（化工过程机械专业论文）超薄膨胀型钢结构防火涂料配方研发.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 钢结构在国内外建筑业中的应用日益广泛，但是其耐火性能差，耐火极限仅为 1 5 r a i n 。钢结构防火保护的目的就是提高耐火极限，防止其在火灾中迅速升温产生变 形、坍塌，从而为消防灭火和安全疏散赢得宝贵时间，避免或减少火灾造成大量的人 员伤亡和巨大的经济损失。 在各种防护措施中，直接喷涂防火涂料是最可靠、最经济的方法。超薄膨胀型防 火涂料是二十世纪9 0 年代兴起的一种新型防火涂料，具有优良的防火性能和装饰作 用，有着广泛的适用性。本文对其配方研制及其防火机理进行了研究。 试验选用磷酸二氢铵作脱水成炭催化剂、三聚氰胺作发泡剂、季戊四醇作成炭剂 来研究阻燃体系各组分对涂料防火性能的影响。首先在一系列初步试验和既有文献的 基础上确定阻燃体系三组分的三水平；然后通过简易耐火试验装置对阻燃体系进行正 交试验，以其耐火时间作评价指标。对试验结果采用l “确正交试验表分析后可知： 在阻燃体系中，发泡剂对其阻燃性能影响最大，成炭剂次之，催化剂较小；确定本次 试验中阻燃体系最优试验配比为 磷酸二氢铵：三聚氰胺：季戊四醇= 1 6 9 ：2 1 2 ：6 3 。 通过理论分析，推断出超薄膨胀型防火涂料的各个作用过程及内部可能发生的反 应，提出在其热分解过程中，无机炭质层的强度和粘度对防火涂料的耐火时间起着至 关重要的作用。试验发现，加入适量颜填料可以提高炭质层的强度、改善涂料的物理 性能，其中二氧化钛最佳含量( 质量分数) 为5 3 ，氧化锌为2 6 。 关键词：钢结构、防火涂料、超薄膨胀型、阻燃体系 西北大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r e s c r i p t i o no fs u p e r - t h i ni n t u m e s c e n tf i r e r e t a r d a n t c o a t i n g sf o rs t e e is t r u c t u r e s a b s t r a c t s t e e ls t r u c t u r ei si n c r e a s i n g l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya th o m ea n da b m a d b u t i th a sd i f f i c u l t yi nr e s i s t i n gf i r e i t sf i r e p r o o fl i m i to fs t e e lf o ra r c h i t e c t u r ei so n l y1 5 m i n t h ea i mt op r o t e c ts t e e ls t r u c t u r ef r o mf i r ei st oi n c r e a s ei t sf i r e p r o o fl i m i t ，t h u sp r e v e n t i n g d i s t o r t i o n , e v e nc o l l a p s er e s u l t i n gf r o mt h es h a r p l yi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h e r ew i l lb e m o l et i m ef o rf i r e m e nt op u td o w nt h ef i r ea n de v a c u a t ep e o p l e s ol o t so fc a s u a l t i e sa n d h u g ee c o n o m i c a ll o s sc a u s e db yt h ef i r ew i l lb ea v o i d e do rr e d u c e d a m o n g a l lt h ep r o t e c t i o nm e t h o d so fs t e e ls t r u c t u r e s ，i t st h em o s te f f e c t i v e ，e c o n o m i c a l ， a n dp r a c t i c a lt os p r e a df i r er e t a r d a n tc o a t i n g so nt h e md i r e c t l y an e wt y p eo fs u p e r - t h i n i n t u m e s c e n tf i r er e t a r d a n tc o a t i n g sw i t he x c e l l e n tf i r e p r o o fp e r f o r m a n c ea n dd e c o r a t i o n w a sm u c hd e v e l o p e di n1 9 9 0 s i tc o u l db eu s e dw i d e l