建筑结构材料防火性能的研究和展望

摘   要： 目前建筑的主要结构性材料有混凝土和钢材，文本通过对目前几种防火材料的阐述，介绍了一些新型的防火涂料和处理技术，希望从建筑结构上确保稳定性和耐火性。

关键词：混凝土 、钢结构、外保温材料、防火材料

火在人类文明的发展史中扮演了及其重要的角色。但是，火是一把双刃剑，它在造福人类的同时，也给人类带来了巨大的灾难。火灾的直接损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝，而且发生的频率居于各灾种之首。许多火灾的发生，除了与消防设施及消防管理存在问题有关外，防火材料的优劣也起了致命作用。1994年12月8日，新疆克拉玛依的一场大火，遇难325人，受伤130人；同年11月29日，辽宁阜新的歌舞厅大火造成了200多人丧生，这些火灾的造成与损失的导致，在很大程度上与建筑材料的防火性差有很大关系。由此可见，在建筑中采用防火材料、在发生火灾时阻止火势蔓延、延长结构耐火极限从而为灭火赢得宝贵时间具有重大意义。

一、 防火混凝土

（一）混凝土在燃烧时的行为

混凝土本身是不燃的，但是在高温作用下，混凝土的强度随温度上升而急剧下降，超过一定温度时强度完全丧失，从而导致结构的垮塌。研究表明，当温度为600℃时，混凝土的抗压强度仅为室温时的45%左右，温度超过1000℃时，抗压强度完全丧失；当温度在50~600℃范围内时，混凝土的抗拉强度呈直线下降趋势，到600℃时抗拉强度完全丧失。

（二）混凝土的防火措施

为提高混凝土的防火性能，可以采取混凝土结构自防火和辅助防火两类措施。混凝土结构自防火即采用耐火混凝土，提高其最高使用温度从而达到延长耐火极限、降低火灾损失的目的；混凝土结构辅助防火措施包括在构件表面加设砂浆保护层、加强裂缝封堵以防止发生穿透性裂缝以及喷涂混凝土结构防火涂料等。混凝土结构防火涂料的防火机理与钢结构防火涂料类似。我国混凝土结构防火涂料研究始于20世纪80年代。混凝土防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型两大类。涂层较厚、装饰性差是制约其使用的主要原因，要由绝热材料、黏合剂和防火添加剂等成分组成,它属于双组分涂料,给生产、运输、施工带来不便,存在耐火时间短,涂层厚,不能用于户外和污染环境问题,有相当部分涂料普遍满足不了2006年公安部颁布的A98-2005《混凝土结构防火涂料》的要求。膨胀型防火涂料由有机材料组成,这些成分在高温下会产生有害气体,而且对湿度敏感,性能衰减较快,其耐火极限也比较低,在生产、施工过程中对人身健康有极大危害；针对现有的混凝土结构防火涂料存在的问题。核工业北京地质研究院的李振涛和中国建筑科学研究院的马道贞研制开发了具有耐火极限高、粘结强度高、耐潮湿、耐冻融良好、燃烧时不产生有毒气体、属于无机单组分环保的新型混凝土结构防火涂料。广泛适用于公路、铁路、城市地铁、隧道等混凝土结构表面的防火保护。它们以海泡石棉为涂料的主体,主要起增强涂层强度和骨架等作用,防止涂料干燥后和高温下龟裂、脱落情况出现。然后用B矿物经改进后作为涂料的防火黏合剂,该防火黏合剂以水为分散介质,可在常温常压下进行水化和凝固,并且可在潮湿基面使用,对涂料的施工极为方便。该防火黏合剂粘结强度高,属于无机胶凝材料,它与混凝土具有良好的附着力,凝固后具有很好的耐水性和耐候性,且不像水泥等有过期失效现象。

（三）耐火混凝土

耐火混凝土是一种能够长期承受高温作用（200℃以上）且在高温下能够保持所需要的物理力学性能（如较高的热稳定性、较小的收缩等）的特种混凝土。该混凝土是由耐火骨料与适量的耐火胶结料（有时还有矿物掺合料或有机掺合料）和水按一定比例配制而成的。常用的耐火骨料有碎粘土砖、碎高铝砖、碎镁砖及镁砂等；常用的耐火胶结料有陶瓷泥浆胶结料及复合硅酸钠胶结料等。根据胶结料的不同可将耐火混凝土分为硅酸盐耐火混凝土（800℃（最高使用温度，下同）、铝酸盐耐火混凝土（1600℃）、磷酸盐耐火混凝土（1600℃）、硫酸盐耐火混凝土及矾土耐火混凝土（1700℃）等。

二、防火钢结构

（一）防火涂料

防火涂料是一类特制的防火保护涂料，由氯化橡胶、石蜡和多种防火添加剂组成的溶剂型涂料，具有耐火性好的优点。防火涂料施涂于普通电线表面后，遇火能膨胀产生200毫米厚的泡沫，炭化成保护层，隔绝火源，因此，适用于发电厂、变电所等级较高的建筑物室内外电缆线的防火保护。

