建筑鋼結構由于其強度高、塑性好、質量輕、施工工期短、制作簡便、建筑形式靈活多樣等特點,被廣泛應用于工業廠房、高聳結構、大跨度結構、多層和高層結構、承受振動荷載影響及地震作用的結構。

    隨著工業的不斷發展,近些年來,輕型鋼結構的發展已被主要應用于倉庫、辦公室、工業廠房、體育設施等方面,并逐漸向住宅樓和別墅發展。2008年,北京奧運會的主場館——“鳥巢”的正式啟動,標志著我國鋼結構技術進入了一個嶄新的發展階段。但是,由于鋼結構耐火性和耐腐蝕性較差,使得鋼結構的應用在一定程度受到限制。

    一般情況下,火災現場的溫度可高達800℃～1000℃,雖然鋼結構構件本身為不可燃燒材料,但是,在高溫作用下,鋼構件的力學性能會隨著溫度的升高而急速下降,特別是裸露的鋼結構構件由于其部分力學性能的顯著下降,會很快發生塑性變形導致其構件局部破壞,一般鋼結構建筑在15min左右就會喪失承重能力而發生坍塌,造成重大破壞。實踐研究表明,裸露的鋼梁、鋼柱、鋼樓板和屋頂承重構件的耐火極限僅為0.25h,根據《建筑設計防火規范》(GB50016-2006)和《高層民用建筑設計防火規范》(GB50045-95)中規定耐火極限為1h～3h的要求相差很遠。因此,必須對鋼結構構件,尤其是裸露 在外的鋼構件,施加有效的防火保護,可以為消防救火贏得寶貴的時間,同時能夠避免建筑物迅速坍塌,以及保證人民的生命和財產安全。

    1、鋼結構防火涂料的研究現狀及存在問題

    1.1傳統防火涂料的研究現狀

    目前,解決鋼結構防火保護方法,主要有截流法和疏導法兩種[1] 。截流法又分為噴涂法、屏蔽法、包封法、水噴淋法,而噴涂防火材料的方法施工方便、耐火效果良好,是目前鋼結構防火應用最為廣泛的方法之一。將鋼結構防火涂料涂于建筑物及構筑物的鋼結構表面,能形成耐火隔熱保護層從而提高鋼結構的耐火極限。

    根據現行國家標準《鋼結構防火涂料通用技術條件》(GB14907—1994)和《鋼結構防火涂料應用技術規程》(CECS24—1990)的規定。鋼結構按其涂層厚度及性能的特點,可分為膨脹性防火涂料和非膨脹性防火涂料。膨脹型防火涂料具有質量輕、涂層薄、抗震性好的特點,同時具有較好的裝飾性,遇火災高溫時便能迅速膨脹增厚。但是,在施工過程中氣味較大且涂層易老化,一般在壽命5年～10年,有的甚至2年～3年,就喪失了膨脹性能,若處于吸濕受潮狀態則會很快失去膨脹性,失去了對鋼結構的防火保護性能[2] 。非膨脹型防火涂料又稱厚涂型防火涂料,主要成分為無機絕熱材料,其特點是遇火不膨脹,厚涂型防火涂料一般不燃、無毒,具有耐老化、耐久性等特點,適用于永久性建筑。但是,對其厚度有一定要求,厚涂型防火涂料的涂層厚度一般為8mm～50mm,其涂層厚度較厚,影響其外觀裝飾性,因此多用于室內防火要求2h以上的鋼結構構件中。

    1.2新型防火涂料的研究現狀

    隨著對鋼結構防火涂料研究的不斷深入,涌現出大量的新型鋼結構防火涂料,BWG-90超薄鋼結構防火涂料,其耐火極限可達180min,隨后生產研制的NCB60—120超薄型鋼結構防火涂料,厚度為2mm,耐火極限可達120min。近些年來,人們不斷加大對水性防火材料的研究開發力度,包括膨脹型水性防火涂料、無機水性防火涂料、膨脹型水溶性防火涂料、玻璃纖維水性防火涂料、硅溶膠改性水性防火涂料相繼問世,大連理工大學成功研制出的膨脹型水性環保涂料,耐熱時間長且隔熱性能好。其中玻璃纖維水性防火涂料采用在玻璃纖維拉絲工藝中使用具有防火性能的樹脂作為浸潤劑的成膜物質制作而成,這種工藝方法制備出的防火涂料在實際制作過程中難度較大、費用高[3] 。硅溶膠改性水性防火涂料以水為分散劑,采用乳液聚合的方法,合成乳液型丙烯酸酯樹脂,再用硅溶膠對其加以改性,調整乳液與阻燃劑的不同配比,獲得防火涂料。結果表明,與為加入硅溶膠的涂料相比,加入硅溶膠后,涂層的鉛筆硬度提高,并且涂層表面的微量針孔明顯減少,其耐火時間至少延長5min[4] 。

    1.3新型防火涂料存在的普遍問題

    新型防火涂料具有較多優點,同時,也存在一些普遍問題。研究人員通過天然老化實驗和加速老化實驗,發現部分超薄鋼結構和部分水性防火涂料出現起泡、粉化、甚至脫落現象,耐候性能明顯降低。在制定與執行水性防火涂料相關標準方面,也往往滯后于產品的生產與使用,這就使其開發與生產方面出現無據可依的局面,給使用帶來一定隱患。

    2、納米防火涂料研究現狀

    2.1納米防火涂料的研究現狀

    近些年來,隨著對新興的納米材料研究的不斷深入,為涂料行業也帶來了新的生機。將納米材料溶入傳統建筑材料中,有望研究得到新型功能材料,可以提高鋼結構構件表面涂料的耐火性能和耐蝕性能。

