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防火涂料的发展趋势及其作用

时间: 2011-07-24 21:00 来源: 作者: 王颖 季晓明 陈兰频 朱荣友点击:
针对近年来钢结构在建筑工程中广泛被应用的实际,结合火灾危险性特点和危害,本文分别论述了几种防火的性能和适用性,并指出了防火涂料的发展方向。

0 引言

建筑防火是消防科学技术的一个重要领域,而防火涂料又是防火建筑材料中的重要组成部分。防火涂料是指涂装在物体表面,可防止火灾发生,阻止火势蔓延传播或隔离火源,延长基材着火时间或增加绝热性能以推迟结构破坏时间的一类涂料。按用途和使用对象的不同可分为 : 饰面型防火涂料、电缆防火涂料、钢结构防火涂料、预应力混凝土楼板防火涂料等。我国防火涂料的发展,较国外工业发达国家晚 15 ~ 20 年,虽然起步晚,但发展速度较快。尤其是钢结构防火涂料,从品种类型、技术性能、应用效果和标准化程度上看,已接近或达到国际先进水平。近几年,其需求量成倍增长,这与钢结构建筑的迅速发展是分不开的。

1 钢结构防火涂料

钢结构作为高层建筑结构的一种形式,以其强度高、质量轻,并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特点,在建筑业中得到广泛应用,尤其在超高层及大跨度建筑等方面显示出强大的生命力。截止 1990 年底,世界上高 200 m 以上的 100 栋超高层建筑中钢结构占了 79% 。改革开放以来,随着国际间技术交流与合作的加强,钢结构应用技术在我国得到了蓬勃发展,高层和超高层建筑迅速增长。据 1995 年的统计资料,我国建成的 100 幢超高层建筑中钢结构占 37%,多数是近几年兴建的。随着我国城市规模的发展,钢结构在我国建筑业的应用具有非常广阔的前景。但由于钢结构自身不燃,钢结构的防火隔热保护问题曾一度被人们忽视。根据国内外有关资料报道及有关机构的试验和统计数字表明,钢结构建筑的耐火性能较砖石结构和钢筋混凝土结构差。钢材的机械强度随温度的升高而降低,在 5 000 ℃ 左右,其强度下降到 40% ~ 50%,钢材的力学性能,诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降,很快失去支撑能力,导致建筑物垮塌。因此,对钢结构进行保护势在必行。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。早在 20 世纪 70 年代,国外对钢结构防火涂料的研究和应用就展开了积极的工作并取得了较好的成就,至今仍是方兴未艾。 80 年代初国外钢结构防火涂料就进入中国市场,在工程上应用。从 80 年代初,我国也开始研制钢结构防火涂料,至今已有许多优良品种广泛应用于各行各业。

2 厚涂型钢结构防火涂料

厚涂型钢结构防火涂料是指涂层厚度在 8 ~ 50mm 的涂料,这类防火涂料的耐火极限可达 0 .5 ~ 3h 。在火灾中涂层不膨胀,依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性,延缓钢材的升温,保护钢件。这类钢结构防火涂料采用合适的粘结剂,再配以无机轻质材料、增强材料。与其他类型的钢结构防火涂料相比,除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外,由于它从基料到大多数添加剂都是无机物,因此成本低廉。该类钢结构防火涂料施工一般采用喷涂,多应用在耐火极限要求 2 h 以上的室内钢结构上。但这类产品由于涂层厚,外观装饰性相对较差。

3 薄涂型钢结构防火涂料

涂层厚度在 3 ~ 7 mm 的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。该类涂料受火时能膨胀发泡,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。这类钢结构涂料一般是用合适的乳胶聚 __ 合物作基料,再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这类防火涂料,要求选用的乳液聚合物必须对钢基材具有良好附着力、耐久性和耐水性。常用作这类防火涂料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性的丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。对于用水性乳液作基料的防火涂料,阻燃添加剂、颜料及填料是分散到水中的,因而水实际上起分散载体的作用,为了使粒状的各种添加剂能更好地分散,还加入分散剂,如常用的六偏磷酸钠等。该类钢结构防火涂料在生产过程中一般都分为 3 步 : 第一步先将各种阻燃添加剂分散在水中,然后研磨成规定细度的浆料;第二步再用基料 ( 乳液 ) 进行配漆;第三步在浆料中配以无机轻质材料、增强材料等搅拌均匀。该涂料一般分为底层 ( 隔热层 ) 和面层 ( 装饰层 ),其装饰性比厚涂型好,施工采用喷涂,一般使用在耐火极限要求不超过 2 h 的建筑钢结构上。

