淺議鋼結構防火涂料在建筑防火中的運用

劉吉慶

摘要：隨著經濟的發展，鋼結構作為主要的建筑結構得到了越來越廣泛的應用，合理的選擇鋼結構防火涂料對保障建筑物的火災安全性至關重要，在這一背景下本文介紹了鋼結構防火涂料的防火機理、品種分類，并對其在建筑防火中的應用設計進行了探討。

關鍵詞：鋼結構；防火涂料；防火設計

中圖分類號：TU391文獻標識碼： A

引言

鋼結構體系具有自重輕、強度高、易于安裝與施工、可利用空間大、抗震性良好、可再次利用、環境污染少等特點被廣泛應用于工業廠房、體育館、展覽館等大型建筑和高層建筑，被譽為21世紀的“綠色建筑”。但是，鋼結構的耐火性能差，在正常荷載情況下，溫度達到500℃左右時鋼結構便會失去承載作用，而火場溫度通常會在10min內上升至800℃以上，在這樣的火災環境下，裸露的鋼結構很快便會出現變形得情況，產生局部破壞，最終失去承載力，造成建筑物坍塌，因此對鋼結構進行防火保護具有重大的意義。鋼結構的防火方法主要有噴涂防火涂料、安裝防火板、使用防火混凝土、采用柔性卷材防火、無機纖維防火、鋼構件內通水冷卻防火等方法。其中，鋼結構防火涂料由于其防火隔熱性能良好、設計施工方便、不受結構幾何形狀的限制等優點應用范圍最廣、效率最高。

1. 鋼結構防火涂料

1.1防火機理

鋼結構防火涂料是指噴涂或刷涂在建筑物鋼結構表面的一種防火型涂料，在火災環境下能夠形成耐火隔熱保護層，提高鋼結構的耐火極限以達到建筑設計防火規范的要求，進而避免鋼結構在火災情況下失去承載力導致建筑物坍塌的情況。鋼結構防火涂料的防火機理主要有三點：

（1）涂層具有難燃性或不燃性，對鋼基材起到屏蔽的作用，使鋼結構不至于直接暴露在高溫火焰中；

（2）涂層吸收熱量后某些物質會分解釋放出水蒸氣或其他不燃的惰性氣體，起到稀釋氧氣、消耗熱量、降低火焰溫度、減緩燃燒速度的作用，從而了抑制了燃燒的蔓延；

（3）當涂層為膨脹型防火涂料時，其受熱后會形成炭化泡沫層，對熱量向鋼基材的傳遞起到阻礙的作用，延緩了鋼材的升溫和鋼結構強度的降低，從而提高了鋼結構的耐火極限。

1.2分類

鋼結構防火涂料根據防火機理可以分為膨脹性和非膨脹性兩類，按照使用范圍可分為室內型和室外型，根據分散介質的不同又可分為溶劑型和水劑型，根據涂層厚度不同還可以分為厚涂型、薄涂型和超薄型，其中最常用的分類方式是根據涂層厚度進行劃分。

1.2.1 厚涂型鋼結構防火涂料

厚涂型是指涂層厚度為8mm~50mm，密度較小，呈粒狀面，熱導率低，耐火極限在2h以上的防火涂料。

該類防火涂料的主要成分為無機材料，使用硅溶膠、耐火水泥、水玻璃、磷酸鋁鹽等無機膠結料配以膨脹珍珠巖、漂珠、海抱石、粉煤灰等無機輕質絕熱骨料材料，硅酸鋁纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、巖棉等增強材料以及相關防火添加劑、化學藥劑和填料等混合配制而成，防火性能穩定，適宜長期使用。但由于其組分顆粒較大、涂層外觀較粗糙，對建筑物的整體美觀造成一定影響，因而大多用于結構隱蔽的工程。其施工常采用噴涂的方式，適用于耐火極限要求在2h以上的室內外隱蔽鋼結構、高層全鋼結構及多層廠房鋼結構。

