装配式建筑钢结构防火保护技术研究

周晓勇

应急管理部四川消防研究所 四川 成都 610036

引言

装配式钢结构建筑是指标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用的钢结构建筑，是建筑工业化的趋势和潮流，符合国家可持续发展战略要求、发展新建造方式以及建筑行业供给侧改革的要求，是国家支持的钢结构创新技术，其应用领域极其广泛，发展前景非常广阔。但是，由于高温会弱化钢材材性，火灾对钢结构承载性能的影响一直是重点研究方向。一系列国内外钢结构建筑火灾案例证明，无防火保护情况下，15分钟左右钢结构温度可达540℃以上，此时抗压强度、弹性模量会衰减50%；600℃时，强度几乎为零。因此，装配式钢结构建筑的防火至关重要。

钢结构的防火保护可采用方式：1)防火涂料；2)防火板；3)防火毡；4)混凝土、砂浆或砌体。其中防火涂料防火性能高效、美观、应用范围广泛。

本文综述了钢结构防火涂料的研究现状、问题以及发展趋势，对装配式钢结构建筑的防火问题提出了思考。

1 钢结构防火涂料的分类

钢结构防火涂料按防火机理分为膨胀型和非膨胀型。

1.1 非膨胀型防火涂料

在火灾中不膨胀，依靠材料的低导热性、不燃性或涂层中材料的吸热性，阻隔火焰热量传递，延缓钢材的温升，耐火极限最高可以达到4h。其在钢结构防火涂料的发展中是最早开发和使用的[23]。该涂料多为无机水溶性涂料，多采用无机胶结料（如石膏、耐火水泥等），再配以无机轻质绝热骨料（如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海抱石、漂珠、粉煤灰等）、防火添加剂、化学药剂和增强材料（如硅酸铝纤维、陶瓷纤维等）及填料等混合配制而成 。如水泥基防火涂料是以水泥作为胶结料，与蛭石、珍珠岩等矿物材料拌和而成。典型水泥基产品配方如表1。

表1 典型的水泥基厚型钢结构防火涂料的配方

但其密度大，用料多，涂层不耐水，不防潮，耐候性差，且易出现开裂、脱落等现象，目前在国际上已基本被淘汰，仅用在室外完全裸露构件上。而石膏基涂料以石膏为胶结料，以蛭石或隔热纤维为隔热料，拌合而成。它具有密度小、热导率低、粘结力强、不腐蚀钢材，防火性能稳定、长期使用效果好等优点，特别适于超高层钢结构建筑物的防火保护要求。

1.2 膨胀型防火涂料

受火时软化发泡，膨胀几十倍乃至几百倍，形成难燃性海绵状炭质耐火隔热层，以延缓钢材温度升高。是21世纪初发展起来的，分为溶剂型和水性。以聚合物乳液为胶结料，配以阻燃填料、隔热填料、颜色料和助剂等组成，薄涂型钢结构防火涂料具有涂层薄，抗振，粘结力强、装饰性好，抗弯性好、易施工，操作简便等优点，但材料价格很高，耐火极限小于2小时，膨胀时占用空间很大，材料稳定性差，耐久年限6～10年，所以适用性较差，性价比较低。

2 国内外研究现状及发展趋势

2.1 国外研究现状

国外对于钢结构防火涂料的研究起步比我国早了20多年。上世纪60年代，对钢结构防火涂料的研究取得了突破，其中以水泥基厚型涂料为主，可以抵抗3小时耐火极限，施工方便，由于采用无机材料合成，耐候性很好，耐久年限40年以上，迅速得到了推广应用。70年代又研制出以石膏为基材的石膏基厚型防火涂料，因其材料轻、变形好、耐火性能更优、施工性能更好、绿色环保低碳节能等优良特性，逐渐取代了水泥基涂料，广泛应用在各类建筑物的室内、室外钢构件上，成为目前国内外市场主流产品。

20世纪90年代中期，随着在防火涂料中引入季戊四醇、三聚氰胺、多聚磷酸铵，以德国为首的国际市场中首先出现了这种超薄型钢结构防火涂料，由于该涂料涂层薄、装饰性好，也由于该涂料价格高、隔热时间短、耐候性差、老化起粉、耐久时间不到10年等原因，因此主要应用在对于有装饰和效果要求的裸露构件上，应用范围有限。