4 超薄型钢结构防火涂料

超薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过 3 mm 的钢结构防火涂料,这类防火涂料受火时膨胀发泡,形成致密的防火隔热层,是近几年发展起来的新品种。它可采用喷涂、刷涂或辊涂施工,一般使用在要求耐火极限 2 h 以内的建筑钢结构上。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比,超薄型膨胀钢结构防火涂料黏度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好。在满足防火要求的同时又能满足高装饰性要求,特别是对裸露的钢结构,这类涂料是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。公安部消防科研所研制出的“ SCB ” ( 溶剂型 ) 和“ SCA ” ( 水性 ) 超薄膨胀型钢结构防火涂料,涂层厚度分别为 2. 69 mm 和1.6mm,耐火极限分别为 147 min 和 63 min; “ LF ” ( 溶剂型 ) 和“ L6 ” ( 溶剂型 ) 超薄钢结构防火涂料,涂层厚度分别为 2 mm 和 3 mm,耐火极限分别为 94 min 和 90 min; 德国 Herberts 公司的“ Watet Base ” 38320 型钢结构防火涂料 ( 水性 ),涂层厚度为 2 . 63 mm,耐火极限为 63min; 38091 型钢结构防火涂料 ( 溶剂型 ),涂层厚度为 2 .42 mm,耐火极限为 124 min; 英国“ Nullifire ”钢结构防火涂料 ( 溶剂型 ),涂层厚度为 2.24 mm,耐火时间为 106 min; 江苏兰陵公司的“ SF ” ( 溶剂型 ) 和“ ECB ” ( 水性 ) 超薄型钢结构防火涂料,涂层厚度为 2 .07 mm 和 1 . 6 mm,耐火极限分别为 150 min 和 44min 。总而言之,由于国内研究超薄型钢结构防火涂料的时间还较短,对涂膜的防火性能及理化性能研究虽然进展较快,但是要提出效果优异的适合于室外应用的超薄型钢结构防火涂料,还需要在其耐候性方面作进一步研究。国外的钢结构防火涂料已向着超薄、超耐候性能、装饰性能优良的方向发展,并参照欧洲老化试验标准方法进行了耐候性实验,耐候性能优良,其涂膜的耐候性能满足室外使用的要求。所以为了赶上或超过国外同类产品,满足市场的需要,研制和开发高耐候性的室外超薄型钢结构防火涂料是今后发展的方向。

5 饰面型防火涂料

除了钢结构防火涂料,饰面型防火涂料、电缆防火涂料等也飞速发展。饰面型防火涂料是一种集装饰和防火为一体的新型涂料品种,当它涂覆于可燃基材上时,平时可起一定的装饰作用;一旦火灾发生时,则具有阻止火势蔓延,从而达到保护可燃基材的目的。正是因为它的这种特殊用途,所以国外工业发达国家早在 20 世纪 20 年代就出现了防火涂料。这种涂料的发展经过了两个阶段。初期出现的是以硅酸盐水玻璃为粘结剂的无机防火涂料,此类防火涂料自身不燃烧,遇火时能形成空芯泡层,对可燃基材有一定的保护作用,缺点是隔热性能和耐候性能较差,易产生泛白、龟裂和脱落。 40 年代末期,人们开始着手研制有机膨胀型防火涂料,此涂料主要特点是防火性和理化性均优于无机防火涂料,涂层遇火时能形成具有良好隔热性能的致密的海绵状膨胀泡沫层,能更有效地保护可燃性基材。与无机防火涂料相比,有机膨胀防火涂料是更有发展前途的防火涂料类型,所以在以后的几十年间得以迅速的发展,到 70 年代末国外膨胀型防火涂料年销量已在 7 380 t 以上。

我国饰面型防火涂料的发展也分两个阶段。 20 世纪 50 年代后期出现的防火涂料也是以硅酸盐水玻璃为粘结剂的无机防火涂料。 70 年代初期,一些专业油漆厂生产了过氯乙烯、氯化防火漆。以上两种防火涂料由于防火效果并不理想,所以并未在我国形成市场。直到 70 年代后期,我国才开始进行有机膨胀型防火涂料的研究工作。最早出现的膨胀型防火涂料是由公安部四川消防科学研究所研制 B60 - 1 丙烯酸膨胀防火涂料和 A60 - 1 改性氨基膨胀防火涂料。此后,我国的有机膨胀防火涂料得以迅速发展。到目前为止,我国的防火涂料生产企业已发展到 200 多家,销 __ 量数万吨,已形成跨部门的研究生产体系。

