（化工过程机械专业论文）钢结构超薄型防火防腐蚀涂料的研制.pdf

摘要 钢结构作为2 l 世纪的一种绿色环保结构，被广泛的应用于建筑和构筑物结构中。 但是钢结构在应用过程中存在着两大看不见的隐患：火灾和腐蚀。低的耐火性能和易腐 蚀性可以导致较大的人员伤亡和巨大的经济损失。采用有效的保护措施是必要的。 目前，采取涂料进行保护是一种最经济、最有效的保护方法。但是通常将钢结构防 火和防腐蚀独立对待即既要用防腐蚀涂料进行防腐蚀保护，又要用防火涂料进行防火保 护，导致很大浪费。而且这些涂料普遍存在着粘结性能差、质量不稳定、耐候性及耐久 性差等问题，应用范围受到限制。 本文正是基于解决和改善上述问题，拟在研制出一种新型钢结构超薄型防火防腐蚀 涂料，具有防火和防腐蚀的双重特性，而且有良好的装饰性能。通过对防火和腐蚀机理 进行研究，选定以有机硅改性丙烯酸树脂为基料，配以p c - n 阻燃体系，并加入适量的 颜填料、防锈剂、流平剂和流变助剂和溶剂混合搅拌制得。本文通过正交试验设计优化 了该钢结构超薄防火防腐蚀涂料的组分，并主要以粘结强度和耐火极限为指标进行性能 评价，研制出一种超薄防火防腐蚀涂料的配方。 试验结果表明：基料树脂对涂料的耐火性能影响显著，对粘结强度起主要决定作用。 炭质层质量对防火性能影响较大，涂料的施工工艺及固体原料颗粒度对防火性能有所影 响。加入聚磷酸铝助剂后，防锈蚀功能显著。 将本文研制的防火防腐蚀涂料与现有的涂料进行对比，表明本涂料具有阻燃时间 长，粘结强度高、具有一定的耐候性、耐久性和防腐蚀性，达到国家标准的综合性能良 好的钢结构超薄型防火防腐蚀涂料。 关键词：钢结构，超薄膨胀型，防火涂料，防腐蚀性，耐候性和耐久性 s t u d yo nt h es u p e r - t h i nf i r er e t a r d a n ta n da n t i c o r r o s i o nc o a t i n g f o rs t e e ls t r u c t u r e a bs t r a c t s t e e ls t r u c t u r ei sas t r u c t u r eo fg r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne c o - t y p e ，i ti sw i d e l yu s e d i na r c h i t e c t u r a ls t r u c t u r e sa n ds t r u c t u r ef o u n d a t i o n s b u tf i r ed a m a g ea n dc o r r o s i o nw a s r e g a r d e da st w ol a r g eu n s e e ne x i s t i n gh i d d e nt r o u b l e si nt h ea p p l i c a t i o no fs t e e ls t r u c t u r e l o wf i r e r e s i s t a n tp r o p e r t ya n ds u s c e p t i b i l i t yt oc o r r o s i o np r o p e r t yc a u s es om a n yc a s u a l t i e s a n dl a r g ee c o n o m i cl o s s s oi ti sn e c e s s a r yt ot a k es o m ee f f e c t i v ep r o t e c t i o nm e a s u r e s a tp r e s e n t ，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 ob r u s hc o a t i n g so nt h e m d i r e c t l y b u ti ti su s u a lt ot r e a tf i r e p r o o fa n da n t i c o r r o s i o no fs t e e ls t r u c t u r ei n d e p e n d e n t l y o r r a t h e rt os a y ，i tn o to n l yn e e da n t i - c o r r o s i o nc o a t i n gt op r o t e c tb u ta l s on e e df i r er e t a r d a n t c o a t i n gt of o r d e n d ，c a u s i n gg r e a tw a s t e h o w e v e r , t h i sc o m b i n a t i o no fc o a t i n ga l s oh a ss o m e d i s a d v a n t a g e ss u c ha sp o o rb o u d i n gp e r f o r m a n c e ，t h ei n s t a b l eq u a l i t y , l o ww e a t h e r a b i