黎俊德 吴腾辉

（1 广东省建筑材料研究院有限公司；2 广州仲恒房屋安全鉴定有限公司）

0 引言

钢结构作为一种常见的建筑结构，具有强度高、自重轻、材质均匀、加工方便、可循环使用、施工工期短等优点[1]，广泛运用于现代生活中，如钢结构停车场、工业厂房、体育馆、车站、机场、桥梁等建筑物、构筑物。然而，钢结构具有耐腐蚀性差、耐火能力弱等缺点，当温度达到450℃时其力学性能开始发生劣化，随温度的上升其劣化效果愈加严重，当温度达到580℃时其力学强度仅为室温状况下的一半，无法满足对建筑物、构筑物的支撑作用[2]。因此，为提升钢结构的耐火性能，减少结构损害，研究人员对钢结构的防火涂料展开了大量的研究，且取得了丰富的研究成果。钢结构防火涂料按防火原理划分，可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料；按分散介质划分，可分为水溶性防火涂料和溶剂性防火涂料；按基料种类划分，可分为无机防火涂料和有机防火涂料；按涂覆的基材划分，可分为钢结构防火涂料、混凝土结构防火涂料和饰面型防火涂料[3]。

本文在文献调研的基础上，从钢结构的防火原理、防火涂料种类、发展方向等方面展开叙述，以期为更多的研究人员提供参考。

1 防火涂料的防火原理

物体发生燃烧反应必须同时具备大量助燃气体、火源、可燃物这三个因素，当其中某个因素不存在时，燃烧反应则不会发生。因此，中断物体燃烧反应只需使以上三个因素不同时存在即可，而阻止助燃气体与可燃物接触则是最简单也是最方便的方法，防火涂料正是利用此原理进行防火工作，其工作原理如下：

⑴膨胀型防火涂料受热时发生膨胀在钢结构表面形成泡沫层，一方面能够隔绝助燃气体，另一方面形成的泡沫层由于质地疏松有利于延缓热量传递速度；

⑵膨胀型防火涂料泡沫层的形成过程是一个吸热过程，可以减少燃烧时的热量；

⑶非膨胀型防火涂料在受热时不会发生体积变化，但其导热系数很低，能够有效延缓热量传递到钢材的速度；

⑷非膨胀型防火涂料本身具有不燃性，涂料在燃烧时会产生釉状保护层能够将钢材与火源隔离开，减缓钢材因温度上升而发生性能劣化；

⑸防火涂料某些组分在燃烧过程中发生反应生成不燃气体是一个吸热过程，需要消耗一部分热量，在一定程度上有助于降低温度。

2 钢结构防火涂料

2.1 膨胀型防火涂料

膨胀型防火涂料是指涂料在燃烧时发生体积膨胀形成致密的海绵状或蜂窝状的碳质泡沫层将钢构件与火源隔离开，延缓钢构件升温速度，从而保护钢结构稳定性，膨胀型防火涂料燃烧示意图和膨胀过程示意图分别如图1、图2 所示。其中，膨胀型防火涂料可分为有机膨胀型防火涂料与无机膨胀型防火涂料。

2.1.1 有机膨胀型防火涂料

涂料成膜剂采用有机物质，通过体积膨胀增加泡沫层厚度并依靠膨胀炭层起到防火作用的涂料称为有机膨胀型防火涂料，常见的成膜物质有环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。除此之外，有机膨胀型防火涂料还包括酸源、碳源、发泡剂、填料颜料等成分。

有机膨胀剂防火涂料的膨胀过程由酸源、碳源、气源三部分组成，反应体系流程图如图3 所示。酸源是指无机酸或者在加热时能够形成酸的物质，如硼酸、无卤双磷酸酯、聚磷酸铵等，当温度达到目标温度后将受热分解引发碳质化合物的碳化或脱水等化学反应；碳源是指具有丰富含碳量的多羟基化合物，能够通过酯化反应进行脱水成碳，如季戊四醇、双季戊四醇、淀粉等；气源是指含氮的多碳化合物，在受热条件下释放不燃或难燃性气体，如二氧化碳、氯化氢、氨气等，然后在钢结构表面形成具有碳材料孔壁的泡沫结构，如三聚氰胺、氯化石蜡等。酸源、碳源、气源三者的不同组合形成了种类繁多的膨胀阻燃体系[2]。