    納米粒子由于其表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子效應等特殊性質,將其用于對傳統防火涂料改性,可提高涂層的耐火性能。近十年來,納米技術在鋼結構防火涂料的研究方面取得了一定進展。1999年,北京建材集團納美公司重點研究納米材料在建筑涂料中的應用技術,先后解決了諸如保色性、耐候性、阻燃性、耐污染性等制約建筑涂料發展的關鍵性技術難題,掌握了納米表面改性技術和納米材料分散技術,在國內率先開發出納米改性建筑涂料系里產品。2001年,北京化工大學成功研制并開發了無機納米阻燃劑,該阻燃劑除了具有高抑煙、高效阻燃特點外,還可明顯改善合成材料的各種機械性能[5] 。2005年,咸才軍等人在鋼結構納米復合防火涂料中添加了TiO2,使得燎燒后的炭層與基體結合相對較好、不易脫落,從而有效延長耐火時間,在保證炭層具有足夠的膨脹高度和低導熱系數的前提下,增加炭層強度可以有效延長耐火時間[6] 。2010年,張小玲等人通過原位插層法制備了蒙脫土/氨基樹脂納米復合材料,在原有的厚涂型防火涂料表面進行涂覆改性,從而得到一種防火涂料組合物,具有良好的耐腐蝕性和耐候性能[7]。通過以上的方法均可以有效地解決了超薄鋼結構防火涂料和水性環保防火涂料耐候性能較差的問題。

    付若愚等人[8]將納米SiO2應用在水性超薄型鋼結構防火涂料中,采用稱取一定量的水于分散罐中,加入分散劑、消泡劑等助劑,一邊攪拌一邊加入固體組分和納米SiO2,高速分散30min后,加入乳液、纖維素和增稠劑,低速分散30min出料,制得涂料。通過這種方法分別研究了不同的納米SiO2含量對涂料防火性能的影響和對涂料抗老化性能的影響。研究結果表明,納米SiO2對炭質層強度增強和對炭質層膨脹具有高度抑制的綜合作用,因此,決定了其涂料耐火極限的最終影響,適量的添加納米SiO2將有效提高鋼結構防火涂料的耐火極限,而過多的添加將會起到反作用。同時,對于不同納米SiO2含量的鋼結構防火涂料樣板進行紫外光老化試驗,可以得出,納米SiO2的存在可以屏蔽大部分紫外光,延緩涂料的老化進程,保持防火性能的穩定。

    咸才軍[9]等人用同樣的制備方法,分別研究了納米TiO2、納米SiO2、納米ZnO、納米CaCO3、納米Al(OH)3對鋼結構防火涂料性能的影響。研究結果表明,在水性超薄型鋼結構防火涂料中加入適量的納米TiO2可以顯著提高涂料燃燒后炭質層的強度,促使焦磷酸鈦的生成;當添加1.5%的納米SiO2時,厚度為2mm的防火涂料層可以達到110min的耐火極限;添加2%的納米ZnO時,耐火極限可以達到103min;而納米CaCO3、納米Al(OH)3受熱易分解,膨脹后蓬松易脫落,耐火極限下降,不利于鋼結構的防火保護。

    2.2納米防火涂料存在的問題

    2.2.1納米防火涂料機理的研究。國內關于納米防火涂料機理的報道較少,然而,清晰的納米防火涂料研究機理,不僅對今后納米防火涂料的定量、定性研究,起著至關重要的理論指導意義,同時,從防火涂料研究和生產單位在實際工作中遇到的一些問題來看,對納米防火涂料的機理研究勢在必行,其理論意義和實際意義都非常重大。

    2.2.2納米防火涂料的定量研究。從國內相關報道可以看出,目前關于納米防火涂料的研究,屬于停滯于定性研究,做出定量研究的也是基于一定標準基礎上進行的。因此更加完善的并且適用于實際工程需要的納米防火涂料的生產和研制迫切需要得到更多研究人員的開發。

    2.2.3開發新型納米防火涂料。突破傳統樹脂合成方法和涂料制備方法的瓶頸,以及如何通過引入新的納米粒子、獲得新的樹脂合成方法從而獲得新型納米防火涂料,不斷改進納米結構設計與構建方法開展納米涂層的制備研究,也是目前需要解決的問題。

    3、納米防火涂料的應用及其展望

    隨著對鋼結構耐火性能要求的不斷提高,具有環保、美觀、耐火性好的水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料逐漸得到廣泛應用。由于納米材料粒徑小、與高分子基體材料相容性好的特點,將適量的納米粒子有效分散于鋼結構防火涂料中,將會延長鋼結構的耐火極限。

    通過不同的制備方法[10] ,共混法、溶膠凝膠法、原位生成法、插層復合法、——射線輻射法、模板法、電化學合成法、LB膜技術法、MD膜法,獲得分散粒徑更小、分布更均勻的復合材料。實現對納米粒子形態、尺寸、分布的控制,分散于鋼結構防火涂料中,以期獲得性能更加優良的防火涂料。

    我國對于納米材料的研究起步較晚,我們相信,隨著納米材料研究的不斷深入,納米材料對鋼結構防火涂料的進一步貢獻將具有重大的理論指導意義和實際應用價值。隨著對鋼結構納米防火涂料的進一步研究,一定有更詳細的實驗方案提高納米防火涂料的性能,以期獲得性能更好、實際應用價值更大的新型鋼結構納米防火涂料。鋼結構納米防火涂料將有十分廣闊的應用前景。