摘要：本文从防火涂料出发，研究了钢结构的耐火极限，分析了防火涂料的分类和机理以及工业用钢结构房的火灾类型，指出了防火涂料检测方法和标准等方面存在的问题，并明确了防火涂料的选用原则及涂层的厚度设计以及为防火设计提供有益的参考。
关键词：钢结构；防火性能；检测方法；工程应用
1钢结构的耐火极限要求
耐火极限即耐火性能，它表示材料抵抗火灾侵袭的能力，按时间-温度标准曲线进行耐火试验，以构件受火作用起至失去支持能力或完整性被破坏，从而达到“失效”点所用的时间就为其耐火极限。参考APIRP2218，通常将1000℉（538℃）作为“失效”点，结构钢材在受热达到1000℉（538℃）时，其强度大约损失了一半。
GB50160-2008《工业用钢结构房企业设计防火规范》中，对承重钢结构的耐火保护作出了规定。而GB50016-2014《建筑设计防火规范》中，对承重钢结构的耐火等级，燃烧性能以及耐火极限也进行了规定，APIRP2218规定：液化石油气罐以及在距离液化石油气罐50英尺以内或在泄漏滞积区域以内的管道支撑，其耐火极限应不小于1.5h；而如果事故应急人员在1-1.5小时路程以外或火情更为严重的话，就应选择3h的防火极限。因此，不对钢结构进行防火保护的话，就不能满足设计的要求，也无法保证其安全性。
2防火涂料的分类及防火机理
我国现行的GB14907-2002《钢结构防火涂料》标准根据防火涂层的使用厚度将防火涂料分为：厚型防火涂料（H型），薄型防火涂料（B型）和超薄型防火涂料（CB型），其涂层使用厚度和耐火极限要求如表1所示。
表1涂层使用厚度和耐火极限要求
厚型钢结构防火涂料又称非膨胀型防火涂料，其主要成分为无机绝热材料，呈现粒状面，密度较小，涂层受热不膨胀，由于其自身具有良好的隔热性，因而也叫隔热性防火涂料，其防火机理是利用涂层固有的良好绝热性，阻止火灾热量向钢材传递，并且在高温下形成一种结构致密的釉状物，能有效地隔绝氧气并具有反射热量的作用，延缓钢结构的升温，从而起到防火保护的作用。
薄型和超薄型钢结构防火涂料又称膨胀型防火涂料，其主要由基料脱水剂、成碳剂和发泡剂等成分组成，当温度升高到一定程度的时候，脱水剂促使多羟基化合物脱水碳化，在发泡剂分解释放出大量气体的作用下，涂层发生膨胀，膨胀倍数可达十几倍甚至几十倍，形成致密的泡沫状炭化隔热层，从而阻止热量向钢结构传递，起到防火保护的作用。
3工业用钢结构房的火灾类型
工业用钢结构房中的“火”同标准意义中的“火”有着较大的差别。以木质纤维为燃烧介质的火，通常称为标准火；而工业用钢结构房的火是以油、气等为燃烧介质，通常称为烃类火。目前国内防火涂料产品的耐火极限试验的升温过程是按ISO834的时间-温度标准曲线进行升温的，它是标准火的升温曲线；而英、美、荷兰等许多国家，已分别制定了不同的烃类火升温曲线。从图1中可见，烃类火要比标准火升温快得多。因此，在工业用钢结构房的钢结构防火设计中，应针对烃类火灾升温快速的特点，选择适当的防火材料，确定相应的耐火极限，从而对烃类火灾的高温火灾进行防范见图1。
图1几种升温曲线的比较
4防火涂料存在的相关问题
4.1耐火性能测试方法落后的问题
目前测试钢结构防火涂料耐火性能的方法是采用GB14907-2002《钢结构防火涂料》规定的方法，即按照规定的设计载荷在136b或140b工字钢梁上加载（UL1709也是类似的在美标10W49型钢上加载），在水平燃烧炉上进行燃烧试验，所要求的计算跨度不小于4200mm；这种模拟试验方法成本高，浪费了大量的钢材、燃气和检验费用，国内仅有少数检测机构具有此项检测能力，实际使用过程中难以对涂料的使用质量进行检测，具有较大的局限性，工程验收现场检测也只能检测防火层厚度等物理指标，而耐火性能往往用当年的检验报告代替，这种做法不利于提高产品质量，同时也留下了火灾隐患。
4.2标准的滞后问题
由于种种原因，防火涂料检测标准的编制、发布和实施往往滞后于防火涂料产品的生产和使用。以目前我国现行的GB14907-2002《钢结构防火涂料》标准为例，其中的厚型钢结构防火涂料的耐火极限只要求不低于2h，根本无法满足钢结构逐渐增长的防火时限要求（在实际设计过程中，很多的耐火极限都要达到抗烃类火灾3小时以上）。另一方面，国外对防火涂料的成分和着火烟气量等方面都制定了详细的相关ASTM标准，国内在此部分尚有欠缺。由于上述原因就造成了防火设计和防火涂料使用易出现无据可依的局面。防火涂料产品良莠不齐，为钢结构防火涂料的安全使用埋下了较大的隐患。结合工程经验，建议承接国外项目进行防火设计时，选用通过美国保险商实验室的钢结构保护材料烃类火灾试验检测的涂料产品，即通过UL1709检测的防火涂料产品。
5防火涂料的选用原则及涂层的厚度设计
（1）工业用钢结构房企业的钢结构以室外的钢结构居多，火灾类型大多属于烃类火灾，根据其火灾特点，制定如下的防火涂料选用原则：
①应选择具有绝热性强、粘结性高、耐水、耐腐蚀、耐冻融、耐湿热和抗老化性能好的室外用厚型防火涂料。
②应选择室外用的且对早期高温火灾有较明显作用的厚型防火涂料。
③薄型和超薄型防火涂料大多适用于室内钢结构、钢屋架、钢网架、非工业用装饰性钢结构等。
（2）为保证钢结构防火设计的安全可靠和经济合理，对于具有不同耐火极限要求的不同规格的钢结构，其应涂覆不同厚度的防火涂层。初步给出防火涂层厚度的设计原则：
①当选用的防火涂料产品已做过不同厚度涂层的耐火试验时，可以根据防火规范对钢结构构件耐火极限的规定，直接选用所需的涂层厚度。
②对于薄型和超薄型防火涂层厚度的确定，一般是以耐火试验时的涂层厚度为依据，同时可适当留有余量，以增加安全系数。
③当使用厚型防火涂料时，可以根据已有的试验数据（仅适用于型钢），通过使用经验公式计算来确定涂层厚度。
6结束语
钢结构防火涂料的防火设计的实质就是使钢结构构件在火灾中的升温不超过其临界的“失效”点温度，从而确保其耐火稳定性，即使钢结构的实际耐火时间≥规定的耐火极限。未来，更加环保、更加高效以及同时兼备防腐和防火性能的防火涂料将是今后的发展方向。
参考文献：
[1]张仁忠.磷酸盐低熔玻璃的制备及其在无机薄型钢结构防火涂料中的应用研究[D].石河子大学，2015.
[2]闫兴辰. 截面形式对超薄型防火涂料防火性能影响的试验研究[D].北方工业大学，2015.
[3]王朋. 超薄型防火涂料组分间协效作用研究[D]. 北京化工大学，2016.
论文作者:王龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/11
标签：钢结构论文; 耐火论文; 防火涂料论文; 涂层论文; 火灾论文; 厚度论文; 极限论文; 《基层建设》2018年第21期论文;