1.2.2 薄涂型鋼結構防火涂料

薄涂型是指涂層厚度為3mm~7mm，有一定的裝飾效果、高溫時會膨脹變厚的耐火極限在2h以內的防火涂料。

該類鋼結構防火涂料是選用適宜的，對鋼材具有良好的附著力以及耐久性和耐水性的水性聚合物為基料，配以防火添加劑、阻燃劑復合體系和耐火纖維等混合而成。此類防火涂料的裝飾性能要優于厚型鋼結構防火涂料但遜色于超薄型鋼結構防火涂料，采用噴涂施工，常應用在耐火極限在2h以下的鋼結構防火保護工程中，如一般民用與工業建筑樓蓋與屋蓋鋼結構。

1.2.3 超薄型鋼結構防火涂料

超薄型是指涂層厚度≤3mm，裝飾效果好，在高溫下能夠膨脹發泡，耐火極限通常在2h以內的防火涂料。

此類鋼結構防火涂料一般為溶劑型體系，具有良好的耐水性能、流平性能以及較高的黏結強度，遇火時能夠緩慢膨脹發泡形成致密而堅硬的防火隔熱層，有效保護鋼構件。該類鋼結構防火涂料可采用噴涂、輥涂或刷涂的施工方式，一般應用于耐火極限要求在2h以內的建筑鋼結構上，如工業與民用建筑梁、柱等鋼結構。目前國內外，已經研制出多種耐火極限超過2h的新品種超薄型鋼結構防火涂料，廣泛應用于各種輕鋼結構、網架等的防火保護中。

2.鋼結構在火災環境下的特性

2.1力學響應

鋼結構雖然屬于非燃燒材料，但是其不具備耐火性能，高溫下的鋼構件各種物理力學性能都有不同程度的變化，特別是其強度的變化，對于鋼構件的承載力有很大的影響。GB700-88《碳素結構鋼》和 GB1591-1994《低合金結構鋼》要求的Q235、Q345鋼等普通建筑用鋼在全負荷的情況下失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為540℃左右。通常在溫度達300～400℃時，其強度開始迅速下降；500℃左右時鋼強度下降到40％～50％，鋼材的屈服點、彈性模量、荷載能力、抗壓強度等力學性能迅速降低，低于建筑結構所要求的屈服強度，以致不能承載建筑結構的許用應力導致建筑物的坍塌。由此可見，如果使用沒有進行防火保護的普通建筑用鋼作為建筑構物的承載主體，一旦發生火災時建筑構物便會迅速坍塌，對人民的生命和財產安全造成嚴重的損失。圖1、圖 2分別給出了高溫作用下鋼結構的應力應變曲線和鋼結構的折減系數。

圖1 鋼結構在高溫下的應力應變曲線

圖2 鋼結構在高溫下的折減系數

2.2溫度分布特性

在火災環境下，熱量向鋼構件內部的傳遞了分為熱輻射和熱對流兩部分，如圖3所示。

圖3 熱量與鋼構件之間的傳遞示意圖

其中以熱輻射的方式從熱空氣中向鋼構件傳遞的凈熱量課按式1計算：

（1）

式中—綜合輻射系數，，其中指與著火空間有關的輻射系數，通常取0.8，指與鋼構件表面特性有關的輻射系數，通常取0.625；—空氣溫度，℃；—構件表面溫度，℃；—單位時間內向鋼構件單位表面積上傳遞的熱量，；—形狀系數，通常取1.0；—常數，。

以對流方式從熱空氣中向鋼構件傳遞的熱量可按式2計算：

（2）

式中，—單位時間向鋼構件單位面積上傳遞的熱量，；—對流傳熱系數，對于纖維類燃燒或在，可取，對于烴類燃燒火災，可取。

鋼構件相比于其他建筑材料其傳熱性能較好，在涉及鋼結構內部溫度分布時，一般不考慮沿構件厚度和寬度上的熱梯度的影響，即假定其截面上各點溫度相同，截面溫度分布均勻。

3.建筑中鋼結構的防火設計

3.1防火涂料選型

鋼結構在建筑中的使用部位、承載形式及強度都不盡相同，因此對其耐火性能的要求也不一樣。此外，由于建筑物本身的特點以及發生火災的危險性也有所差異，對相關構建的耐火性的要求也不盡相同，因此科學合理地選擇適宜的防火涂料來對鋼結構進行保護對建筑物的防火安全至關重要。