l i t ya n d d u r a b i l i t ya n ds oo n , s ot h ea p p l i c a t i o ns c o p eo f t h ec o a t i n gw a s l i m i t e d t h i st h e s i si sb a s e do ns o l v i n ga n di m p r o v i n gt h o s ep r o b l e m s , i no r d e rt od e v e l o pan e w s u p e rt h i nf i r e r e t a r d a n ta n da n t i c o r r o s i o nc o a t i n go fs t e e ls t r u c t u r e ，w h i c hh a sd u a l c h a r a c t e r s ：f i r er e s i s t a n c ea n da n t i - c o r r o s i o n , a n dh a sg o o da d o r n m e n tp e r f o r m a n c e t h r o u g h r e s e a r c h i n go nf i r e - r e t a r d a n ta n dc o r r o s i o nm e c h a n i s m s ，s i l i c o n e a c r y l a t er e s i n sw a ss e l e c t e d a sb a s e dm a t e r i a l ，c o o p e r a t ew i t ht h ef i r er e t a r d a n ts y s t e mo fp c - n , a d dp r o p e ro t h e r c o m p o n e n t ss u c ha sp i g m e n ta n df i l l e r , r u s ti n h i b i t o lf l o wa g e n t ，r h e o l o g i c a la g e n ta n d s o l v e n t ，t h ec o a t i n gw a so b t a i n e db ym i x t u r es t i r r i n g t h ea u t h o ro p t i m i z e dt h ec o m p o n e n t so f c o a t i n gt h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g na n de v a l u a t et h e mm a i n l yb yt h eb o n d i n g s t r e n g t ha n dr e f r a c t o r yl i m i te v a l u a t i o ni n d e x e s t h eo p t i m a lf o r m u l aw a sg o t ，an e ws u p e r t h i nf i r er e t a r d a n ta n da n t i c o r r o s i o nc o a t i n go fs t e e ls t r u c t u r ew a so b t a i n e da tt h es a m et i m e t h er e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ts h o w st h a tb i n d e rr e s i nh a v es i g n i f i c a n te f f e c to nt h e r e f r a c t o r yp r o p e r t i e so fc o a t i n ga n dp l a yad e c i s i v er o l ei nb o n d i n gs t r e n g t h t h eq u a l i t yo f c a r b o n a c e o u sl a y e rh a sag r e a ti n f l u e n c eo nr e f r a c t o r yp r o p e r t y c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n d p a r t i c l es i z eo fs o l i dm a t e r i a l sh a v es o m ei n f l u e n c eo nr e f r a c t o r yp r o p e r t y t h ef u n c t i o no f a n t i r u s ta ler e m a r k a b l yw h e na d d i n gp o l y a l u m i n i u mp h o s p h a t e a tl a s t ，t a k i n gt h ec o m p a r a t i v et