国外钢结构防火涂料的生产厂家，主要分布在英国、美国、加拿大、德国等国家。近年来，国外对水基超薄型钢结构防火涂料的研究非常活跃。目前国外钢结构防火涂料主要代表性产品可见表2。

2.2 国内研究现状

我国对于钢结构防火涂料的研究起步比较晚，20世纪80年代初才开始研制 [19, 21,28-29,32]。1994年四川消防研究所推出的SCB超薄型防火涂料耐火极限达到2h以上，掀起了国内超薄型防火涂料研制、开发的高潮[27-28]。此后，我国钢结构防火涂料的研制发展迅速，新产品不断涌现。但由于对于石膏基技术和超薄型产品工艺的研究和研发投入不够，成果还是有限，大部分水泥基企业还没有完成产品升级换代。到目前为止，已有许多性能优良的产品，如梵迦德、宸泰等石膏基涂料大量应用于工程建设中。到21世纪初，国内钢结构防火涂料的市场需求每年2万吨以上，生产和施工体系，涉及到的单位有200多家，多数集中在大城市和经济发达地区，如上海、北京、山东、江苏、河南、四川、辽宁、广东、福建等省市。目前国内钢结构防火涂料具体代表性产品见表3。

表3 国内钢结构防火涂料代表产品

我国钢结构防火涂料的发展，从品种类型、技术性能和标准化程度上看，已经接近或达到国际水平，某些产品甚至远销日本、俄罗斯及东南亚等地区。但与国外发达国家相比，我国钢结构防火涂料还存在一定的差距。

2.3 装配式钢结构建筑防火技术研究

2.3.1 装配式钢结构防火关键问题

我国钢结构防火涂料发展迅速，但也存在着许多问题，尤其在装配式建筑钢结构领域，针对装配式钢结构项目的特点和要求，还没有形成配套和有效的防护措施。主要表现在：1）防火涂料的建筑使用性能的满足方面，对于普通钢结构的防护涂料，为了达到很好的耐火性能，需要材料尽量轻和软。但对装配式而言需要防火涂料起到建筑装饰材料的功能，应该有足够强度和硬度。2）要具备装饰材料保温、隔音、防潮、防水的性能。3）必须是环保、低碳、绿色建材。目前的水泥基防火涂料均无法达到上述要求。同时，也存在以下方面的问题：1)组成物质大多是有机物，在日照、风吹等外界环境下降解、老化问题严重，耐久性不好，膨胀型产品尤其突出；2)施工成型的完整性问题，尤其是水泥基防火涂料施工过程中的开裂和脱落现象由来已久，这与涂料配方、施工等有关；3)涂料燃烧时产生过多的有毒有害气体，膨胀型钢结构防火涂料中的阻燃剂大多数为C-N-P或者C-N-P-CL体系，这些组分在高温下会产生NH3、HCL、NOX、CO等有害气体；4)膨胀型涂料使用寿命远远低于钢结构设计年限，这样就会造成在使用后期，涂覆在钢结构上的防火涂料起不到任何防火作用；5)耐火性能测试方法的落后，仅仅只有少数检验机构具备GB 14907规定的检验能力，而且在施工和验收的时候对防火涂料的质量检测严重缺失，使涂料的安全使用留下了诸多的隐患。

2.3.2 装配式钢结构建筑防火要求和保护

传统钢结构建筑的防火要求和保护已经有了相当的研究基础和体系，与钢结构防火有关的标准或规范包括CECS 200：2006建筑钢结构防火技术规范、DG/TJ 08-008-2017建筑钢结构防火技术规程、GB 51249-2017建筑钢结构防火技术规范，然而，装配式钢结构建筑因其设计和施工都与传统钢结构建筑存在差异，其防火要求和保护与传统钢结构建筑也有所不同。由于钢结构自身的材料特性以及工厂化生产、现场装配的特殊性，装配式钢结构体系对建筑防火设计以及其消防安全提出了新的挑战，主要体现在以下几方面：

1)装配式钢结构防火保护措施的选用以及设计，不仅要根据构件的承载形式、环境因素及空间位置等确保其防火保护有效，而且要便于制造和组装、易于保证施工的质量并确保防火保护在运输与安装的时候不会被破坏。