y p r e p a r a t i o na n df i r e p r o o f m e c h a n i s mo fs u p e r - t h i nf i r er e t a r d a n tc o a t i n g sw e r es t u d i e di nt h ep a p e r m o n o b a s i ca m m o m u mp h o s p h a t e a d p ) w a ss e l e c t e da s d e h y d r a t i n ga g e n t , a n d m e l a m i n e ( m e da sb l i s t e r , p e n t a e r y t h r i t o l ( p e r ) a sc a r b u r e t a n td u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h e e f f e c to ft h ec o m p o n e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo ff i r er e t a r d a n tc o a t i n g sw a ss t u d i e d f i r s t l y , t h r e el e v e l so ft h r e ef a c t o r si nt h ef i r er e t a r d a n ts y s t e mw e r ed e t e r m i n e db a s e do nas e r i a l o fp r e p a r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dt h eg i v e nl i t e r a t u r e s e c o n d l y , t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tf o rf i r er e t a r d a n ts y s t e mt h r o u g hs i m p l ef i r e p r o o fe x p e r i m e n t a ls e t t i n g t h ef i r e p r o o ft i m ew a se v a l u a t e di nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s a na n a l y s i so ft h er e s u l t s t h r o u g hi 母( 3 o r t h o g o n a lt a b l ei n d i c a t e dm e lh a dt h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nf i r 印r o o f p e r f o r m a n c eo ff i r er e t a r d a n tc o a t i n g si nt h ef i r er e t a r d a n ts y s t e m , n e x tp e r , l a s ta d p t h e o p t i m a lr a t i oo fp r e s c r i p t i o nw a sd e t e r m i n e da s a d p ：m e l ：p e r = 1 6 9 ：2 1 2 ：6 3 t h e o r e t i c a l l y , e v e r yp r o c e s sa n dt h ep o s s i b l er e a c t i o ni ns u p e r - t h i ni n t u m e s c e n tf i r e r e t a r d a n tc o a t i n g sw e r ed e d u c e d i tw a sp r o p o s e dt h a tt h es t r e n g t ha n dv i s c o s i t yo f i n o 唱a n i cc h a r r i n gl a y e rw e r ek e yf a c i o 体t ot h ef i r e p r o o ft i m ed u r i n gt h ed e c o m p o s i n g p r o c e s so fs u p e r - t h i ni n t u m e s c e n tf i r er e t a r d a n tc o a t i n g sf o rs t e e ls t r u c t u r e s i tw a sf o u n d t h a ts t r e n g t ho fc h a r r i n gl a y e rw a se n h a n c e da n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g