e s t i n gw i t ht h ee x i s t i n gf i r er e t a r d a n tc o m i n g ，i ti s r e v e a l e dt h a tt h ec o a t i n gh a v el o n g e rf l a m er e t a r d a n tt i m e ，h i g h e rb o n d i n gs t r e n g t h m o r e o v e r , s u p e rt h i nf i r er e t a r d a n ta n da n t i c o r r o s i o nc o a t i n go f s t e e ls t r u c t u r eh a sc e r t a i nw e a t h e r a b i l i t y , d u r a b i l i t ya n dc o r r o s i o nr e s i a e n c e ，w h i c hi sa l s om e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d s k e y w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ，s u p e r - t h i ni n t u m e s c e n t ，f i r er e t a r d a n tc o a t i n g , a n t i _ c o r r o s i o n p r o p e r t y , w e a t h e r a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。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。本人授权西北大学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。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丝选塾指导教师签名： 讪声6 月，日 年月e t 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：逮参 瑚年6 月t p 日 西北大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 第一章引言 钢结构建筑在我国逐渐兴起，被誉为2 1 世纪的”绿色建筑”，是一种节能环保型、 能循环使用的建筑结构，符合保护土地，节约能源和经济持续健康发展的要求i l l 。 近年来，随着国民经济的增长、生产规模的调整，钢铁工业逐渐发挥出其巨大的市 场潜力。特别是在一些大中型城市，为了解决寸土寸金的实际情况以及人们对生存环境、 生活空间等提出了更高要求，钢结构建筑的推广应用将能够更快地实现城市化建设。钢 结构比传统结构更易拆除且用料省、回收利用率高，外围墙体也多用环保材料如防火涂 料、节能砖等，因此降低了钢铁污染所带来的高风险。钢材属于可循环使用的材料，据 有关资料显示，美国每年钢产量的6 8 来源于回收的旧钢材，同时，钢结构住宅体系墙 体系统中大部分材料也可重复使用，以上两项建材是住宅建筑主要构成材料。因此，钢 结构住宅体系十分节约建材【2 1 。总之，钢结构具有节能、节地、节水、节材、符合绿色 环保可持续发展的需要1 3 】。目前，钢结构备受国外许多发达国家的青睐，并成为发展高 档住宅的主要技术。而作为产钢大国的中国，尽管在北京、上海、天津、湖南、安徽等 地建成了一批钢结构的住宅示范试点工程，但较之国外钢结构在建筑领域的普遍推广仍 有明显差距。但是在中国寸土寸金的城市，因为能有效的解决城市空间问题，超高层建 筑取得快速发展，按照每座城市超过9 0 m 的摩天大楼进行排名，中国是世界上摩天大楼 最多的国家1 2 1 。 钢结构虽然具有以上很多优点，但是钢结构也存在着三大威胁：失稳、火灾和腐蚀。 失稳可以在设计中解决，火灾和腐蚀是钢结构在实际应用中存在着两大看不见的隐患， 危害不亚于前者。 据资料显示，钢结构在火灾中的性能是较差。裸露的钢结构在火灾中耐火极限不足 o 2 5 h ，钢结构无法承重发生火灾坍塌，灾难性后果不堪设想。再者，全世界每年因金属 腐蚀而造成的经济损失约为7 0 0 0 亿美元，达到地震、水灾、台风等自然灾害总和的6 倍，每年因腐蚀造成的钢铁结构、设备及材料的钢铁损失量相当于当年钢铁总产量的 2 0 - 4 0 ，达l 亿吨以上。我国每年因钢铁腐蚀造成的损失高达几百亿元人民币，而且 随着钢铁用量的增加，其损失量还将不断增大【l l 。 总之，随着我国逐渐加大基础设施建设和装备制造业的发展，钢结构的使用将进一 第一章引言 步扩大，如何确保钢结构的长期安全性是一个值得高度重视的问题。因此，对钢结构的 保护显得日益重要，而对钢结构实施涂层保护是钢结构保护的有效措施之一。这也是符 合我国实现绿色环保、可持续发展的需要。 涂层作为有效的保护措施，已经被广泛的应用在钢构件和建筑行业，且市场潜力非 常大。尤其钢结构超薄防火防腐蚀涂料，既能防火又能防腐蚀、施工简单、装饰性好等 优点，具有很好的市场发展潜力。 