2)该类型的建筑是一个高度集成并且相对封闭的建筑体系，其安全疏散、灭火救援、烟气控制以及外墙防火技术措施的确定，均需要与其特殊的结构体系相适应。

3)我国有关工程建设消防技术标准的相关规定，未充分考虑到装配式钢结构体系建筑的特点，在实际工程中是难以直接应用。

2.3.3 装配式钢结构防火解决方案—石膏基防火涂料

目前，国内钢结构防火涂料品牌有270多家，厚型防火涂料绝大多数是水泥基产品。但以水泥为黏结剂的产品有先天性的不足，一方面密度高、材料重，且达到即定耐火时间要求涂装厚度一般较厚，如3h通常为25～27mm，这就造成钢结构单位面积载荷增加，虽然在配方设计时可以通过减少水泥用量，增加辅助黏结剂如轻钙、胶粉等的量来降低材料干密度，但由于价格竞争和市场缺乏有效监管，实际使用的产品水泥含量往往超过标准用量很多；二是涂层干燥过程中由于水泥水化作用失衡效应而容易开裂，这种现象在高温、低湿、大风天作业时尤为突出；三是水泥基防火涂料基本是人工抹涂施工，施工的涂层质量完全取决于工人的责任心和熟练程度，同时，钢构件的加劲板数量多、间距密，连接构件不规则，多而复杂，因此人工抹涂的施工质量很难保证；四是施工工艺复杂，由于水泥与钢材的粘接性差，及水化收缩的开裂性，因此需要刷底胶焊钉挂网，并分层分道施工。近年来国内市场上出现了用于非裸露钢结构保护的，以石膏为主要黏结剂的喷涂防火涂料，其典型代表为格雷斯公司生产的Monokote火力克和梵迦德公司的NM-HB防火涂料，以及国内中柏防火公司生产的宸泰石膏基，耐火极限可达4h。

这类石膏基涂料具有密度小、材料轻、柔韧性好、变形性好、粘结性好、施工成型快、成品不易开裂、不易空鼓、不易脱落、绿色环保、低碳节能等优点，相较于水泥基涂料，大大降低了产品自重和用量，以及对环境的污染和能源的消耗。随着建筑行业的飞速发展，客户对防火材料的综合要求也是日益提高，石膏基产品正逐渐取代水泥基产品，成为市场主流方向。在全球，石膏基产品被广泛应用于民用建筑、工业建筑及核电、化工和市政领域；在中国，几十年来，国内厂家一直无法攻克石膏基防火涂料的技术壁垒，仍旧在采用水泥基产品。目前，石膏基领导品牌—梵迦德、宸泰，以欧洲技术为支持，成功研发了具有自主知识产权的石膏基防火涂料，并运用在各重大重点建设项目中。

石膏基涂料除具有防火功能外，还具有装饰效果，GB/T 28627-2012抹灰石膏规定了抹灰石膏的保水率、强度、体积密度、导热系数等，DB 33/T 1159-2018抹灰石膏应用技术规程规定的抹灰石膏物理力学性能指标如表4所示。四国化研SKK生产的水泥基钢结构防火涂料和河南中柏防火科技有限公司生产的宸泰CT-MK6石膏基钢结构防火涂料性能对比如表5所示。

表4 抹灰石膏的物理力学性能指标

表5 水泥基和石膏基厚型钢结构防火涂料性能对比

从表5可看出，石膏基产品相对水泥基在理化性能、施工、装饰和成本方面均有明显优势，其在水泥基厚型钢结构防火涂料的基础上有突破性进展，且石膏基防火涂料已在我国室内外钢结构保护中得到应用，厚型钢结构防火涂料逐渐由第一代水泥基产品向第二代石膏基产品发展。

文献提到目前常用防火涂料和防火板包覆对装配式钢结构建筑进行防火保护。文献也提到在设计之初就应充分考虑装配式钢结构建筑后期投入正常使用阶段，可能存在因钢构件自身防火保护设计不足，从而引起的消防安全问题，因此在设计阶段应该考虑防火涂料，并提出将防火涂料纳入设计规范的建议。

总之，我国现行工程建设消防技术标准难以满足装配式钢结构体系建筑的发展需要，应该尽快提出适用于我国装配式钢结构体系建筑防火设计的技术要求，为保障此类建筑的消防安全与工程建设、完善我国相关消防技术标准提供技术支持。