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从纽约世贸大厦看钢结构防火涂料的防火原理及现存问题
2011-09-14 14:33:42  被阅[6955]次  

  导言

  911事件中,纽约世贸双塔,在飞机撞击起火后,在世人惊诧的目光中轰然塌落,灰飞烟灭,出乎所有人的预料。但其实又是在可预料之中的,这正是因为世贸双塔建造的时候主体采用的是钢结构。

  

  钢结构的优缺点

  钢结构作为现代建筑的主要形式,在常温下具有质量轻、强度高,抗震性能好,施工周期短,建筑工业化程度高,空间利用率大等优点,但钢结构建筑抗火性能差的特点也非常明显。
  钢材虽是一种不燃烧的材料,却是传导热量的优良载体。钢材在温度超过300度以后,屈服点和极限强度显著下降,达到600度时强度几乎等于零!
  科学试验和实例都表明,未加保护的钢结构在火灾情况下,只需15分钟,自身温度就会上升到540度以上,致使构件本身扭曲变形,导致建筑物坍塌毁坏,变形后的钢结构也无法修复使用。
  

  钢结构的常用防护方法

  因此,对钢结构必须采取防火保护措施。钢结构防火保护措施多种多样,如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构,降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。 钢结构件的防火方法主要有涂料保护、防火板保护、混凝土保护、柔性卷材保护、无机纤维保护、结构内通水冷却保护等。其中,涂刷防火涂料施工方便、重量轻、成本低、不受构件几何形状限制,应用范围最广,效率最高。 
  

  钢结构防火涂料的防火原理

  钢结构防火涂料即施涂于建筑物及构筑物钢结构表面,能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料,其原理是采用绝热或吸热的材料阻隔火焰直接灼烧钢结构,降低热量向钢材传递的速度,推迟钢结构温升和强度减弱的时间。目前,国内外钢结构防火涂料主要由基体树脂、催化剂、成碳剂、发泡剂等组成。 
  

  基体树脂与其它组分配伍,既保证了涂料在正常条件下具有各种使用功能,又能在火焰灼烧或高温条件下具有难燃性和优良的膨胀发泡性能。通常情况下,丙烯酸树脂防火涂料的炭化层质量较高,故通常采用丙烯酸树脂作为主成膜物,并对其进行改性,以提高涂料的整体效果。 
  

  催化剂是一种能在一定条件下分解出磷酸的物质,分解出的磷酸使多元醇脱水,从而使之形成不易燃的三维空间结构的炭化层。通常,磷酸三聚氰胺的水溶性较聚磷酸胺小,且兼具催化和发泡双重功效,目前主要选用磷酸三聚氰胺为催化剂。 

  成碳剂是涂层在高温下形成不易燃三维空间结构的泡沫碳化层的物质基础,对泡沫炭化层起骨架作用。成碳剂在分解温度上要和催化剂相匹配,当采用聚磷酸胺作催化剂时就应用热稳定性高的含高碳多羟基化合物作成碳剂,如季戊四醇、二戊季醇超薄型防火涂料用于广东大亚湾核电站裸露厂房屋架上已达十几年之久,仍可正常使用。但其缺点是施工时气味大、涂层易老化,淀粉等。使用淀粉做成碳剂,涂层的耐水性问题不易解决,而二季戊四醇由于其价格原因,在国内也很少使用,目前国内普遍采用季戊四醇作为防火涂料的成碳剂。 

  膨胀型防火涂料只有在发泡剂的作用下,才能在高温火焰下产生膨胀层。发泡剂遇火分解并释放出氨、水、二氧化碳、卤化氢等不燃性气体,使涂层在到达软化点的情况下发泡膨胀,形成海绵状结构。 
   

  钢结构防火涂料防护方法存在的问题

  但目前防火涂料也存在技术上的问题。首先是耐久性的问题。由于厚型防火涂料存在自重大,装饰性差,因此只能应用在某些对外观要求不高的室外钢结构。广泛应用的是薄型和超薄型钢结构防火涂料,特别是超薄型。此两类涂料所使用的主要原料聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇均耐水性不良,存在随着环境、时间等溶出、分解、降解和老化等问题,因此,此类涂料必定会随着时间的推移防火性能有所下降,而目前还没有找出一种评定防火涂料耐久性的方法。
  检测报告所给出的耐火极限是涂料涂后保养1至2个月的检验结果,但火灾的发生是不可预测的,火灾可能是在涂料涂后的1年,也可能在涂后的10年发生,因此膨胀型防火涂料最主要的就是耐久性问题。 
  其次是安全性问题。目前的膨胀型钢结构防火涂料遇火有可能释放出氨、HCN、卤化氢、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氯、溴等有毒有害气体。如果这些气体的浓度超过了人体忍受极限,便会对未逃离火场的人员以及消防人员造成危害。 
  钢结构防火涂料的生产和施工也存在一些问题。国内多数钢结构防火涂料生产企业的规模不大,生产工艺流程自动化水平不高,有部分企业还处于手工作坊式在操作,不少产品的配方工艺大同小异,对专用于防火涂料的原料研究不够,对原材料的检测、控制不够,生产过程的检测手段不全,施工设备有待改进提高,与防锈漆的配套性也不能进行严格的检验。 
  此外,在钢结构防火涂料的测试方法、检测标准方面以及检测标准构件与实际工程构件的差异性上,也存在一些实际问题,如使用的钢构件和标准钢梁间应该如何进行换算,如何确定实际使用的钢构件的涂层厚度,国家尚无规定等。

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