sw e r e i m p r o v e dw h e np i g m e n t sa n ds t u f f i n g sw i t ha p p r o p r i a t ea m o u n tw e r ea d d e d t h eo p t i m a l a m o t m t ( q u a l i t yp e rc e n t ) o ft i 0 2w a s5 3 a n dt h a to fz n ow a s2 5 k e y w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e s ，f i r er e t a r d a n tc o a t i n g s ( f r c ) ，s u p e r - t h i ni n t u m e s c e n t ，f i r e r e t a r d a n ts y s t e m 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保 证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：! 逸指导教师签名：缓，匠垦 驯年月日缈7 年矽月3 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：营讯 州年g 旯3 日 西北大学硕士学位论文 第一章钢结构及其防火概述 1 1 钢结构在我国的发展现状及其应用场合 经济和社会的迅速发展推动了建筑用材的不断升级和换代，使得大型建筑不断增 多l l 】。据1 9 9 5 年的统计资料，我国建成的1 0 0 幢超高层建筑中钢结构占3 7 ，如北 京1 5 6 4 m 高的国贸中心，上海1 8 3 5 m 高的新锦江大酒店，深圳1 6 5 m 高的发展中心 和3 1 0 m 高的地王大厦等口i 。截至1 9 9 8 年底，世界上2 0 0 m 以上的高层建筑中钢结构 占7 2 。在全世界最高的1 0 幢建筑中，全钢结构占5 幢，钢与混凝土混合结构有5 幢，见表1 1 聊。从目前的发展趋势看，钢结构将是未来超高层建筑等大型建筑的主 要形式1 4 】。 表l - l 世界”幢最高的高层建筑( 尹j 1 9 9 8 年) i i h b 1 - 1t h et o p 加h i g h e s tb u i l d i n g sa r o u n dt h ew o r l d ( u n t i l1 9 9 8 ) 钢混结构一直是建筑物的主要结构型式，但随着建筑物的高层化，建筑物跨度的 不断增大，致使钢混结构出现“肥梁”、。胖柱”的现象日渐突出。钢材以其高强度、 体积小、制造与安装方便等诸多优点，有效地弥补了钢混结构的不足，愈来愈广泛地 应用于建筑结构，成为重要的建筑结构材料f 5 】建筑钢结构具有性能稳定、质轻而高 强、加工精度高、装配性能好、施工周期短、对环境破坏小、可回收能力高等优点， 被誉为现代社会的“绿色建筑”，中小型建筑等都采用了钢结构1 6 ) 。 改革开放2 0 多年来，中国钢产量以每年3 0 0 万吨以上的增长速度发展，目前已 成为世界上产钢量最多的国家 7 1 。从1 9 9 6 年开始，我国钢产量超过1 亿吨，2 0 0 0 年 达到1 2 8 5 0 万吨，占世界钢产量的1 5 8 ( 未包括台湾的1 6 8 0 万吨) ，居世界之首， 这是发展我国钢结构的重要物质基础。自二十世纪年代以来，我国的钢结构建筑 西北大学硕士学位论文 不论是工业还是民用，建筑物和超高层民用建筑物均广泛采用钢结构i s 。据悉，2 0 0 8 年在北京举办的奥运会的体育场全部采用钢结构型式 9 1 。但是，据资料显示，我目前 钢结构建筑面积占总施工面积的比例还不足5 ，而在日本、韩国等发达国家，钢结 构建筑占总施工面积的比例则己超过4 0 6 1 。在美国，按钢材产量统计，其建筑用钢 占总产量更是高达5 0 ，这就是美国、加拿大钢结构行业发展迅速的原因之一1 1 0 l 。为 此，建设部、国家冶金工业局成立了建筑用钢技术协调小组制定了建筑用钢发展计划； 争取到2 0 1 0 年我国建筑钢结构用钢达到钢材总产量的5 左右( 我国1 9 9 9 年建筑钢 结构用钢占钢产量的比例仅有1 5 ，发达国家建筑用钢占钢材总产量的比例都在1 0 以上) p ：l 。我国国家建筑钢结构产业“十五”计划和2 0 1 5 年发展规划纲要( 草案) 提出了大力推广应用钢结构，对钢结构产业的发展制定了方向i a 建筑钢材按应用形式，可大体上分为结构用钢材和混凝土用钢材两类，结构用钢 材一般单独作为钢柱钢梁使用 2 1 。钢结构是钢材制成的工程结构，通常由各种型钢等 制成的柱、梁、桁架、檩条等构件组成，具有以下特点： 建筑钢材塑性韧性好； 钢结构的强度高，重量轻：结构的轻质性可以用材料的质量密度p 和强度。的比 值a 来衡量，a 值越小，结构相对越轻。钢结构a 值等于1 7 3 7 x1 0 4 m ；木材为5 4 x 1 0 4 m ：钢筋混凝土约为1 8 x1 0 4 m 。