对于酸源、碳源的探索研究有助于提升防火涂料的耐火能力。胡胜利等[5]研究了不同聚合度的聚磷酸铵对室外薄型钢结构防火涂料理化性能（耐水、耐盐、耐酸、耐碱、耐紫外线）和耐火性能的影响，结果表明利用高聚合度聚磷酸铵制备的防火涂料在理化性能、热稳定性均优于低聚合度聚磷酸铵。吴润泽等[6]研究了晶型、聚合度以及包覆改性聚磷酸铵对防火涂料耐火时间的影响，结果显示高聚合度的Ⅱ型聚磷酸铵能够更好地改善膨胀炭层的性能，耐火时间更久，经过包覆改性后可继续提高耐火极限。季戊四醇作为一种常见的碳源，Tang 等[7]将季戊四醇与C9马来酸酐共聚物进行酯化反应，结果显示含有季戊四醇与C9马来酸酐共聚物的涂层在水中或盐水中浸泡之后仍表现出良好的耐火性能。

王朋等[8]探索了聚磷酸铵与季戊四醇的协同作用对防火涂料性能的影响，研究发现聚磷酸铵与季戊四醇混合物在热解过程中存在3 个过程，分别为180～320℃时聚磷酸铵与季戊四醇形成磷酸酯，320～550℃时磷酸酯发生脱水环化，600～750℃时环状结构炭化形成石墨化片段，聚磷酸铵与季戊四醇的质量比为3:1 时混合物生成的炭量最多，膨胀倍数最大，此时防火性能最佳。沈航[9]采用三聚氰胺聚磷酸盐-双季戊四醇发泡体系替换聚磷酸铵-三聚氰胺-季戊四醇发泡体系制备了水性防火涂料，结果显示前者与聚合物具有较好的相容性、疏水性以及抗溶失性能，当质量占比为12.5:12.5 进行复配作为基料，可获得低于10%的抗溶失涂层体系，这是后者无法比拟的。

2.1.2 无机膨胀型防火涂料

以无机物质作为主要成分并以膨胀发泡为防火机理的涂料称为无机膨胀型防火涂料。有机膨胀型防火涂料在燃烧时涂层中有机物易分解，经燃烧后容易释放有毒烟雾，而无机膨胀型防火涂料在燃烧时具有无烟、无毒的特点。

范春山等[10]以石棉粉、膨胀珍珠岩粉、高铝土和膨胀蛭石为原料制备防火涂料，采用复合泡层结构，通过梯次发泡来延缓温度上升，延长了钢结构变形、结构失稳的时间，高温层厚度与低温层厚度比值在3.0:1.5～2.5:2.0 为宜。张仁忠等[11]以氢氧化镁、碳酸镁、膨胀石墨、苯丙乳液、磷酸铝、硼酸锌为原料以及添加低熔玻璃粉研制了新型无机阻燃剂体系，同时以苯丙乳液、聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化钛、膨胀石墨为原料制备了有机膨胀型防火涂料，进行对比试验发现前者能够大大降低火灾中有毒烟雾的排放量，前者的强度、无机残余率分别是后者的1.7 倍和2.1 倍，同时涂层结构更加致密、阻燃效果更加优异。张娜娜等[12,13]以碱性硅溶胶、甲基硅酸钾、颜填料和助剂制备了水性无机膨胀型防火涂料，经试验测试获得了最佳配比且在最佳配比下涂料的膨胀层致密坚硬、耐火性能满足规范要求，同时揭示了防火涂料在灼烧前期是由甲基硅酸钠和可膨胀石墨共同发挥阻燃作用，在灼烧中期由白云石发挥阻燃作用，在灼烧后期温度达到800～1000℃时，体系由固态变成液态、吸收热量后变成玻璃态，整个灼烧过程表现出对环境的友好性。

2.2 非膨胀型防火涂料

非膨胀型防火涂料根据成膜物质的不同可分为有机非膨胀型防火涂料和无机非膨胀型防火涂料，前者是以有机物为基料的难燃性防火涂料，后者是以无机物为基料的不燃性防火涂料。祁学军等[14]采用水玻璃激发偏高岭土制备了以地聚合物为基料的非膨胀型防火涂料，测试结果显示涂料的耐火时间达到2.8h（厚度为25mm），同时耐水性能、粘结强度、耐碱、耐冷热循环等均表现良好，但存在干密度过大的问题；高辉等[15]以磷酸盐为成膜物质，添加氢氧化铝、硼酸盐、膨胀蛭石等材料制备了防火涂料，性能良好且成本较低。