（二）防火涂料的防火机理

根据防火机理的不同可将防火涂料分为非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料两大类。前者的防火机理为：涂覆在基材表面的防火涂料导热系数较小，降低了热量向被保护基材的传递速度。此外，涂料中的一些组份遇火时相互反应生成不燃气体的过程是吸热反应，消耗大量的热，有利于降低体系的温度；后者的防火机理为：涂覆在基材表面的防火涂料遇火时膨胀炭化发泡，形成是原来涂层厚度几十倍的不易燃的海绵状炭化层。

（三）钢材在燃烧时的行为

钢材本身也是不燃的，但是其强度随温度上升而急剧下降且导热系数较大，因此钢结构的耐火性能很差。以普通低碳钢为例，抗拉强度500℃时降低约50%，600℃时降低约70%。目前一般认为钢构件的强度损失临界温度为540℃。

涂覆防火涂料是最简单且最有效的提高钢结构耐火极限的措施。GB 14907-2002《钢结构防火涂料》根据涂层厚度将钢结构防火涂料分为厚型（7~45mm）、薄型（3~7mm）和超薄型（≤3mm）三类。厚型钢结构防火涂料属于非膨胀型防火涂料，遇火时涂层不膨胀，依靠其不燃性、低导热性或吸热性来延缓温升、保护钢构件，因此又被称为隔热型钢结构防火涂料。涂层较厚、装饰性差是制约其使用的主要原因。薄型和超薄型钢结构防火涂料属于膨胀型防火涂料。超薄型钢结构防火涂料与厚型和薄型相比，具有粒度细、涂层薄、施工方便及装饰性好等优点，是目前备受青睐的钢结构防火涂料。

（四）超薄型钢结构防火涂料的研究进展

超薄型钢结构防火涂料大部分是溶剂型的，基料以聚丙烯酸酯树脂、氨基树脂及酚醛树脂等为主。近年来无毒环保的水性超薄型钢结构防火涂料逐渐增多，基料主要为氯偏乳液、氟碳乳液等。张爱黎等以丙烯酸树脂为基料、可膨胀石墨和纳米Mg(OH)2为复合阻燃剂制备了超薄型钢结构防火涂料。掺加5%可膨胀石墨和1.5%纳米Mg(OH)2、厚度为1.8mm时，涂料的耐火极限达106min。陈立娇等[13]以丙烯酸酯乳液为基料、掺加少量硅溶胶制备了水性超薄型钢结构防火涂料。刘芳等以聚丙烯酸酯乳液为基料、埃洛石纳米管为阻燃协效剂制备了水性超薄型钢结构防火涂料，耐火极限为107min，燃烧残余量高达48.36%且燃烧残余物表面致密，显示出优异的耐火性能。

三、防火保温材料

（一）纳米多孔气凝胶

纳米多孔气凝胶( 简称气凝胶) 材料是一种分散介质为气体的凝胶材料，是由胶体粒子或高聚物分子相互聚积构成的一种具有网络结构的纳米多孔性固体材料，该材料中孔隙的大小在纳米数量级。其空洞率高达80% ～99. 8%，孔洞的典型尺寸为1～100nm，比表面积为200～1000m2/g，而密度最低可达3kg/m3 ，室温导热系数可低至0. 012W/( m·K)。早在1931 年，美国斯坦福大学的Kistler利用溶胶—凝胶方法及超临界干燥技术首次制得气凝胶，随后Per利用硅脂经溶胶—凝胶方法制备出SiO2气凝胶，大大缩短了气凝胶的制备及干燥周期，其后Tewari以CO2为超临界干燥介质来制备气凝胶，使其凝胶的干燥温度降为室温，提高了设备的安全可靠性，推动了气凝胶制备技术的发展。                

（二）气凝胶材料的特性

密度低、耐高温。气凝胶密度仅为3.55kg /m3 ，仅为空气密度的2.75 倍; 二氧化硅气凝胶具有较高的使用温度，甚至在900℃高温下仍具有较好的多孔网络结构，在温度达到1200℃时才会熔化。热导性低、隔热能力强。其传热过程包含3 种传热机理: 通过气凝胶固体骨架和内部孔隙的热传导、对流传热和辐射传热［5－7］，纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0. 013W/m·K，是目前热导率最低的固态材料。此外，气凝胶还具有绝缘能力强; 低声速特性; 比表面积大、导电率高等特性。

四、结语

随着科学技术的发展，防火材料的研究与开发获得了前所未有的重视，每年都有新的防火材料研制成功。最近，德国开发出一种利用植物纤维素等原料制成的新型防火材料。这种新型防火材料不仅防火效果好、使用方便、无化学毒性。该产品是从废旧纸张中提取的植物纤维素加入一些不可燃的特殊矿物材料，按照特定比例混合而制成的。尽管纤维素本身是可燃的，但防火材料中的不可燃成份在遇到火焰时会逐渐融化。混合纤维素在被保护物体与火焰之间形成如同一件“外套”一样的保护层，而且随着温度的升高，保护层会越发坚硬，起到稳定的绝热作用。该新型防火材料使用简便，可以通过喷涂的方式直接涂在被保护物体表面，并能立即发挥作用。