以同样跨度承受同样的载荷，钢屋架的重量一 般为钢筋混凝土屋架重量的1 3 1 4 ，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1 1 0 m l ； 钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体；钢材生产控制严格，质量稳定。钢结构 的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，因此其可靠性高； 钢结构制作简便，施工工期短：钢结构是工程结构中工业化程度最高的一种建筑 结构。采用轻钢结构可缩短住宅建设周期，提高建房速度4 1 0 倍； 钢结构密闭性能好； 耐热性好：结构表面温度在2 0 0 * ( 2 以内时，钢材强度变化较小，因而钢结构适于热 车间。但结构表面长期受辐射热达到1 5 0 时，应采用隔热板加以保护； 绿色环保，可以回收，可重复利用。 在我国，建筑钢结构主要应用于以下几个方面： ( 1 ) 轻型钢结构工业厂房 轻钢结构是近十年来发展最快的一类结构。据估计，我国轻钢结构每年的总增长 西北大学硕士学位论文 量近2 0 0 万m 2 ，全国每年约有4 0 0 万m 2 轻钢建筑竣工，差不多相当于我国建国以来 4 0 多年的全部轻型钢结构建造量【1 “6 1 。 ( 2 ) 大跨度空间结构 空间结构几乎都是钢结构，我国号称“网架王国”，网架在我国应用的非常广泛， 中国钢结构中网架的发展在世界上已处于领先地位m 。对于体育馆、大会堂、展览馆、 候机楼等大型公共建筑的屋盖以及装饰性的棚架、门厅等，网架仍是首选方案哪，j 。 ( 3 ) 多层和高层建筑 目前超高层建筑、大空间建筑必须使用钢材建造，高层建筑钢结构近年来雨后春 笋般的拔地而起，发展很迅速i 枷” ( 4 ) 高耸结构 输电线路塔架、广播电视发射塔、环境气象塔、火箭发射塔等高耸结构采用钢结 构。 ( 5 ) 钢结构住宅建筑体系 钢结构住宅建筑通用体系与其它类住宅通用体系相比其建筑物的重量可减轻 3 0 ，有利于建设高层民用住宅：再有，采用轻钢结构比砖混结构，其楼房使用面积 可提高5 左右，建设成本比混凝土结构降低1 0 以上瞄i 。 ( 6 ) 钢与混凝土组合结构 主要有组合楼板、用于高层建筑下部楼层和高层钢结构地下部分的钢骨混凝土 柱、多高层建筑的局部和整体的钢管混凝土柱。 ( 7 ) 大跨度桥梁 跨度较大的铁路、公路桥梁多采用钢结构制造。 ( 8 ) 可拆卸或移动的结构 如水利闸门、各种起重机、移动式采油平台、装配式活动房屋、流动展览馆、军 用桥梁等，采用钢结构较为合适。 ( 9 ) 承受震动载荷影响及地震作用的结构 地震多发地带的建筑较多的采用钢结构建筑。 1 2 钢结构的建筑特性 1 2 1 钢材在燃烧中的基本力学性能 在建筑结构中广泛使用的普通低碳钢材力学性能随温度的变化特性为： 西北大学硕士学位论文 当钢材温度在3 0 0 1 2 以下时，由于蓝脆现象，极限强度较常温时略有提高；温 度超过3 0 0 ，强度开始下降；温度达到5 0 0 时强度降低约为5 0 ，5 4 0 【2 左右屈服 应力仅有其常温屈服应力值的4 0 ，6 0 0 时降低约为7 0 。在高温下钢材强度随温 度升高而降低，降低的幅度因其温度高低和种类而不同。一般钢材强度随温度变化规 律如下图1 1 们所示： 锕材温度， 图i - i 钢材高温时强度变化 f i g 1 - 1t h ei n t e n s i t yc h a n g eo f s t e e li nh i g ht e m p e 船h i r e 钢材的弹性模量随温度升高而降低，但降低的幅度比强度降低得小。高温下弹 性模量的降低与钢材种类和强度级别没有多大关系。一般假定钢材的应力一应变曲线 如下图1 - 2 i n 所示： 砰 置 - 譬 b e 图1 - 2 钢材高温时o c 变化 f 培1 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r e s sa n d $ 1 1 a i l lf o rs t e e li nh i g ht e m p e r a t u r e 钢材的伸长率和截面收缩率随着温度升高总的趋势是增大的，表明高温下钢材 塑性性能增大，易于产生变形。 钢材在一定温度和应力作用下，随时间的推移，会发生缓慢塑性变形，即蠕变。 蠕变在较低温度时就会产生，在温度高于一定值时比较明显，对于普通低碳钢这一温 度为3 0 0 3 5 0 ，对于合金钢为4 0 0 c 4 5 0 c ，温度越高，蠕变现象愈明显。蠕 变不仅受到温度的影响，而且也受到应力大小的影响，若应力超过了钢材在某一温度 下屈服强度时，蠕变会明显增大1 2 1 1 2 2 钢材耐火极限低 科学试验和火灾实例都表明：以失去支持能力为标准，未加保护的钢结构( 钢柱 毯豫琏段簌忙 西北大学硕士学位论文 和钢屋架) 在火灾温度的作用下，这个过程仅有0 z 5 h o s m i ) ，即钢材的耐火极限。 温度在2 0 0 以内，可以认为钢材的性能基本不变；达到6 0 0 ( 2 时，基本已经失去承 载能力州。钢构件失去承载能力时的温度称为临界温度泌l 。我国2 0 世纪9 0 年代初对 裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了1 3 6 b 、1 4 0 b 标准工字钢梁的耐火极限分别为 1 5 r a i n 、1 6 m i n ( 见图1 3 ，其中b 为标准升温曲线；c 为实际升温曲线；d 为钢梁形变 曲线1 吲。 