉耐火性试验进行比对，从而获取现场防火涂料的检测结果，为工程验收提供技术支持。

3 结语

虽然我国钢结构防火涂料发展较晚，但发展十分迅速，已经接近或达到国际水平。钢结构防火涂料主要分为厚型、薄型和超薄型防火涂料，其中超薄型防火涂料施工工艺简单、应用范围广，目前是钢结构防火涂料的第一选择。但是，超薄型防火涂料在高温条件下会释放有毒有害气体，因此新型环保、绿色无害的超薄型防火涂料将是科研人员的重点研究方向。

除了相关规范中提及的防火涂料耐火性能检测方法之外，目前仍有多种检测方法可用于薄型和超薄型防火涂料燃烧机理的分析与研究，对于防火涂料的配方设计能够提供理论支持，但对于厚型防火涂料检测技术的研究则开展的较少。

厚型防火涂料是通过粘结剂涂覆在钢材表面，如若发生脱落则会严重影响钢结构的安全性；薄型和超薄型防火涂料作为一种高分子有机化合物，长时间的日照雨淋必然会导致防火涂料性能劣化，对钢结构的安全产生潜在危害。因此，对于已经工作的防火涂料的性能检测及检测方法的研究亦是重点发展方向。