由于非膨胀型防火涂料的涂层厚度在高温条件下不会发生变化，因此涂层厚度对于非膨胀型防火涂料的耐火性能具有决定性影响。韩君等[16]通过试验测试了不同涂层厚度下非膨胀型防火涂料的等效热传导系数，并对结果进行线性拟合，如图4 所示，结果显示涂层厚度越厚，防火涂料的等效热传导系数越小即耐火性能越好。但是，较大的涂层厚度也限制了非膨胀型防火涂料的使用范围，由于涂层厚度较大且用量多，对装饰性、美观性要求较高的钢结构建筑中很少采用，其次，施工工艺较为复杂，在造型复杂的钢结构中难以施工或全涂覆，当发生破损及脱落现象时将严重影响耐火性能。

2.3 生物型防火涂料

生物材料作为一种绿色环保、可再生的材料，广泛运用于各个领域中，在防火涂料领域采用生物材料也有不错的效果。利用高软化点改性松香树脂具有增黏、软化等特点，马腾飞等[17]研究了不同牌号、掺量松香树脂对防火涂料防火性能的影响，结果显示422 松香树脂的掺量为0.7%时防火涂料的膨胀倍率达到45 倍且膨胀层外观良好，测试钢板的温度最低。蛋壳、贝壳类产品作为最常见的生物材料，其主要成分为碳酸钙及少量有机物，可作为防火涂料中的填料。邢君等[18]利用硅灰为粘结剂，蛋壳为填料制备了水基膨胀涂料，试验发现硅灰、蛋壳以及阻燃添加剂的组合对钢材的热稳定性、炭层膨胀、表面结构等方面表现良好，蛋壳的加入能够极大的提升防火性能；杨飞等[19]同样利用蛋壳作为填料并制备了防火涂料，研究结果亦表明蛋壳作为填料有助于提升防火涂料的性能；李耀庄等[20]将蛤蜊壳作为填料并制备了防火涂料，结果显示填料中添加蛤蜊壳后阻燃体系在燃烧过程中形成了丰富的交联结构使得炭层更加致密，隔热性能更好，涂层表现出良好的热稳定性和成炭率，添加2wt%蛤蜊壳填料时防火涂料具有最佳的协效阻燃和抑烟性能，在800℃下涂层的残炭量为33.7%。

3 钢结构防火涂料的未来发展方向

钢结构防火涂料分为无机型防火涂料和有机型防火涂料，前者多为厚型即非膨胀型，具有耐火时间长、防腐性能好等优点，同时具有涂层厚、用量多、装饰性差、施工繁琐等缺点；后者多为薄型或超薄型即膨胀型，具有粘结强度高、流平好、美观、施工方便等优点，但在高温下会释放有毒烟雾，影响环境及人员健康。目前，超薄型防火涂料的市场份额最大，从发展趋势来看，超薄型防火涂料必将会代替薄型和厚型防火涂料。

钢结构防火涂料的未来发展方向必然是对超薄型防火涂料的进一步研究开发，可分为以下几个方面：

⑴扩大防火涂料的使用范围，简化施工工艺；

⑵研发绿色环保型防火材料，减少对环境的污染以及减少对人员健康伤害；

⑶探索新型防火涂料配比设计，添加新型材料研制高性能产品，或研究添加其他行业的废弃物，进行二次利用；

⑷加强对复合型防火涂料的研发，在提升耐火性能的同时提升耐水、耐腐蚀、隔热等性能。

4 结语

⑴防火涂料的防火原理是将可燃物与助燃气体隔离开，可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。

⑵膨胀型防火涂料虽然在高温条件下容易释放有毒烟雾，但其具有施工方便、使用范围广而得到广泛使用，市场份额占比高，超薄型防火涂料将是研究的重点，对酸源、碳源、气源的研究有利于提升防火涂料的性能。

⑶非膨胀型防火涂料具有良好的耐火性能且无毒、无烟、造价便宜，但由于涂层较厚、用量多、施工工艺复杂，因此使用范围受到限制。

⑷生物型防火涂料采用环保、可再生的材料，以及将蛋壳、贝壳类废弃物进行二次利用，具有良好的环境效益。