8 0 0 7 0 0 g ： 娥 2 0 0 1 0 0 o 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 图1 3 裸露钢1 3 6 b 标准工字钢粱在标准火条件下的耐火极限 f i g 1 - 3 t h e f i r e p r o o f l i m i t o f n a k e d l 3 6s t a n d a r ds k e i ng i f d c f u n d e r s u m l a r d f i r e 钢材在高温下屈服点降低是决定钢结构和钢筋混凝土结构耐火性能的最重要因 素。钢材耐火极限低的一个原因是钢材的热导率高。虽然钢材是不燃物，在火的作用 下不会发生燃烧，但是钢材极易导热，其常温热导率x 高达5 8 2 w ( m 目，约为混凝 土的4 0 倍，钢结构受火焰影响比混凝土结构要严重得多。随着钢材温度升高，热导 率逐渐减小，当温度达到7 5 0 时，热导率几乎变成了常数，约为3 0 w ( m 1 尸，致 使其强度会随着温度的升高而降低，因而钢材不能抵御火灾、怕火烧。严格说来，钢 材表面受到火烧时，其表面温度高，内部温度低。根据傅里叶定律，热流强度与温度 梯度成正比，即： ，d t 鼋咀石 式( 1 - 1 ) 表明，当构件表面受热时，由于 较大，热量可很快传到其内部，因 而温度梯度d t d x 很小；加之钢构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。 因此，可以认为构件内部温度均匀分布。 根据理论计算，在全负荷情况下，使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为 嵌嫩高旃目 西北大学硕士学位论文 5 0 0 1 2 左右，而一般火场温度达到8 0 0 1 0 0 0 c 。国际标准火灾升温曲线公式为： t 一1 b = 3 4 5 1 酞8 t + 1 )( 1 2 ) 式( 1 - 2 ) 中：t - 对应t 时刻的火场平均空气温度( ) ；t o 一火灾发生前室内平 均空气温度，一般取为2 0 ；卜一时间( m i n ) 。 由上式可知，在火灾发生的1 0 分钟内，火场温度可达到7 0 0 1 2 左右例。因此当钢 材局部或表面遭受火灾作用时，热量可在钢材内部迅速传递，将引起整个结构或构件 温度急剧升高，致使结构强度降低或完全丧失承载能力1 7 1 。 钢材耐火极限低的另一原因是其内部存在缺陷。一方面，在火灾作用下，由于温 度升高，原子动能增大，原子离开平衡点形成的空位增多，削弱了原子间的结合力； 另一方面，在载荷作用下，空位容易形成应力集中，因此在火灾和载荷的共同作用下， 钢材首先从空位处开始破坏，并逐渐向周围扩展。钢材由局部到整体破坏所需时间很 短，因此耐火极限很低。 1 2 3 钢结构的耐火极限要求 根据g b j 6 建筑设计防火规范、g b 5 0 0 4 5 高层民用建筑设计防火规范、g b 5 0 1 6 石油化工企业设计防火规范等对各类建筑的燃烧性能和耐火极限的要求，当采用钢材 作相应的构件时，钢构件的耐火极限不应低于表1 2 的规定阳在国家标准钢结构 设计规范中指出：“当结构的表面长期受辅射热达1 5 0 以上或在短时间内可能受到 火焰作用时，应当采取有效的防护措施”嘲 表1 - 2 钢构件的耐火极限要求 1 i 出。1 - 2 r e q u i r e m e n t s o f t h e f i r e p r o o f l i m i t f o r s t e e l c o m p o n e n t s 耐火极限h 耐火高层民用建筑 一般工业与民用建筑 等级 柱粱楼板、屋顶支撑多支撑单粱楼板屋顶承 承重构件层的柱层的柱重构件 一级 3 2 0 01 5 03 2 5 0 2 1 5 0 1 - 5 0 二级 2 j 01 5 01 2 5 02 1 5 01 0 5 0 三级 2 5 02 1 0 00 5 0 四级 0 5 0o 5 0o 2 5 1 3 钢结构的火灾危险性 1 3 1 国内外的钢结构火灾案例 社会生活中，火灾是威胁公共安全、危害人们生命财产的灾害之一，对国民经济 西北大学硕士学位论文 和人类环境造成巨大经济损失和人身伤亡。据发达国家1 9 8 0 年的统计，火灾直接损 失平均约占国民经济生产总值的o 2 o 3 ，死亡率达十万分之二左右。我国的火 灾损失呈增长趋势，年平均增长率为2 4 3 ，以2 0 0 4 年为例，全国共发生火灾2 5 2 7 0 4 起，死亡2 5 5 8 人，伤2 9 6 9 人，直接财产损失1 6 7 亿元( 不包括森林、草原、军队、 矿井地下火灾) 【冽。我国火灾统计中，城市火灾占很大比例。 