目前，钢结构防火涂料已在工业和建筑上逐步得到认可和大规模的应用，近几年在 我国发展比较快，而且研究和应用已经达到了世界先进水平，但是仍然存在着亟待解决 的问题和应用上的不足。我们应该充分利用我国的研究优势，逐渐提高此类涂料的综合 性能，使品种和应用范围不断扩大。 本论文基于以上原因而进行专门的研究，其目的是利用现有的原料，研制出综合性 能良好的能应用于工业和建筑上的钢结构超薄型防火防腐蚀涂料，并希望能够应用于实 际生产。为发展绿色环保钢结构建筑和工业安全做出贡献。 1 2 钢结构超薄防火防腐蚀涂料在石油化工上的应用 众所周知，钢结构在化工厂的应用是占有绝对数量的。石油化工企业作为我国的大 型工业企业，生产区、储运区各类塔罐林立，管线纵横交错。在石油化工企业中，常见 的钢结构形式有：钢框架主要用于支承冷却器、换热器、卧式容器、空气冷却器等化工 设备，钢排架用于支撑管道、电缆仪表槽盒等；门式钢架用于大型压缩机厂房、泵棚等。 因其多为高温高压，加之原料和产品绝大多数易燃易爆，一旦设备、管线、阀门泄漏， 极易着火，火灾危险性很大，如果支撑构件烧损将会引起设备的倒塌，后果不堪设想。 所以，作为支撑各类设备的钢结构构架的防火显得格外重要。防火涂料涂层可以被采用 对这些构件、设备和管道进行保护1 4 , 5 , 6 ；1 1 。如海洋石油平台防火涂料不仅需要良好的防腐 功能，还需要具备优异的防火性能【8 1 。化肥厂正常生产时，它是高温设备优良的耐高温 防腐涂料；化肥厂高温设备失火时，它是高温设备优良的隔热防火涂料【9 】。值得注意的 是，对于石油化工企业、易燃易爆场所，由于火灾发生时升温速度快，并伴随有爆炸而 产生强大的冲击波。因此，防火涂料要有能够经受住油类火灾的温升高和爆炸所产生的 冲击波。 钢结构防火防腐蚀涂料具有生产简便、施工方便、装饰性好、防火防腐蚀性优异特 点，特别是用于异形不规则构件或设备，如管道、钢框架等部件的防护，可有效杜绝恶 2 西北大学硕士学位论文 性火灾事故的发生。此种涂料在石油化工中有待于进一步推广。 1 3 本文的主要工作 本文在阅读了大量的国内外文献的基础上，分析并阐述了钢结构在我国的发展及应 用，钢结构在应用中存在的问题即火灾特性和腐蚀性，分析火灾阻燃原理和腐蚀原理， 探讨了钢结构的火灾防护和腐蚀保护，提出了用防火防腐蚀层进行保护，得出了钢结构 运用装饰性良好的防火防腐蚀涂料防护意义重大。 本文主要目的是通过试验一些配方，在国内防火涂料的基础上尝试研制出一种综合 性能良好的具有防火防腐蚀双功能的涂料，试图解决市场上防火涂料在施工前必须对钢 结构进行防腐蚀层保护的问题。 在试验过程中，主要做了以下工作： ( 1 ) 在原材料选择上，主要注重原料来源广廉，性能好，通过比较得到。突出点是 本文尝试性的运用本课题组前期制备的有机硅改性丙烯酸树脂作为成膜物质，希望得到 好的成膜性、耐酸性、耐碱性、耐水性、耐候性、耐磨性、良好的粘结强度和抗冲击性 的涂层。 ( 2 ) 在配方设计上，制作的试件，在单因素试验的基础上，通过正交试验对配制的 钢结构超薄型防火防腐蚀涂料进行优化，并按照国家相应标准对涂料进行各种性能的检 测，研究出配方中主要因素对涂料的耐火性、粘结强度和主要的理化性能影响程度，通 过对试验数据的处理，得出各个因素的最佳配比，得到优异的配方。 ( 3 ) 在此次试验最优配方下，分析涂层厚度、炭质层、施工质量、流变剂、流平剂 对涂料主要性能的影响，并进行了耐候性试验。 ( 4 ) 通过试验，分析本试验在添加了防腐蚀助剂后的效果，探讨本涂料是否满足防 火和防腐蚀双重功效。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 钢结构在我国的发展状况及应用 2 1 1 钢结构在我国的发展 由于普通低碳钢的性能具有较为突出的特点：接近于理想弹性塑性体，性能稳定， 轻质高强，加工精度高，装配性好，施工方便。因而钢结构更适合用于建筑结构和各种 工程结构中，成为多年来人们乐于采用的一种比较理想的结构【1 0 】。2 0 0 6 年，我国钢材 产量己达4 1 8 8 亿t ，占全世界钢材产量的3 3 8 ，到2 0 0 8 年中国钢产量突破5 亿t ， 已经居世界之首，这是发展钢结构重要的物质基础【1 1 1 。钢结构由于具有强度高、自重轻、 施工速度快等优点，一直是人们喜爱采用的一种结构，近百年来得到了快速的发展。有 钢结构应用传统的工业建筑，虽然现在有一部分可用混凝土结构代替，但是随着生产水 平的高速发展、生产工艺不断革新，厂房更加大型化，柱距、跨度、高度和起重能力日 趋扩大，同时对建厂投产工期却要求尽可能缩短，这就要求钢结构能充分发挥其特点， 国家建设部、国家冶金工业局在“十五大”计划和2 0 1 0 年发展规划纲要中也将研究开发 钢结构住宅建筑体系列为重点。在构筑物方面，除传统的冶金炉体、石油化学工业的塔 架罐体、电厂锅炉钢架、输电铁塔、水工闸门、栈桥通廊、贮仓漏斗、起重机架、输 油管道等仍为钢结构应用领域外；在新开发的构筑物中，如近海石油平台、天线电塔、 卫星和导弹发射架等，现在都是钢结构应用的专属领埘1 2 】。 我国由于经济和技术的原因2 0 世纪8 0 年代前没有建一幢高层钢结构建筑。1 9 8 5 年以后，由于外资工程的兴建，建筑用钢材的发展，到1 9 9 0 年底在上海北京、深圳 建立了1 1 幢高层钢结构建筑。