解读钢结构防火涂料及其防火机理

　　随着我国国民经济的发展，建筑业日益兴旺发达，高层建筑蓬勃发展，建筑结构形式日新月异，建筑高度不断上升，跨度也越来越大，各种大型的建筑物，如体育场馆、剧场、商业中心、公共娱乐场所、大型的厂房、高架仓库以及大型农贸市场等如雨后春笋般地涌现出来。他们的共同特点除了大型、高程、人员密集以外，最主要的一点就是大多采用钢结构来作为承重构件。总体来说，钢结构由于具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工快、建筑基础费用低、结构占用面积少、工业化程度高等诸多优点而得到了人们的普遍重视。
目前，我国钢产量已达到一亿吨/年以上，而建筑钢结构用钢量粗算仅为80万吨/年，仅占钢材年产量的0.8%左右。有鉴于此，2000年5月建设部、国家冶金工业局建筑用钢协调组在北京召开了全国建筑钢结构技术发展研讨会，建设部和国家冶金工业局的领导在会上作了重要的指示。钢结构住宅已被列为建设部“十五”期间重点科技开发项目。为此，我国还确定了2010年建筑用钢发展目标，按照规划，从2010年起，每年中国钢结构建筑用钢量将达到钢材总产量的5%以上，并且在21世纪我国民用住宅建筑将会越来越多地采用钢结构。
从燃烧性能的角度看，钢材和与木材不同，它是不燃烧体，即在火灾中钢构建本身并不着火。然而从防火安全的角度看，钢构建的耐火性能却是很差的。这是由于钢材极易导热，在火灾的高温环境中，钢构件的强度会很快损失，蠕变加剧，以致发生塑性变形、产生局部的破坏、丧失支撑能力而引起结构的垮塌或失稳。一般来讲，裸钢的耐火极限通常只有15到30分钟，在高温下其强度将急剧下降。当自身的温度达到540℃以上时，钢材的力学性能迅速下降；而当温度达到600℃时，钢材的强度几乎为零，因此说钢材的耐火性能很差。资料报道的一些钢材火灾试验的结果也表明，当温度为200℃时，钢材的抗拉强度为411MPa；当温度升至485℃时，其抗压强度为273 MPa；当温度升高到614℃时，其抗拉强度仅为69 MPa，只有钢材原有强度的17%。就构建的挠度变化而言，当钢梁的温度升高到700℃左右时，其挠度变化已经超过13.3%，并很快失去支撑能力。因此可见，不作防火保护的钢构件，其火灾危险性是非常大的。
一般来说，钢结构火灾具有如下特点：
第一，钢结构垮塌快、扑救难。钢结构建筑发生火灾后，裸露的钢构件在烈火围困之中，一般只需十几分钟便会丧失支撑能力，随即变形塌落。若是火场离消防队稍远或是报警不及时，当消防人员到达现场时，钢架已经烧毁或很快就会垮塌了，有时只能扑救余火。由于钢结构垮塌快，给抢救带来威胁，还妨碍了灭火人员靠近建筑物扑救火灾。
第二，钢结构火灾的影响大、损失重。采用钢结构的建筑物往往都是大型的大跨度厂房、仓库、礼堂、影剧院、体育馆及高层建筑物等，不管是工业建筑还是民用建筑，一旦发生火灾，都将造成重大的经济损失。
第三，钢结构建筑物易毁坏、难修复。由于建筑物是以钢构建作为梁、柱或屋架等承重构件的，在火灾中往往因钢结构构件的变形而失去支撑能力，进而导致建筑物部分或全部坍塌毁坏。火灾后，钢构件往往已变成了“麻花状”或“面条式”，的废物，变形后的钢结构无法修复使用。
根据我国有关建筑设计防火规范的要求，建筑中的钢构件视承重情况及使用情况的不同，耐火极限要求也从0.5h到3.0h不等，因此必须实行防火保护以保证结构安全。
钢结构防火涂料的技术指标
1.一般要求
①用于制造钢结构防火涂料的原料应不含石棉和甲醛醛,不宜采用苯类溶剂。
②涂料可用喷涂、抹涂、刷涂、辊涂、刮涂等方法中的任何一种或多种方法方便地施工,并能在通常的自然环境条件下干燥固化。
③复层涂料应相互配套,底层涂料应能同普通的防锈漆配合使用,或者底层涂料自身具有防锈性能
④涂层实干后不应有刺激性气味。
2.钢结构防火涂料的物理化学指标

室内钢结构防火涂料的物理化学指标应满足表8-52的规定。

3.钢结构防火涂料的耐火性能指标

钢结构防火涂料的防火机理
按照GB14907-2002《钢结构防火涂料》的定义，钢结构防火涂料根据其涂层的厚度以及性能特点被称为超薄型、薄型和厚型三类。
超薄型钢结构防火涂料（CB类），的涂层厚度小于或等于3mm，薄型钢结构防火涂料（B类）的涂层厚度大于3mm且小于或等于7mm。这两类涂料均具有一定的装饰效果，高温时膨胀增厚，形成的膨胀层具有很好的耐火隔热作用，人们通常称这两类涂料为膨胀型钢结构防火涂料。厚型钢结构防火涂料（H类）的涂层厚度大于7mm且小于或等于45mm。它们呈现粒状面，自身的密度较小、热导率较低，耐火极限可以达到0.5到3.0h，人们通常称这种涂料为隔热型钢结构防火涂料。所有钢结构防火涂料又可分为室内和室外两种使用类型。
钢结构防火涂料涂覆在钢基材表面，对钢结构进行防火保护，用以防止钢构件在火灾中迅速升温所带来的强度损失、挠曲变形以及可能进一步引起的结构垮塌现象。其防火隔热机理可以概括为以下三个方面的作用。
① 涂层不燃或不助燃，对钢基材起着屏蔽和防止热辐射的作用，隔离了火焰，避免钢构件直接暴露在火焰或高温中。
② 涂层中的一部分物质吸热和分解放出水蒸气、二氧化碳、氨气、卤化氢等各种不燃性气体，起到了消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。
③  防火涂料保护层最主要的作用是涂层本身多孔轻质或受热膨胀后能形成多孔轻质的碳化泡沫层，它们的热导率很低，一般均在0.23W/(m·K)以下,能够有效地组织热量向钢基材的传递，推迟了钢构件升温到达极限温度的时间，从而提高了钢结构的耐火极限。对于厚型钢结构隔热防火涂料来说，涂层厚度为几厘米，在火灾中基本保持不变，其自身密度小、热导率低；对于薄型和超薄型钢结构膨胀防火涂料来说，涂层在火灾中由几毫米可以膨胀到几厘米，热导率明显降低，比厚型防火涂料的隔热效果还要明显。
总体来说，钢结构实施防火涂覆保护，必须确保足够的防火涂层厚度，在火灾中涂层的导热率要小，单位时间内传给钢基材的热量少，防火隔热效果才更好。