国外的钢结构火灾案例主要有：1 9 6 7 年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢 结构屋顶被烧塌；1 9 7 0 年美国5 0 层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被 烧扭曲l o 厘米左右；1 9 7 0 年8 月5 日，美国纽约宾馆( 地下3 层，地上5 0 层，钢结 构框架外包混凝土结构) 第3 4 层发生火灾，3 3 层至3 5 层烧毁，死亡2 人，烧伤5 0 人，经济损失约千万美元，主体钢结构损坏不大；1 9 8 8 年5 月4 日，美国洛杉矶市第 一国际银行( 钢结构，6 2 层) 发生火灾，有4 个楼层被全部烧毁，直接经济损失几亿 美元，由于用混凝土和金属板条保护钢结构，钢梁和钢柱没有受到较大损坏；1 9 9 0 年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严 重破坏；2 0 0 1 年9 月1 1 日，“9 1 1 事件”中被飞机撞毁的纽约世界贸易大楼姊妹楼， 事后专家分析认为，其实飞机并没有将大楼撞倒，而是由于飞机在撞到大楼的同时破 坏了大楼钢结构的防火涂层，航空煤油爆炸后引发高温燃烧，使得钢结构暴露在熊熊 烈火中，在一个多小时后，结构软化，强度丧失，两幢4 2 0 m 高的钢结构摩天建筑先 后轰然坍塌，造成近4 0 0 0 人命丧废墟，损失多达3 6 0 亿美元，给周边地区的经济以 沉重的打击 3 1 2 2 1 国内的钢结构火灾案例主要有：1 9 6 0 年2 月1 8 日，重庆天原化工厂钢屋架厂房 遇火灾，2 0 m i n 倒塌刚；1 9 6 9 年1 2 月1 9 日，上海文化广场8 6 0 0 m 2 钢屋架，1 5 m i n 内全部塌落，经济损失3 2 9 万元，死亡1 3 人，伤1 4 0 余人：1 9 7 3 年5 月5 日，天津 市体育馆钢屋架，1 9 m i n 倒塌；1 9 8 1 年4 月5 日，长春卷烟厂钢木屋架，倒塌；1 9 8 3 年1 2 月，北京友谊宾馆剧场钢木屋架，2 0 m i n 倒塌；1 9 8 6 年2 月8 日，唐山市棉纺 织厂钢梁，2 0 m i n 倒塌；1 9 8 6 年4 月8 日，北京高压气瓶厂钢屋架，过火倒塌；1 9 8 7 年4 月2 1 日，四川江油电厂俱乐部钢屋架，2 0 m i n 倒塌 3 3 1 ；1 9 9 2 年1 0 月5 日由美国 明晃建筑公司提供构件在江苏宜兴建造的漂染厂厂房( 属大型全钢结构) 发生火灾， 钢屋顶被烧毁，钢梁、钢柱严重变形、弯曲，失去支撑能力，损失达5 0 0 万元0 4 1 ；1 9 9 3 年5 月，上海某纺织厂厂房( 钢结构) 发生火灾，不到半小时，部分建筑物就开始倒 西北大学硕士学位论文 塌，给消防灭火带来了极大的困难，此次火灾造成直接经济损失8 7 万元，而由于厂 房被烧毁，因停工和善后处理造成的间接经济损失为2 2 8 3 万元；1 9 9 3 年8 月，福建 泉州某食品公司冷库( 钢结构) 火灾，一座3 5 7 0 m 2 的冷库被烧毁；1 9 9 3 年1 1 月的青 岛格尔木炼油厂火灾，炉体支柱( 钢结构) 因高温破坏，使炉体倾倒；1 9 9 6 年江苏昆 山市的一个轻钢结构厂房发生火灾，4 3 2 0m 2 的厂房烧塌；1 9 9 8 年2 月1 4 日下午2 时左右，位于上海市松江区仓桥镇玉树路2 6 8 号的上海金藤山塑胶企业有限公司的钢 结构配料车间发生火灾，很快钢屋架发生变形，火源处钢屋顶下垂至最低，损坏严重； 1 9 9 8 年5 月5 日，北京玉泉营环岛家具城大火，结构防火未达标，造成1 3 万m 2 钢 结构轻体建筑( 倒塌) 及其它1 万平米共计2 3 万m 2 建筑面积的全部过火，造成3 4 8 家厂家的家具城、建材城建筑和参展家具全部烧毁，直接经济损失达到2 0 8 7 8 万元 i ，洲；2 0 0 1 年5 月2 7 日，位于上海奉贤县大叶公路的上海新美阁木制别墅有限公司 的一座全钢结构的厂房发生火灾，过火面积达4 0 0 0m 2 ，死亡1 人，直接经济损失 7 9 2 2 4 0 元，由于钢结构未经任何防火处理，也未设喷淋保护，起火后不久结构就坍塌 了；2 0 0 2 年7 月1 1 日安徽省佳通轮胎有限公司的成品轮胎仓库发生火灾，仓库里堆 放着大量轮胎，燃烧后很难扑灭，而且释放出大量烟雾，损失惨重，由于火场中轮胎 燃烧，大量浓烟被刮到市区上空，给合肥市造成了一定的空气污染；2 0 0 3 年4 月5 日，青岛即墨市龙泉镇的青岛正大食品公司发生大火，1 5 m i n 内7 0 0 0m s 的钢结构厂 房全部被烧塌，致使一部分未能撤离的工人被压在了火海里，造成2 1 人死亡。 1 3 2 钢结构火灾的严重后果 钢结构发生火灾后形成极其严重的后果，其火灾特点为1 2 1 ： 钢结构坍塌快、难扑救 如天津体育馆火灾，钢屋架坍塌时消防水带都来不及撤出。 火灾影响大、损失重 如天津体育馆火灾，不仅直接经济损失1 6 0 多万元，而且致使原定次日举行的全 国体操比赛无法进行，社会影响很大 建筑物易毁坏、难修复 钢结构在火灾中变成了“麻花状”或“面条状”的废物；变形后的钢结构又是无 法修复使用的。 西北大学硕士学位论文 1 4 钢结构防火保护的措施、目的及意义 1 4 1 钢结构防火保护的措施 目前，钢结构的防火保护方法很多，被动防火法从原理上来说可以分为两大类： 截流法和疏导法。