（1）所選防火涂料產品必須符合國家相關技術性能的規定、達到相關標準，并附有并附有國家檢測機構檢測合格的耐火性能和理化性能檢測報告以及消防監督機關頒發的生產許可證，同時應附有涂料品名、使用說明、技術性能、貯存期限、制造批號等相關說明。

（2）根據建筑物功能及建筑部位選擇適宜的防火涂料。建筑物的耐火等級要求不同，不同的耐火等級對應著不同的耐火極限。當耐火極限要求低于1h，可選用薄涂型或者超薄型防火涂料；當耐火極限要求低于2.5h時，可選則厚涂型或者薄型或防火涂料；當耐火極限要求在2.5h以上時，應選用厚涂型防火涂料。

防火涂料應用于建筑物部位的不同其耐火等級也有所不同，裸露部位以及對建筑物裝飾效果要求較高高時可選用超薄型防火涂料，例如屋頂的承重構件；裸露的網架構件以及柱等可選用薄涂型防火涂料；對于隱蔽部位等外觀效果要求不高的可選用厚涂型防火涂料。

3.2防火涂層厚度的確定

涂敷防火涂料的鋼材表面事先應進行嚴格的除水與除銹作業，經噴砂除銹時應達到Sa2.5級標準，手工除銹應達到St3標準級以上，除銹后的鋼材表面再采用環氧防銹漆或者酚醛紅丹等作防腐處理。在工程設計中一般根據防火涂料涂敷在I36b工字鋼鋼梁上，經過耐火試驗得出的耐火極限數據以及防火規范規定的耐火極限要求來確定防火涂層厚度。

表1 鋼構件應達到的耐火極限要求

耐火等級 耐火極限（h）

高層民用建筑 一般工業與民用建筑

柱 梁 樓板屋頂的承重結構 支撐多層的柱 支撐單層的柱 梁 樓板 屋頂承重結構

一級 3.00 2.00 1.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.50

二級 2.50 1.50 1.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50

三級 2.50 2.00 1.00 0.50

根據CECS 24-90鋼結構防火涂料應用技術規范中當用厚涂型防火涂料（即 W1/D1≥22，T1≥9mm）、耐火極限 t≥1 小時時，可按下式計算：

（3）

式中，—待保護涂層厚度，mm；—標準試件涂層厚度，mm；—待保護鋼梁質量，kg/m；—標準實驗時鋼梁質量，kg/m；—待保護鋼梁涂層接觸面周長，mm；—標準試驗時鋼梁涂層接觸面周長，mm；—系數，對鋼梁取1，對相應樓層鋼柱取 1.25。

對超薄型和薄涂型防火涂料涂層厚度的確定一般以耐火試驗報告中涂層厚度為依據，并適當留有余地以增加安全性。超薄型防火涂料耐火極限不宜超過1.5h，耐火極限為1.5h的構件涂層厚度不低于3mm，耐火極限1h的涂層厚度不低于2mm。薄型防火涂料在耐火極限不超過2h的涂層厚度不低于5mm；耐火極限不超過1.5h的涂層厚度不低于4mm。

4 結語

隨著鋼結構建筑的快速發展，鋼結構防火涂料的運用前景也越來越廣闊，應不斷提高鋼結構防火涂料的耐火性能、不斷豐富其品種類型，根據不同需要、不同功能來選擇適宜的涂料類型、進行合理的防火設計，以提高鋼結構的耐火極限，增強建筑物抗御火災能力，保障國家和人民生命財產的安全。

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