钢结构防火涂料应用的若干前沿问题.doc

钢结构防火涂料应用的若干前沿问题王玲玲 李国强 王永昌同济大学建筑工程系 上海摘要：简要介绍钢结构防火涂料的工作原理及分类，并对钢结构防火涂料应用的若干前沿问题进行探讨，包括非膨胀型防火涂料的破损问题、膨胀型防火涂料的老化问题和膨胀型防火涂料隔热参数的确定问题。关键词：钢结构防火涂料；等效热传导系数；耐火极限；破损；老化1 钢结构防火涂料的工作原理及分类在GB14907-2002钢结构防火涂料规范中，钢结构防火涂料定义为涂于建筑物及构筑物的钢结构表面，形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料。目前，钢结构防火涂料已广泛应用于建筑工程、舰船室、化工储罐、石油管道等钢结构的防火保护。其工作原理概括起来有：（1） 涂层对钢结构起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰的高温中，延迟着火和减小燃烧速度。（2） 防火涂料本身除了具有难燃性和不燃性外，它还具有较低的导热系数，可以延迟火焰温度向被保护钢结构基体的传递。（3） 涂层吸热后部分物质分解出的水蒸气或其他不燃气体起到消耗热量、降低温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。（4） 膨胀型防火涂料遇高温时涂层能迅速在钢结构表面建立一个轻质绝热泡沫层，减缓温度向钢结构基体的传导，使之达到规范规定的耐火极限要求。防火涂料根据不同的标准有不同的分类方法：按防火机理的不同可分为非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料；按基料组成成分的不同可分为无机防火涂料和有机防火涂料；按使用的分散介质不同可分为水溶性防火涂料和溶剂型防火涂料；按涂覆基材的不同可分为结构型防火涂料和饰面型防火涂料。在文献1中，按使用场所的不同。将钢结构防火涂料分为室内钢结构防火涂料（用于建筑物室内或隐蔽工程的钢结构表面）和室外钢结构防火涂料（用于建筑物室外或露天工程的钢结构表面）；按使用厚度的不同将钢结构防火涂料分为超薄型钢结构防火涂料（涂层厚度小于或等于3mm）、薄型钢结构防火涂料（涂层厚度大于3mm且小于或等于7mm）以及厚型钢结构防火涂料（涂层厚度大于7mm且小于或等于45mm）。厚涂型钢结构防火涂料又叫钢结构防火隔热喷涂涂料，该涂料是用合适的无机胶结料、防火添加剂、化学药剂和增强材料及填料等混合配制而成，成本较低。火灾中涂层基本不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢构件。其防火性能稳定，长期使用效果好，但涂层外观装饰性差、表面粗糙，大多用于隐蔽钢结构及多层厂房结构。薄型钢结构防火涂料，一般用水性聚合物做基料，再配以阻燃剂复合体系、防火添加剂、耐火纤维等组成。受火时能膨胀发泡，以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的升温，保护钢构件。其装饰性优于厚涂型防火涂料，逊色于超薄型钢结构防火涂料，一般用在耐火极限要求不超过2h的建筑钢结构，特别适用于体育馆和工业厂房等裸露钢结构。超薄型钢结构防火涂料一般为溶剂型体系，其防火机理与薄型钢结构防火涂料相同。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，超薄型钢结构防火涂料具有粒度细、涂层薄、施工方便、装饰性好等优点。在满足防火性能要求的同时，还能满足高装饰性要求，特别适用于裸露钢结构的装饰与保护。喷涂防火涂料具有施工简便、重量轻、耐火时间长且不受钢构件几何形状限制等优点，作为一种主要的钢结构抗火措施被广泛应用。