截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而 使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。截流法可分为喷涂法、包封法、屏蔽 法和水喷淋法；而疏导法目前仅有充水冷却保护这一方法。主动防火法就是提高钢材 自身的防火性能( 如耐火钢) 或设置结构喷淋唧。 根据保护对象又可以分为以下几种。 ( 1 ) 钢结构防火涂料保护 钢结构防火涂料保护将在下一章中详细介绍。 c 2 ) 钢结构防火板保护 自7 0 年代中期以来，国外一些国家相继研制成功硅酸钙防火板。日本j i c 公司 1 9 8 4 年即开始生产硅酸钙防火板( k b 防火装饰板) ，最高使用温度为1 0 0 0 。9 0 年 代中期德国和丹麦研制成功最高使用温度达1 1 0 0 的硅酸钙高温防火板，具有优良耐 高温性能和隔热性能。在日本、美国以及欧洲的钢结构防火中已被大量采用，我国港 澳地区由国外承揽的钢结构工程中也使用较多闭 ( 3 ) 混凝土防火保护 钢结构防火保护技术中一般用普通粘土转、钢管( 筋) 混凝土结构、金属网外包 砂浆等作钢结构防火保护层；此外，还可用陶粒混凝土或加气混凝土防护，防火效果 亦十分理想。但保护层太厚，故目前采用的比较少。 “) 卷性柔材防火保护 目前，国内还没有相应的应用，国外应用也较少嗍。 ( 5 ) 钢结构内通水冷却保护 这种方法由于对结构设计有专门要求，目前实际应用很少，只有美国匹兹堡6 4 层的美国钢铁公司大厦用过f 2 4 1 。 选择钢结构的防火措施时，应考虑下列因素： 安全无毒；易于与钢构件结合；钢结构所处部位，需防护的构件性质( 如 屋架、网架或梁、柱) ；钢结构采取防护措施后结构增加的重量和占有的空间； 防火材料的可靠性：施工难易程度和经济性。 西北大学硕士学位论文 1 4 2 钢结构防火保护的目的 钢结构防火保护的目的就是将钢结构的耐火极限由1 5 r a i n 提高到防火设计规范 规定的耐火极限，防止钢结构在火灾中迅速升温产生变形坍塌，从而为消防灭火和安 全疏散赢得宝贵时间，避免或减少火灾造成的大量的人员伤亡和巨大的经济损失。 1 4 3 钢结构防火保护的意义 进行钢结构防火保护的意义可总结为： ( 1 ) 减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散 的困难； ( 2 ) 避免铜结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡； ( 3 ) 防止因钢结构构件破坏而加剧火灾中的热对流和热辐射，避免火灾蔓延到其它防 火分区或者相临近的建筑物； ( 4 ) 减少火灾后钢结构的修复费用，缩短火灾后钢结构的功能恢复周期，减少间接经 济损失m ”。 1 4 a 钢结构防火保护性能化设计的意义 目前，国内绝大多数钢结构建筑的防火保护设计时问都是按照强制性的相关国家 建筑防火规范的要求来确定的。这种“处方式”的规范有其固有的不足：首先是规范 对耐火极限要求主要考虑了火灾的危险性、建筑的重要性和结构构件的重要性，未考 虑综合经济效益及损失最小的目标；其次耐火时间是基于i s 0 8 3 4 升温曲线确定，而 真实火灾与可燃物的种类和数量、火灾荷载密度、通风条件、建筑形式、是否有结构 喷淋等因素密切相关，这时标准升温曲线不能反映火灾的真实情况；再者现有的规范 是在原有建筑形式的基础上根据相关的试验和经验得到的，但现有的建筑，特别是钢 结构建筑，无论形式和功能分区都远远超出了现有的规范。因此，根据钢结构建筑的 实际情况，进行必要的计算和试验来确定防火保护的设计是有必要的。近十年来，国 内以同济大学的李国强教授为首的课题组对于钢结构抗火进行了研究。但是钢结构防 火保护的性能化设计研究较少，如何有效的进行钢结构保护成为目前钢结构应用比较 关键的问题。 1 5 论文来源、研究目的及意义 目前，采用防火涂料进行阻燃被认为是有效的措施之一，发生火灾时能有效地提 高钢结构的耐火极限，可满足现行国家规范的要求。其防火效率高，使用方便，同时 西北大学硕士学位论文 具有一定的装饰性能，有着广泛的适用性。本文针对目前国内防火涂料发展状况，尤 其是超薄型防火涂料的广泛应用及其所拥有的某些缺陷而确定该研究课题。 本文的研究目的旨在通过一系列试验尝试，辅以经验总结，在参考一定的文献资 料、借鉴某些有益的配方方案的基础上，尝试研发一种新型的超薄膨胀型钢结构防火 涂料，设计出一种生产可行、性能优异的防火涂料配方。 囿于试验条件，重点研配超薄型丙烯酸树脂基钢结构防火涂料配方。配方注重原 料来源广廉，降低试验成本，注意环保和安全问题；同时兼顾涂料防火性能，对目前 防火涂料的相应缺陷进行了有效弥补，具有一定的市场价值；对本课题的研究准备了 小试研发和先期的文献拓展工作，利于课题组的继续研发；对防火涂料方面的技术研 讨有着积极的探索意义 1 6 本章小结 本章搜集了大量的有关钢结构的文献和资料，详细的阐释了钢材在燃烧时的基本 力学性能和钢结构的建筑特点，明确指出了钢结构建筑在发生火灾时的危险程度，从 而使人们了解到对钢结构建筑进行防火保护的迫切性和重要性，并列举了众多的中外 钢结构建筑的火灾案例加深认识。基于此，本章开篇就着重地介绍了钢结构在我国的 应用场合之广以及钢结构将在我国有着持续蓬勃的发展前景，认为钢结构将是未来建 筑的主要构件。