防火、保温和防腐一体化新型钢结构多功能涂层研究

王灏喆，常少华，代育恒，黄 灿，廖利勇，卢 柳

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

1 研究背景

随着国家的发展，人们的物质文化需求提高，环保的意识也在逐渐提高，这使得人们对于建筑的需求发生了根本性的转变，不仅要求建筑的实用性，更是在其中加入了环境保护的元素。在近几十年的发展中，中国由最开始的钢铁缺乏，到后来的快速增长，钢结构的加工制造技术也是逐渐发展到了成熟的水平，为中国的钢结构建筑物奠定了坚实的基础。从“十一五”规划到现在，中国的国家经济在转型，绿色的钢结构建筑出现是从实质上解决消耗过剩的钢材产能的方法[1]。钢结构的使用量现在是高居不下，如鸟巢的建立就使用了大量的钢结构。现在钢结构的使用量已经有了大幅度的提升，并且由于秉承着绿色环保主题，钢结构的使用量一直都是居高不下，但是目前在钢结构的防火、保温和防腐方面并没有太多成熟的技术，所以这些方面急需要得到提升。为了保证钢结构建筑的安全和正常使用，提高钢结构耐火耐高温极限、优化钢结构防腐措施是关键。目前，钢结构防腐措施主要是对钢结构涂刷防腐涂料，涂层兼具部分防火耐高温的功能。

本文依托安徽省滁州市天长市智慧秦栏美丽小城城乡一体化建设PPP 项目勘察设计项目（第一标段）。保证项目中各类钢结构建筑的安全、正常使用，需要对钢结构涂层进行进一步研究，保证涂层兼具防火、防腐及保温等功能，保障钢结构工程的质量和安全。

2 工程概况

安徽省滁州市天长市智慧秦栏美丽小城城乡一体化建设PPP 项目勘察设计项目（第一标段）位于安徽省滁州市天长市秦栏镇，项目包含孝文化公园（面积约18 hm2）、文化中心（面积约4 hm2）、孝子河综合治理（长度约6 km）、入镇节点及节点绿化。整个项目包含大量景观雕塑、文化艺术墙、小品设施等工程，工程内含大量钢结构工程，钢结构由于密度小、强度高、塑形和韧性好、安装施工快捷迅速、绿色等优点，在其中应用广泛，为了保证园林、文化馆等建筑的安全、美观，需要对钢结构涂刷防腐、防火涂料。

3 现有钢结构涂层的发展现状

3.1 厚涂型钢结构防火涂料的研究现状

厚涂型钢结构主要在2 个方面做到防火要求。第一是通过自身的属性，本身的成分是不燃烧的，并且具有低导热性和吸热性，从而起到减缓钢结构的温度的升高；第二是厚涂型防火涂料本身含有大量的卤化物，在火灾场中，由于温度升高，则会导致卤化物气体分解出来，从而起到隔绝氧气的作用，以此来阻碍燃烧速度，减缓钢结构温度的升高。

厚涂型钢结构防火涂料的优点很明显，但是它的缺点也很明显，最为显著的缺点就是装饰性差，不够美观，给人们的视觉效果不够好，因此用于隐蔽性的建筑物是比较多的[2]。并且厚涂型钢结构防火涂料属于硅酸盐类涂料，凡是硅酸盐类涂料都具有不耐水、防潮性差等问题，通常情况下都需要进行改良，加入一些有机高分子聚合物对其进行改良。

3.2 钢结构水性防腐涂料的研究现状

钢结构涂料采用单一的树脂防火涂料，由于它自身材料的单一性，导致了涂料具有很大的局限性。在进行改良的措施中，通常情况下是进行多种树脂的有机结合，从而起到提高性能的作用。水性涂料的防火效果虽然好[3]，但是它的交联密度低于溶剂型涂料，因此它的防腐蚀能力比较弱，所以通常是采用纳米粒子技术，以此来提升涂料的防腐蚀能力。也可以利用聚苯胺的防腐属性，用聚苯胺结合树脂，因为聚苯胺可以在界面形成绝缘保护层，来提高涂层的防腐性[4]。

4 防火、保温和防腐一体化新型钢结构多功能涂层体系设计

4.1 基本设计原则

钢结构的基本设置原则往往是由钢结构所处的环境决定的，此外还需考虑到环境保护的问题和寿命的周期性问题等。

4.2 钢结构的腐蚀环境

绝大多数的钢结构材料通常是处于腐蚀环境中，在这样的环境下，钢结构材料的使用往往需要从各种方面进行优化。腐蚀有很多种，电化学腐蚀是最为普遍的。钢结构经常处于被腐蚀状态，通常情况下金属表面会被优先腐蚀。在设计的全过程也要考虑到是否会对环境和钢结构等造成一些不良影响。外部的腐蚀因素也包括当地的气候特点[5]。

钢结构的腐蚀是钢结构建筑面临的一个不可忽视的重要问题，中国的钢结构建筑物每年由于腐蚀带来的结构破坏，造成了建筑物的失稳，占比达到建筑物失稳总数的50%之多，造成了大量的经济损失[6]。钢结构涂料的涂抹是很可靠的技术手段，可用来保证钢结构不被腐蚀和破坏。