饰面型膨胀防火涂料,可分为溶剂型和水性两类,两类涂料所选用的防火组分基本相同,因此很难说它们的防火性能有多大的差别。其选用的溶剂以采用的成膜物质而定。溶剂型防火涂料的成膜物质一般选用氯化橡胶、过氯乙烯、氨基树脂、酚醛树脂等,采用的溶剂为 200 号溶剂汽油、喷漆稀料、醋酸丁酯等。水性防火涂料的成膜物质一般选用氯乙烯 - 偏二氯乙烯乳液、苯丙乳液、纯丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液等,这些材料均以水为溶剂。这两类涂料性能上的差别主要在于涂料的理化性能以及耐候性能,溶剂型防火涂料这两方面的性能都优于水性防火涂料。透明防火涂料是近几年发展起来并趋于成熟的一类饰面型防火涂料,产品广泛地适用于宾馆、医院、剧场、计算机房等木结构的装修,各种高层建筑及古建筑的装饰和防火保护。然而,随着我国工业的迅速发展及市场上的需求,对透明防火涂料提出了更高的要求,不但要具有良好的防火性能,而且要求漆膜透明光亮,耐候性能好。

6 电缆防火涂料

我国电缆防火涂料产品的研制始于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初,它是在饰面型防火涂料基础上结合自身要求发展起来的,其理化性能及耐候性能较好,涂层较薄,遇火能生成均匀致密的海绵状泡沫隔热层,有显著的隔热防火效果,从而达到保护电缆、阻止火焰蔓延、防止火灾的发生和发展的目的。电缆防火涂料作为电缆防火保护的一种重要产品,通过近 20 年来的应用,对减少电缆火灾损失、保护人民财产安全起了积极作用,其应用也从不规范到规范。但由于现代社会的飞速发展,电缆使用的环境、敷设的方式的多样化,从电缆防火涂料多年的应用情况看,现行的水性防火涂料还有些性能需要改进提高,才能满足电缆使用环境要求。目前使用情况较好的是溶剂型防火涂料,但由于这类涂料本身易燃,使用的火灾隐患也相当大,加之溶剂对人体会有不同程度的伤害,因此特别是在电缆竖井、电缆沟、电缆隧道等空间狭窄或不易通风的场所使用时应加强安全防护措施。从环保的角度考虑,今后应努力开发研制理化性能和耐候性能优良的水性防火涂料。

7 预应力混凝土楼板防火涂料

在高速发展的建筑中,采用混凝土的建筑结构十分普遍,其中,预应力钢筋混凝土比普通钢筋混凝土的抗裂性、刚度、抗剪性和稳定性更好,质量更轻,并能节省混凝土和钢材。但是,应用较多的预应力钢筋混凝土空心楼板的耐火性能很差,其原因是 : 预应力钢筋的温度达 2000 ℃ 时,屈服点开始下降,3000 ℃ 时,预应力几乎全部消失,蠕变加快,致使预应力板的强度、刚度迅速降低,从而板中的挠度变化加快,板下面出现裂缝,预应力钢筋直接受到高温作用,其刚度和强度进一步下降,混凝土在高温下性能也在改变,板下的混凝土受热膨胀方向与板受拉方向一致,助长了板中挠度的变化。混凝土在 3000 ℃ 时,强度开始下降,5000 ℃ 强 度降低一半左右,8000 ℃ 强度几乎丧失。在建筑火灾 中,这类楼板均在 0 .5 h 左右即断裂垮塌。

预应力混凝土空心板广泛用于现代建筑物中作为承重的楼板,由于它的耐火性差,成为贯彻建筑设计防火规范的一个难题。为了提高预应力楼板的耐火极限,人们首先采取了增加钢筋混凝土保护层厚度的办法,但效果不很明显,反而增加了楼板的质量并占用了有效空间。借鉴钢结构防火涂料用于保护钢结构的原理,我国从 20 世纪 80 年代中期起,逐步研究和生产预应力混凝土楼板防火涂料,较广泛地用于保护预应力楼板,喷涂在预应力楼板配筋一面,遭遇火时,涂层有效地阻隔火焰和热量,降低热量向混凝土及其内部预应力钢筋的传递速度,以推迟其升温的时间,从而提高预应力楼板的耐火极限,达到防火保护的目的。

8 结语

随着我国城镇建设开发力度的进一步加大,钢结构因其钢性和塑性都比较优良,将被广泛应用在大型展览、体育中心及高层建筑中。因此,必须进一步深入研究钢结构防火涂料性能,根据不同需要、不同功能,提高钢结构耐火极限,增强建筑物抗御火灾能力,确保国家和人民群众生命财产安全。
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