最后又叙述了钢结构的防火保护的措施和目的、意义以及性能化设计 的重要意义，提出了钢结构应用时需要解决的首要问题，简要勾勒出防火保护的轮廓 结构，同时点明了论文来源及其研究目的和意义。 西北大学硕士学位论文 第二章钢结构防火涂料 2 1 涂料简介 涂料是一种有机高分子胶体混合物的溶液或粉末【4 习，呈流动状态m l ，能均匀涂覆 在物体( 被保护和被装饰对象) 表面并能形成牢固附着的连续薄膜的配套性工程材料 1 4 4 。涂料在使用以前，使一种有机高分子溶液( 如清漆) ，或是粉末，添加或不加颜 料、填料调制而成。不论涂料品种的形态如何，基本以下列形式组成，如图2 - 1 所 示： r 油脂( 干性油、半干性油、不干性油) r 。主要成膜物质 il 树脂( 天然树脂、人造树脂和合成树脂) jr 颜料 涂料次要成膜物质 ll 增韧剂 l l厂溶剂 l 辅助成膜物质_ l 助剂 图2 1 涂料的组成 f i g 2 - 1t h ec o m p o s i t i o mo f c o a t i n g s 主要成膜物质是粘结剂，它还称为基料、漆料或漆基，不但可以单独成膜，也可 以粘结颜料等共同成膜，包括油脂和树脂两大类，还包括部分不挥发的活性稀释剂， 它是使涂料牢固附着于被涂物面上形成连续薄膜的主要物质，是构成涂料的基础，决 定着涂料的基本性能。次要成膜物质是颜料和增韧剂，可以分为着色颜料、防锈颜料、 体质颜料和增韧剂，本身不能单独成膜，主要用于着色和改善涂膜性能，增强涂膜的 保护、装饰和防锈作用，亦可降低涂料成本。辅助成膜物质是溶剂和助剂，有机溶剂 ( 植物油溶剂、石油溶剂、煤焦溶剂、酯类溶剂、酮类溶剂和醇类溶剂) 和水是分散 介质，主要作用在于使成膜基料分散而形成粘稠液体，不是成膜物质，它有助于施工 和改善涂膜的某些性能；助剂( 催干剂、流平剂、防结皮剂、抗老化剂、固化剂、增 塑剂、润滑剂、防霉剂和其它助剂等) 是原料的辅助材料，一般不能成膜，但对基料 形成涂膜的过程与耐久性起着相当重要的作用。 涂料具有保护作用，装饰作用、特殊作用和标志作用脚删，是工业品的外衣，是 国民经济各部门和国防工业不可少的一种配套材料。据国外报道，涂料产量约为钢铁 西北大学硕士学位论文 产量的2 ，占化学工业总产值的4 5 ，由此可见涂料工业在经济建设中起着相 当重要的作用。 2 2 防火涂料 防火涂料又叫阻燃涂料 4 7 , 4 s l ，是指涂覆在木材、纤维、纸、塑料等易燃建筑基材 或涂刷于电缆、金属构件等物体的表面能起到隔离火焰、推迟可燃基材的着火时间， 延缓火焰在物体表面的传播速度、阻滞火灾的迅速蔓延，或是用于提高构件的耐火极 限、推迟结构破坏，起到防火保护和装饰作用，还能防腐、防锈、耐酸碱、防烟雾等 的一类涂料的总称，在我国现有的涂料品种中属于特种涂料的范畴 4 9 - ”。目前在众多 的防火手段中使用防火涂料是最经济实用、最简便且最有效的一项安全措施。将其涂 刷在某些易燃材料表面，除具有一般涂料所共有的装饰和保护性能外，还有两个特殊 性能：一是涂层本身具有不燃性，能防止被火焰点燃；二是能防止燃烧，在一定时间 内能抑制燃烧的扩展，从而为扑救初始火灾和人员的撤离赢得时间 4 7 , 5 2 1 。但是，必须 明确一点，当大火蔓延时，单靠防火涂料灭火是不可能的1 5 3 1 。 2 2 1 防火涂料的组成与分类 防火涂料一般由基料、分散介质、阻燃剂、填料、助剂( 增塑剂、固化剂、稳定 剂、防水剂、防潮剂等) 组成。 ( 1 ) 基料基料是组成涂料的基础，是主要成膜物质，对涂料的性能起决定性的作 用。对于防火涂料，其基料还必须能与阻燃剂相匹配，构成一个有机的防火体系 国内外通常应用的基料包括无机成膜物和有机成膜物。无机成膜物质有硅酸盐、 硅溶胶、磷酸盐等。有机成膜物质种类繁多，一般为难燃性的有机合成树脂，主要可 以分为三类：水性树脂、含氮树脂及其他树脂。水性树脂有聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯 酸乳液、氯丁橡胶乳液、聚乙烯醇等。从涂层的难燃性和其它性能综合考虑，此类树 脂拼合使用效果更好。此外用无机的水玻璃和有机树脂乳液拼合使用也可以提高涂层 的耐热性和难燃性。含氮树脂耐水性、耐化学性、装饰性和物理机械性能都比较好， 也具有一定的阻燃效果，常用的有三聚氰胺甲醛树脂、聚氨基甲酸酯树脂、聚酰胺树 脂、丙稀睛共聚物等。其它树脂常用的有难燃性的含卤素树脂，如氯化醇酸、氯化橡 胶、氯化环氧等。为了满足涂料的各种具体使用功能，还常采用环氧聚酰胺树脂、酚 醛树脂、有机硅树脂、醇酸树脂等。这些树脂本身没有阻燃性，涂层的防火作用主要 靠难燃添加剂来实现 5 4 , 5 卦。还有名目繁多的以水为溶剂的乳胶，如聚醋酸乙烯乳胶、 西北大学硕士学位论文 丙烯酸乳胶、丁苯乳胶；发展很快、应用也极广的共聚乳胶，如合成脂肪酸乙烯酯、 乙烯、偏二氯乙烯、丙烯酸酯等。将无机基料和合成树脂基料配合使用会是不错的尝 试。无机防火涂料由于自身的不燃性而具有良好的防火性能；但是其涂膜性能差，装 饰性能不良。 作为防火涂料的基料应对人体无毒、无刺激性气味、施工方便、干燥速度快、能 在稍潮湿的基材上涂装，涂装机具容易清洗；同时还应满足以下要求【矧： 来源充足，价格便宜； 应具有较强的抗电解质性能，