4.3 钢结构的耐火极限

钢材虽然不是燃烧材料，但是它具有熔点，当达到它的熔点时，就会融化，并且钢材的熔点普遍不高。钢结构的强度在温度低于200 ℃的时候，几乎没有明显的变化；当钢结构的温度一旦高于430 ℃的时候，就会出现强度急剧下降的状态；当钢结构的温度一旦超过600 ℃的时候，钢结构就会完全地失去强度，将不会再具有承载力，并且部分会发生融化，造成变形，造成钢结构建筑物的失稳。在钢结构建筑物建设过程中，普遍情况下认为540 ℃为钢结构承受温度的临界温度。钢结构建筑物防火设计规范规定的耐火极限如表1 所示。

表1 钢构件的耐火极限（单位：h）

根据以往发生过的火灾情况来看，火场的温度会在短短的20 min 内就达到800 ℃。钢结构的防火，一方面是可以减少钢结构在火灾中造成的破坏，另一个方面是可以有效减少火灾所造成的经济损伤[7]。

钢结构的防火涂料一般有4 个方面的作用。第一个方面是涂料本身是难燃物或者是不燃物，它可以有效隔绝空气，降低燃烧的速度；第二个方面是涂料本身的导热性能比较差，可以有效延迟钢结构的升温；第三个方面是在涂料中存在惰性气体，在火灾时期，涂料由于受热的原因，就会将惰性气体释放出来，起到隔绝氧气的作用，从而可以起到降低钢结构的起火程度；第四个方面是涂料中存在膨胀性的材料，由于膨胀性材料的加入，在受热情况下，会形成一系列的泡沫状物体，以此来隔绝空气，可以起到阻碍温度向钢结构传递[8]。

4.4 钢结构涂层的制备

制备涂层需要钢板试件的制备，钢板的选择为Q235 钢材，将钢材切割为3～4 块尺寸为200 mm×100 mm×50 mm 的钢板，在涂刷涂料前需要对钢板进行除灰，除锈打磨，打磨出金属光泽为止，并且需要用丙酮对其进行除油处理，以提高涂料在钢板上的附着能力。钢结构涂料通常在优化设计过程中使用无机复合材料，使用多功能的钢结构涂料。这个钢结构涂料有2 个属性，第一个属性是防火保温，第二个属性是防腐[9]。另外，在这个钢结构的制作过程中还要加入适量的水。为了改变质量，在防火涂层的过程中，使用传统消泡剂，防火常用制剂通常性能优异，其耐火条件会相对提高，使耐火温度达到一个合适的温度。在很多方面，我们还将采用具有防腐功能和防火性能的涂料，可以实现一定程度的防火和保温、防腐一体化等。

4.5 性能测试

在制备钢结构的涂料完成后，需要进行一系列的性能测试。通常是包含了涂膜的表干时间测试、涂膜的实干时间测试、防腐性能测试、防火性能测试。

涂膜表干时间的测试是在钢板的表面进行涂膜处理，然后晾干一段时间，采用吹棉球法，将棉球轻轻放在表面，吹动棉球，如果没有在表面留下棉丝，则表示已经达到表干，所需要的时间就是表干时间；涂膜实干时间的测试是在涂膜的表面上放置棉球，然后用重物压在棉球上，过1 min 后将重物拿开，棉球可以自由脱落，则表示此时钢结构涂膜达到实干，所需要的时间为实干时间；防腐性能测试就是将试件涂抹完成后放在水和饱和氯化钠溶液中，等过一段时间看有没有生锈、气泡、变色等，当钢结构试件完成不发生变化的最久时间就是防腐性能指标；防火性能测试就是将钢结构试件放在电阻炉中煅烧，看在煅烧的过程中，钢结构试件有没有发生变形、脱落等，当钢结构试件不发生变化的最久时间就是防火性能指标。

4.6 一体化涂层施工工艺

针对防火、保温和防腐钢结构一体化涂层工艺，第一步是需要进行钢结构表面的处理，钢结构表面通常会铺满灰尘和有锈迹，需要将灰尘进行清除，对表面的锈迹进行打磨处理，待到打磨出金属光泽，再将钢结构防腐底漆进行涂刷[10]；第二步是待钢结构防腐底漆涂刷后，需要将钢结构防腐底漆干燥24～28 h，待到钢结构防火底漆干燥后，就可以准备涂刷钢结构防火涂料；第三步是涂刷钢结构防火涂料，钢结构防火涂料在施工时候通常是采用刮涂或者喷涂的方式，每次涂刷的厚度平均为3～5 mm，厚度没有明确的限制，可以根据施工员自己的标准掌握，涂刷完一次后，需要间隔24 h 左右，待到上一次涂刷的防火涂料干燥后进行下一次的涂刷，直到涂刷厚度达到18～20 mm为止，然后进行干燥处理即可。注意钢结构防火涂料为干粉材料，在涂刷时候需要加入合适的水进行搅拌。

5 结语

随着中国社会经济的发展，对于钢结构的利用率也是越来越高，钢结构的防火、保温和防腐是目前钢结构利用急需要解决的问题。在实际的应用中，各种的钢结构涂料，比如厚涂型、水性等都是利用率较高的，但是它们存在着各自的缺点，还有需要改进的地方。因此，根据中国目前的现状，在现有的技术水平、经济基础的前提下，结合中国对于钢结构涂料的需要，研究一种钢结构涂料可以起到防火、保温和防腐一体化，是中国钢结构涂料方面亟需完成的一项重要任务。