在钢构件表面喷涂防火涂料虽然具有较好的经济性和实用性，但还存在诸多尚未较好解决的问题，目前的前沿研究包括非膨胀型钢结构防火涂料的破损、膨胀型钢结构防火涂料的老化以及钢结构防火涂料隔热参数的确定等问题。2 非膨胀型钢结构防火涂料的破损问题在使用过程中，由于厚涂型防火涂料与钢构件之间的粘结性能差，在地震、碰撞和爆炸等作用下会发生破损或者脱落，从而使钢结构构件全部或部分失去防火保护，如图1所示。图1，厚涂型钢结构防火涂料破损图片厚涂型钢结构防火涂料的破损问题早在20世纪90年代就被人们重视，但一直没有得到很好的解决。纽约世贸中心倒塌前，美国建筑师协会（AIA）曾在1999-2000年6月对世贸中心双塔钢结构防火保护的情况进行过全面的调查，调查结果显示，世贸中心双塔钢结构防火在施工、维护方面存在一系列严重的问题。在“9.11”恐怖袭击造成纽约世贸中心双塔楼和7号楼因撞击和火灾倒塌后，美国建筑业和消防界做了大量研究，专家认为，对于采用钢结构的高层建筑，可靠的防火保护是保障整个大楼安全的关键因素。2002年5月，美国联邦紧急事务管理局联邦应急管理局公布了题为纽约世贸中心建筑性能研究：基础资料、初步检测与推荐对策的调查报告，文中强调，钢结构防火保护是决定建筑安全的关键因素。钢结构由于撞击、火烧而发生变形时，防火保护材料必须牢固附着在钢材表面，以确保钢结构在设计的耐火极限内不发生破坏。目前，非膨胀型钢结构防火涂料的破损问题受到了国内外研究学者的广泛关注并取得了一些研究成果。Tomecek、Ryder及Milke用数值分析的方法研究了防火涂料的破损对钢柱抗火性能的影响，并用临界温度作为钢柱抗火能力的判断标准。Fontana、Knobloch用有限元分析的方法研究了防火涂料破损的位置及面积对钢柱耐火极限的影响，在分析的过程中，考虑了温度场分布、热应变和二阶效应的影响。王佳采用ANSYS有限元分析研究了防火涂料的局部破坏对构件温度分布的影响。王卫永通过试验研究和理论分析的方法，研究了地震荷载作用下防火涂料的破损机理和破损的计算方法，建立了考虑防火涂料破损的钢柱在火灾下的分析模型，对有防火涂料破损的钢柱的抗火性能进行了研究。地震作用下，厚型防火涂料的破损主要集中在构件上曲率变化较大的地方，例如钢柱的端部、钢梁的端部和中部等，这主要是因为钢材和防火涂料是两种完全不同的材料，钢构件的曲率变化较大处，构件和涂料之间的粘结应力就大。在防火涂料的施工和正常使用过程中，构件上的防火涂料也可能会承受来自外界的碰撞和冲击作用，在这种作用下，防火涂料的破损位置具有随机性。在地震、碰撞和爆炸等作用下，厚涂型防火涂料的破损方式、位置和程度与荷载类型、大小和作用方式有关。地震荷载作用下，钢构件上厚涂型防火涂料的破损机理、破损模式及使用过程中或者爆炸冲击荷载作用下防火涂料的破损位置和大小有待进一步研究。3 膨胀型钢结构防火涂料的老化问题对于膨胀型防火涂料，其组成物中，无论是成膜物、酸源、碳源还是气源，绝大部分是有机物。而膨胀型防火涂料无论用于室外还是室内，都可能经受紫外线照射、湿度、温度等各种复杂自然环境因素的考验，从而引起涂料组分产生降解、老化。所谓老化，就是涂料在使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其物理化学性能和机械性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值，失去防火隔热效果。目前，无论何种防火涂料，其检测报告中给出的耐火极限均是其使用前的检验结果，而火灾发生可能是在防火涂料涂覆后的1年，也可能是在涂覆后的10年或者更长时间，经过不同的年限后，防火涂料的防火隔热性能是否依旧，如果火灾一旦发生，防火涂料能否发挥应有的作用，这些都是亟待解决的问题。近年来，膨胀型防火涂料的老化问题受到了国内外研究学者的广泛关注并取得了一些研究成果。