迄今建的高层钢结构建筑使我国高层建筑的高度和规模 上了新台阶。已建成的上海金茂大厦( 8 8 层，高3 6 5 m ) $ 口环球金融中心( 9 5 层，高4 6 0 m ) 的建成，将成为上海标志性建筑，并使我国的高层建筑进入世界前列【i3 1 。2 0 0 8 年9 月 1 8 日，超高层建筑改变城市生活论坛的宣布，上海超过l o o m 的摩天大楼有4 0 0 多座， 成为全球高楼建筑数量最多的城市。被称为世界之最的2 0 0 8 年北京奥运会主体育场鸟 巢，把中国大跨度钢结构推向了极致f 1 4 j 。 “十一五”建筑钢结构发展目标【”】： ( 1 ) 积极扩展建筑钢结构用钢材的品种，提高产品性能。研究和开发高性能建筑专 用钢材系列产品，包括优质焊接结构钢、高强度优质厚板、热成型管材、优质可焊铸 4 西北大学硕士学位论文 钢等。扩大冷弯型钢和热轧h 型钢的品种和规格，包括大截面冷弯管材、大截面h 型 钢和轻型h 型钢等。合理推广采用耐候钢、耐火钢、z 向钢和药芯焊条等。2 0 1 0 年基 本实现建筑钢结构用钢国产化的目标。 ( 2 ) 大力推动建筑钢结构的发展，进一步提高应用技术水平。高层和超高层建筑优 先采用合理的钢结构或钢混凝土结构体系。大跨度建筑积极采用空间网格结构、立体 桁架结构、索膜结构以及施加预应力的结构体系。低层建筑大力推广采用经济适用的轻 型钢结构体系。总结试点经验，结合市场需求，积极开发钢结构住宅建筑体系，并逐步 实现产业化。 2 0 1 0 年，建筑钢结构用钢量争取达到国家总产钢量6 ，同时，建筑钢结构的综合 技术水平接近或达到国际先进水平。2 0 0 7 年经科技部批准成立的“国家钢结构工程技术 研究中心”在北京揭牌成立。该研究中心将实现钢结构工程高新技术研发创新基地、钢 结构工程技术创新成果工程应用及产业化转化促进中心、钢结构工程技术标准规范编制 修订领衔单位、钢结构工程质量监督检测权威机构、钢结构工程技术文献信息中心、钢 结构工程技术职业人员培训中心等6 个国家级研发平台建设。 2 1 2 钢结构的主要优点u 盯 ( 一) 钢结构的重量轻，虽然钢的比重大，但因其机械性能很好，可以承受较大的 荷载，故钢结构件截面尺寸小，同样跨度同样荷载时，钢屋架的重量最多不超过钢筋混 凝土屋架的1 4 或1 3 ，钢结构的重量小，便于运输。 ( - - ) 材质均匀，与力学计算的假定比较符合，钢材内部组织比较均匀，按近于各 向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况 与建筑力学计算的结果比较符合，能够满足超高度和超跨度的要求。 ( 三) 钢结构制造、安装机械化程度高。钢结构具有某种程度的技术密集型性质， 钢结构所用的材料单一，而且是成品，加工简便，机械化程度高，建造迅速，容易保证 质量，适宜于成批大量生产，从构件的工厂加工到现场吊装，工业化程度大大高于具有 劳动密集性质的现浇钢筋混凝土结构。 ( 四) 钢结构安装施工简便。钢结构由专业化金属构件厂生产构件( 梁、屋架、柱等) ， 在工地上用电焊或螺栓( 或高强螺栓) 连接起来，施工安装简便迅速，大大降低了建设成 本，己成为降低工程造价的最主要因素。并且加快了施工速度，使工期能够缩短4 0 以 上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。 第二章文献综述 ( 五) 钢结构在平面布局上的灵活性。在信息时代的今天，对室内平面空间和内部 设施的要求更加严格了。原先的布局和设备，1 不久就可能变成不太适用或完全不适用， 钢结构却可为平面重新布局提供更大的可能性，从而延长建筑物的使用寿命【。 ( 六) 原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发剧1 7 1 。 发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最 大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循 环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。 保护环境，维护生态平衡是我国国民经济建设的基本国策。发展钢结构建筑体系， 以取代黏土砖砌筑的建筑体系是一项十分必要和适时的重大决策，对促进我国国民经济 持续发展，推动建筑业的技术进步，改善工程质量和生态环境将产生十分深远的影响。 2 1 3 我国钢结构的主要应用范围 通常我们将由钢材组成的承重结构称之为钢结构，就目前应用的主要工程范围大致 可分为以下几个领域。即：高层钢结构、空间钢结构、轻钢结构、住宅钢结构、桥梁钢 结构和抗震钢结构等。 ( 1 ) 高层钢结构 l o 层及1 0 层以的住宅建筑总高度超过2 4 m 的公共建筑及综合性建筑称之为高层建 筑，1 0 0m 上称之为超高层建筑【1 8 】。目前有钢混结构、钢结构以及钢混凝土组合结构三 大体系，在超高层建筑领域中后两者更有优势和发展前景。我国在高层钢结构上已经基 本达到了世界领先水平。拟定于2 0 1 4 年完工的高达6 3 2 米的上海中心大厦使用钢结构 建筑。 ( 2 ) 空间结构 近年来，我国以钢网架及网壳为代表的空间网格结构得以迅速发展1 1 9 】。