浅析钢结构的防火及防火涂料

0.前言
钢结构建筑是继钢筋砼建筑之后的最具革命性的建筑新发展和新应用,与普通钢筋砼相比具有结构断面小、自重轻、强度高、抗震性能好、质量易于保证等优点,适用于大跨度,大空间高耸建筑结构以及在软地基土上进行建造。随着经济建设得不断发展,我国钢材的产量和需求量每年也在不断攀升,钢结构应用也越来越广泛。然而钢结构在使用过程却也存在着一些缺点,特别是钢材的不耐火性。

1.钢结构的防火性能
1.1 钢材在高温条件下的力学性能
钢结构属非燃烧体,其耐热性能高于钢筋混凝土结构,但耐火性差,在无防护措施的条件下钢结构耐火极限只是15 分钟左右。当火灾发生时,随着温度的升高,钢材的性能有很大的变化,钢材的屈服点、抗压强度、弹性模量等力学性能迅速下降。当温度达150℃以上时就必须采取防护措施; 在300~400℃时,钢材强度开始迅速下降;600℃左右失去承载能力,发生很大的形变。而一般火灾现场的温度都会达到800~1000℃,在这样的高温下裸露的钢结构构件强度会迅速降低, 出现塑性变形,产生局部破坏,最终导致辞钢结构建筑物整体倒塌破坏。

1.2 钢结构建筑防火的措施和方法论
钢结构具有不耐火性,因此需要对其进行防火保护,以减轻钢结构在火灾中的破坏, 避免结构在火灾中由于建筑倒塌对人身安全造成威胁。钢结构防火的目的就是提高结构的耐火极限,防止钢材构件在火灾中迅速,为灭火救人争取时间,以及减少灾后的修复费用和结构恢复时间。目前,提高钢结构防火性能的主要方法有截流法和疏导法。截流法是截断或阻滞火灾产生的热量向构件的传输, 从而使构件在规定的时间内温度上升不超过其临界温度, 其做法是构件表面设置一层保护材料。具体有喷涂法,包封法,屏蔽法和水喷淋法。与截留法不同,疏异法则允许热量传到构件上,然后设法把热量引导走或者消耗,使得温度无法达到临界温度,从而起到保护结构的作用。在各类防火方法中,采用防火涂料进行防火的方法是目前为止被认为最有效也是应用最广的措施。

2.防火涂料
防火涂料又称阻燃涂料,主要由成膜物、成炭剂、在炭催化剂、发泡济、无机颜料、填料等组成,它不仅具有普通涂料的装饰性,而且具有防腐蚀、防锈、耐酸碱等性能,且其本身具有不燃性或难燃性,故在火灾中能阻止或延滞附着物的燃烧。

2.1 防火涂料的分类
防火涂料分类方法较多,可按不同的原则划分。依其防火机理不同可分为非膨胀型与膨胀型两类。非膨胀型防火的作用是一是涂层自身难燃或不燃, 二是在火焰或高温的作用下能释放出灭火气体,并形成非燃气体的无机层来隔绝空气。膨胀型防火涂料遇火膨胀发泡, 使内部结构不直接与空气污染接触从而延缓结构燃烧或破坏。按阻燃形式分有阻燃涂料、烧蚀涂料、璃状熔融。按分散介质不同可分为水性防火涂料和溶剂型防火涂料两大类。使用范围可分为室内防火涂料和室外防火涂料。以添加阻燃剂方式来划分可分为添加型防火涂料和反应型防火涂料。若按其功能与具体的防护基材可分为饰面型防火涂料、电缆防火涂料、钢结构防火涂料以及隧道防火涂料。

2.2 钢结构防火涂料
钢结构防火涂料是将防火涂料涂覆于钢材表面, 以形成耐火隔热恋保护层, 阻碍火焰的侵袭从而提高钢结构的耐火极限。涂料涂层对钢基材起屏蔽作钢结构防火涂料的防火原理是: ①包裹钢基材火灾时使其不直接暴露在高温或火焰中。②防火涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体, 消耗部分热量从而降低了火焰温度和燃烧速度以及稀释氧气的作用。③由于防火涂层轻质多孔且受热后将形成碳化泡沫层,阻止了热量向钢基材地传递,推迟了钢基材强度的降低,从而达到提高了钢结构的耐火极限的目的。

2.2.1 厚涂型钢结构防火涂料
厚涂型钢结构防火涂料是指其涂层厚度在8~50mm 之间,耐火极限一般≥2h。它是利用材料的不燃性、低导热或涂层中材料的吸热性来延缓钢材的温升。其防火涂料主要是由非膨胀型无机防火涂料组成,具有耐热恋性、隔热性和完全不燃、不发烟等特点。其原料易得,成本较低,施工时采取喷涂或抹涂,可分人室内和室外两种类型。

2.2.2 薄型钢结构防火涂料
薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度在3~7mm 之间,耐火极限一般2h 小时以内,通常取用喷涂施工。此类防火涂料主要是以水溶型为主,一般选用合适的水性聚合物作基料,再配以阴燃剂复合体系、防炎添加剂、耐火纤维等。其具有较的装饰性和理化性能,装饰性优于厚型防火涂料,稍逊色于超薄型钢结构防火涂料。火灾时受火膨胀发泡,形成耐火隔热层来延缓钢材的温升,起到保护钢构件作用。这类涂料可用于高层民用建筑中的梁,一般工业与民用建筑中支承单层的柱、梁、楼板和层顶承重构件。

2.2.3 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3mm 以内,耐火极限要求2h 小时以内,以溶型为主,具有良好的装饰和理化性能,受火时膨胀泡形成致密、强度高的防火隔层,该防火隔层极大地延缓了钢材温度的提高, 从而提高了钢结构的耐火极限,是一类新型防火材料。由于其厚度较薄,在工程中与厚型、薄型钢结构防火涂料相比用料大大减少, 因而可降低工程总费用。该防火涂料可用于一类建筑物中的梁楼板与层顶承重构件和二类建筑中的柱、梁、楼板中的钢结构的保护。

3.结束语
现今,高层钢结构建筑日趋增多,特别是一些大跨度,大空间,超高层建筑采用钢结构材料尤为广泛,。然而我们必须意识到这些高层建筑一旦发生火灾,短时间内火将难以扑灭,这就要求在建筑设计时必须加大对建筑材料的防火保护, 同时制定必要的应急方案在火灾发生的第一时间迅速疏散人群,以减少人员伤亡和财产损失。我们还需加强新的钢结构防火涂料的研究, 开发新型防火涂料,使其充分发挥防火功能。

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