程海丽选取了2种在全国各地都有工程实例、有代表性的膨胀型防火涂料薄型水性钢结构防火涂料和超薄型油性钢结构防火涂料，首先对这两种涂料分别进行冻融循环试验和人工加速老化试验，试验制度均为自行设计；然后对这两种涂料进行防火性能测试；最后用受火后涂层的膨胀高度、碳化面积以及涂层质量和碳化层质量来评价防火涂层抗火性能的衰减程度。By Y.Sakumoto等对所选取的钢结构膨胀型防火涂料分别按照自行设计的试验制度、对DIN4102及BS8202涂料进行了加速老化试验和隔热性能试验。试验结果表明，影响该涂料的主要环境因素是水。因此，By Y.Sakumoto等以研究涂料的耐水性为重点，进行了加速老化试验和隔热性能试验。基于以上试验结果，提出针对日本高温高湿度环境下检验膨胀型钢结构防火涂料耐久性的试验方法。在上述文献中，作者进行的人工加速老化试验，无论是自行设计的试验制度还是按照规范选取的试验制度，只能为材料比较提供一致的标准，即在实时老化测试得到验证以前，这些测试方法中得到的结果可用于评价材料性能，但并没有回答某种涂料在特定的使用环境下一段时间后剩余隔热性能的问题。对于所有人工加速老化试验，人们首要关心试验是否与材料最终使用环境中实际发生的情况相符，并称之为相关系数。该系数与材料使用寿命的评估密切相关。令人遗憾的是，任何材料都没有确认的相关系数，大部分相关专家认为，相关（或加速）系数只能通过试验取得。4 膨胀型钢结构防火涂料隔热参数的确定防火涂料通过隔热延缓钢结构受火升温，从而提高钢结构的抗火性能，因此，钢结构防火涂料隔热参数的准确确定，是进行钢结构抗火设计的基础。对于非膨胀型防火涂料，CECS200：2006建筑钢结构防火技术规范中规定，生产厂商应提供非膨胀型防火涂料导热系数（500）、比热容、含水率和密度参数，或提供等效导热系数、比热容和密度参数。并在附录A中规定了非膨胀型防火涂料等效导热系数的测定方法。膨胀型防火涂料的主要特点是在高温作用下，涂料中的化学成分发生反应，导致涂料发泡膨胀，从而起到保护钢结构构件的作用。膨胀型防火涂料在发泡膨胀过程中，其热工参数和厚度随着温度的升高在不断变化，因而，采用常温下的热工参数和厚度进行钢结构抗火设计是不正确的。我国规范中也并未给出确定膨胀型防火涂料热工参数的方法。近年来，该问题得到国内外研究学者的广泛关注，并取得了一些研究成果。M.Bartholai等用一种简化的方法计算膨胀型防火涂料的等效导热系数。该方法包括以下几个步骤：1）钢板上涂覆有不同类型的防火涂料，并且变化钢板的厚度。2）把钢板有涂料侧放在锥形量热仪（cone calorimeter）下，变化锥形量热仪的外部热通量。3）测量钢板背面的温度，并将测得的温度-时间曲线作为数值分析的输入条件。4）用有限差分程序计算涂层的热传导系数。得到的涂层有效导热系数是一个评价涂层导热性能的综合参数，它将涂层在发热膨胀过程中的一些性能参数的变化都考虑在其中，如初始导热系数和初始厚度的不同，膨胀过程中涂层厚度、密度的变化等。M.Bartholai按照文献15提出的方法来计算涂料的有效导热系数，但在测量构件的温度时，采用了两种不同的方法,锥形量热仪测量法和试验炉测量法。用锥形量热仪测量构件的温度时，变化热通量模拟不同严重程度的火灾场景；试验炉测量法中，温度随时间的变化采用标准的温升曲线进行控制。试验结果表明。在温度不大于750时。两个试验的结果可以相互验证.Y.C.Wang等认为膨胀型防火涂料的高温性能除了与温度有关，还与火灾类型有关。Y.C.Wang等通过在锥形量热仪上进行的50个试验数据来考察钢板厚度、涂层层数和热通量水平对涂层高温导热系数的影响，并提出了一种方法，以便将标准火灾下得到的参数用到实际火灾条件下的抗火安全设计中。蒋首超等提出一种防火涂料等效导热系数的确定方法。具体方法为：将一段待测防火涂层的钢构件（构件的截面形状、防火涂层厚度等均