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1 2 0 1 。以国家体育场、国家游泳中心、国家体育馆为代表一大批体育场馆的新建 和改造。2 0 1 0 上海世博会场的建设和2 0 1 0 年亚运会场，深圳世界大学生运动会场等大 型项建设，钢结构用量将会较大增加【2 。 ( 3 ) 轻钢结构 轻钢结构是近十年来发展最快的一类结构。轻型钢结构由彩色钢板制成墙面和屋 面，由4 r a m 以上钢板焊接成h 型钢片作为承重结构，一般采用门式钢架结构并用圆钢 6 西j e 大学硕士学位论文 。制成柔性支撑和高强螺栓连接。中小型房屋建筑、体育场看台雨篷、小型仓库等多采用 轻型钢结构，构件有弯曲薄壁型钢结构、圆钢结构、钢管结构，还有薄钢板做成的折板 结构和拱形波纹屋盖结构，这种把屋面结构和屋盖承重结构合二为一的钢结构体系，成 为一种新型的轻钢屋盖结构体烈2 2 1 。 ( 4 ) 住宅钢结构 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【2 3 1 。 ( 5 ) 桥梁钢结构 交通建设在中国作为重点发展的基础设施，发展迅速，铁路和公路的发展，也促进 了桥梁工程的发展。桥梁钢结构越来越多，特别是中等跨度和大跨度的斜拉桥。例如， 上海两座著名的大桥南浦大桥、杨浦大桥( 主跨6 0 2m ) ，长江下游的江阴大桥( 采用 悬索桥，跨长1 3 8 5 m ) ，近年建成的铁路公路两用双层九江大桥，等等。很多城市立交 桥和行人过街桥也采用钢结构。 ( 6 ) 抗震性能钢结构 钢结构具有良好的抗震性，在经过了5 1 2 大地震后，大量的钢结构临时安置房的使 用引发人们对住宅体系的选用与革新进行了认真的思考i 矧。 钢结构在中国的工程建设中日益得到重视，除上述的高层建筑，空间结构，轻型钢结 构，住宅钢结构外，还有塔桅、容器、管道、大型储油库及大型装备等，其使用的钢材品 种和数量都相当大，目前中国既是产钢大国，也是世界上消耗钢材最多的国家。 2 2 高温火灾对钢结构的影响 2 2 1 钢结构高温下的基本力学性甜2 5 】 钢结构材料在火的作用下虽然不会发生燃烧，但是钢不耐火，因为钢材的导热系数 大( l = 3 7 5 、m k ) ，比热小( c = 5 2 0 j k g * c ) ，其强度会随温度的升高而降低，当温度达 到一定极限时，钢结构材料的强度会显著降低以致失去承载能力。在高温下钢材强度随 温度的升高而降低，降低的幅度因钢材温度的高低和钢材种类而不同。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如图2 1 所示。 由图可见：当钢材温度在3 5 0 。c 以下时，由于蓝脆现象，抗拉强度较常温时略有 提高；温度超过3 5 0 ，强度开始下降；温度达到5 0 0 。c 时强度降低约为5 0 ， 6 0 0 7 第二章文献综述 时降低约为7 0 。钢材的屈服点随温度的升高也逐渐降低，在5 0 0 时约为常温的 5 0 。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 性模量随温度升高与钢材种类和强度级别没有多大关系。钢材的伸长率和截面收缩 率随着温度的升高总的趋势是增大的，由此表明高温下钢材塑性性能增大，易于产生变 形。此外，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。蠕变在较低温度下就会产生，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 - - 一，4 5 0 。c ，温度越高，蠕变现象愈明显。蠕 变不仅受温度的影响，而且也受应力大小影响，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。 ，- 、 z拉强度 弹性模量 = 属朋强度 - - - 、 比倒忸豫- 、- ， 1 温度 图二1 普通低碳钢材力学性能随温度的变化特性 f i g 2 - 1 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p l a i nm i l ds t e e lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 2 2 2 我国钢结构建筑的火灾案例 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。据公安部消防 局2 0 0 8 年火灾统计数据，我国共发生火灾1 3 3 万起( 不含森林、草原、军队、矿井地 下部分火灾) ，死亡1 3 8 5 人，受伤6 8 4 人，直接损失1 5 亿元，与去年相比，除损失上 升3 9 3 外，起数、亡人和伤人分别下降1 6 2 、2 9 和2 1 6 t 2 6 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【2 7 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 8 仲 柏加o 哥半晕 id。opr尉 西北大学硕士学位论文 的漂染厂厂房( 属大型钢结构) 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【2 引。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l 万m 2 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1 2 9 】。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【3 们。2 0 0 9 年2 月9 日，中央电视台电视文化中心高1 5 9 m ，耗资 5 0 亿，发生火灾，据估计损失6 7 亿。 据理论计算【3 l 】，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5 0 0 左右，而一般火场温度达到8 0 0 - 1 0 0 0 ，在这样高的温度下，裸露的钢结构会很快出 现塑性变形，产生局部破坏，甚至造成钢结构整体倒塌失效。 2 2 3 钢结构火灾的特点【3 2 1 ( 1 ) 钢结构坍塌快、难扑救 钢结构建筑发生火灾后，裸露的钢构件在烈火包围之中，一般只需1 0 m i n 便失去支 撑能力，随即变形倒塌，若是火场离消防队稍远或报警不及时，消防人员到达现场时， 钢架已经烧毁或很快坍塌，有时只能扑救余火。 ( 2 ) 火灾影响大，损失重 采用钢结构的建筑物往往是大跨度的厂房、仓库、礼堂、影剧院、体育馆及高层建 筑物等，不论是工业用房还是民用建筑，一旦发生火灾，都将造成重大经济损失。 ( 3 ) 建筑物易毁坏，难修复 由于建筑物是以钢构件作为梁、柱或屋架，在火灾中往往因钢构件变形失去支撑能 力，而导致建筑物部分或全部坍塌毁坏，钢结构变成了“麻花状”或“面条式”的废物，导 致无法修复。 2 2 4 钢结构的耐火极限及防火要求 在实际中，钢结构的耐火极限能力应该大于耐火极限要求，国家为了规范钢结构也 制定了许多钢结构防火规范。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 ( 2 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” 【3 3 1 。根据g b j l 6 8 7 建筑设计防火规范、g b 5 0 1 6 0 9 2 石油化工企业设计防火规范、 g b 5 0 0 4 5 9 5 高层民用建筑设计防火规范等规范了各类建筑的燃烧性能和耐火极限的 9 第二章文献综述 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2 1 的规定例。 石油化工企业设计防火规范【3 5 l 规定：( 1 ) 应覆盖耐火层的钢构件有：单个容积5m 3 的甲、乙类液体设备的承重钢杠架支架、裙座；介质温度自燃点的单个容积兰5 m 3 的可 燃液体设备承重钢框架、支架、裙座：加热炉的钢支架；在爆炸危险区范围内主管廊的 钢管架：在爆炸危险范围的高径比等于或大于8 ，且总重量等于或大于2 5t 的非可燃介质 设备的承重钢框架、支架和裙座。( 2 ) 承重钢框架支架、裙座、管架覆盖耐火层的部位， 应符合下列规定：设备承重钢框架单；层框架的梁、柱；多层框架的楼板为透空的板时， 地面以上1 0 m 范围的梁、柱。 表二l 建筑行业耐火极限要求 t a b 2 - 1 r e q u i r e m e n t so ff i r e p r o o fl i m i ti nc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y 2 3 钢结构防火保护 2 3 1 钢结构防火保护的目的及意义 钢结构火灾事故的惨痛教训使人们对钢结构防火保护的重要性意识逐渐提高，开展 了对钢结构防火隔热保护技术的研究和应用实践。钢结构防火就是在其表面提供一层绝 热或吸热的材料，隔离火焰直接灼烧钢结构，阻止热量迅速传向钢基材，推迟钢结构温 度升高和强度变弱的时间，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，达到规范规定的耐 火极限要求，保持结构在火灾中的稳定性。 钢结构防火保护的意义就是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；可阻止火灾的发生和蔓延，为火灾的救助赢得宝贵的 时间，避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；减少灾后钢结构的修复费用，减少 1 0 西北大学硕士学位论文 间接经济损失【3 6 1 。 2 3 2 提高钢结构抗火性能的主要方法1 3 7 】 未加保护的钢结构的耐火极限仅为0 2 5 h ，而现行防火标准的耐火极限要求为i 3 h ， 因此必须对钢结构实施有效的防火保护【3 引。目前，世界各国对钢结构采用多种方法进行 保护，钢结构防火保护方法如图2 2 所示。 图二2 钢结构防火保护 f i g 2 - 2f i r ep r o t e c t i o no f s t r u c t u r es t e e l ( 1 ) 疏导法 疏导法允许热流量传到钢构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使构件温度 不至于高到临界温度，起到保护钢构件的作用。疏导法目前仅有水冷却一法。从理论上 讲，这是钢结构保护最有效的方法，冷却水可由高位水箱、供水管网或消防车来补充， 蒸气由专设的排气口排出，缺点是增加了自重，为防止锈蚀或水的冰结，还应在水中加 入防锈剂和防冻液等。 ( 2 ) 截流法 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 时间内温度不超过其临界温度，具体做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的 高温首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件，由于所选材料的导热系数较小， 而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护钢构件的作用。截 流法又可分为喷涂法、屏蔽法、包封法、水喷淋法等。 喷涂法 第二章文献综述 喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。 屏蔽法 屏蔽法是把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，主要适用于钢结构层盖系 统的保护。 包封法 包封法是用耐火材料把构件包裹起来进行防火保护，包封材料有防火板材、陶粒混 凝土、砖、钢丝网抹灰粉刷等。 水喷淋法 水喷淋法是在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动( 或手动) 喷水，在构件表面 形成一层致密的连续流动的水膜，从而起到保护作用。 以上几种方法中，屏蔽法和包封法要使钢结构达到规定的防火要求需要相当厚的保 护层，这样必然会增加构件的重量，而水喷淋法在构件的项部设置装置后，破坏了钢结 构的整体性。因此，相比之下，在钢构件上直接喷涂防火涂料施工不受钢结构几何形体 限制，一般不需辅助设施，涂层重量轻，还有一定的美观装饰作用，施工与维修均较方 便，是最理想、最可靠、最经济实用的方法。 2 4 钢结构防火涂料的分类及性能 钢结构防火涂料刷涂或喷涂在钢结构表面，起防火隔热作用，防止钢材在火灾中迅 速升温而降低强度，避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌【3 9 1 。国外自2 0 世纪5 0 年代以来就采用防火涂料施涂钢结构表面，火灾时能形成耐火隔热保护层，以提高钢结 构的耐火极限，满足建筑防火设计规范要求，减少建筑物钢结构火灾灾害。从2 0 世纪 8 0 年代初期起，在我国兴建的由国外设计的工程开始采用钢结构防火涂料，到1 9 8 5 年 左右，国内一些科研单位和厂家开始研究生产钢结构防火涂料。经过2 0 多年的发展， 无论从产品品种、质量还是应用范围，生产厂家都有长足的发展。与此同时，国家也颁 布了该产品的相关技术标准和规范，如g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 钢结构防火涂料通用技术条 件、g b j 2 0 5 钢结构工程施工与验收规范、中国工程建设标准化协会标准c e c s 2 4 ：9 0 钢结构防火涂料应用技术规范、g b 5 0 1 6 0 石油化工企业防火规范掣删。这对发 展我国钢结构防火涂料的生产起了极大的推动作用。以2 0 0 8 年奥运会为例，北京新建 场馆1 9 座，改扩建1 3 个，残奥会设施1 8 个，训练场馆5 9 个。奥运工程8 0 为钢结构， 用量为2 0 0 0 0 吨，涂料直接用量1 0 亿元。钢结构的应用是北京奥运场馆设计中的亮点， 1 2 西北大学硕士学位论文 这些钢结构按照我国现行防火规范要求应采用喷涂防火涂料等措施进行防火保护。 钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义【4 l j ：从所用溶剂来分，可分为溶剂 型和水基型钢结构防火涂料；从使用范围分，可分为室内和室外钢结构防火涂料；根据 防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚 型、薄型、超薄型钢结构防火涂料。以涂料层厚度来分类如表2 2 所示。 表2 - 2 钢结构防火涂料按厚度的分类标准 t a b 2 - 2t h es t a n d a r do fc l a s s i l y i n gr e t a r d a n tc o a t i n gf o rs t e e ls t r u c t u r e sb yt h i c k n e s s 1 厚型钢结构防火涂料 该类防火涂料在火灾中利用材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓 钢材的温升。这类防火涂料是用合适的粘结剂，再配以无机轻质材料、增强材料组成， 具有成本较低的优点。施工常采用喷涂，一般用在耐火极限小于2 h 的钢结构防火保护 中。如高层民用建筑的柱、一般工业与民用建筑中的支承多层的柱的耐火极限均应达到 3 小时，需采用该厚型防火涂料保护。厚浆型防火涂料按使用环境来分，有室内和室外 两种类型。一般来说，室内