建筑钢结构由于其强度高、塑性好、质量轻、施工工期短、制作简便、建筑形式灵活多样等特点, 被广泛应用于工业厂房、高耸结构、大跨度结构、多层和高层结构、承受振动荷载影响及地震作用的结构。
随着工业的不断发展, 近些年来, 轻型钢结构的发展已被主要应用于仓库、办公室、工业厂房、体育设施等方面, 并逐渐向住宅楼和别墅发展。2008 年, 北京奥运会的主场馆——“鸟巢”的正式启动, 标志着我国钢结构技术进入了一个崭新的发展阶段中国机械网okmao.com。但是, 由于钢结构耐火性和耐腐蚀性较差, 使得钢结构的应用在一定程度受到限制。
一般情况下, 火灾现场的温度可高达800℃～1 000℃, 虽然钢结构构件本身为不可燃烧材料, 但是, 在高温作用下, 钢构件的力学性能会随着温度的升高而急速下降, 特别是裸露的钢结构构件由于其部分力学性能的显著下降, 会很快发生塑性变形导致其构件局部破坏, 一般钢结构建筑在15min 左右就会丧失承重能力而发生坍塌, 造成重大破坏。
实践研究表明, 裸露的钢梁、钢柱、钢楼板和屋顶承重构件的耐火极限仅为0. 25h, 根据《建筑设计防火规范》( GB50016- 2006) 和《高层民用建筑设计防火规范》( GB50045- 95) 中规定耐火极限为1h～3h 的要求相差很远。因此, 必须对钢结构构件, 尤其是裸露在外的钢构件, 施加有效的防火保护, 可以为消防救火赢得宝贵的时间, 同时能够避免建筑物迅速坍塌,以及保证人民的生命和财产安全。
1 钢结构防火涂料的研究现状及存在问题
1. 1 传统防火涂料的研究现状
目前, 解决钢结构防火保护方法, 主要有截流法和疏导法两种[ 1] 。截流法又分为喷涂法、屏蔽法、包封法、水喷淋法, 而喷涂防火材料的方法施工方便、耐火效果良好, 是目前钢结构防火应用最为广泛的方法之一。
将钢结构防火涂料涂于建筑物及构筑物的钢结构表面, 能形成耐火隔热保护层从而提高钢结构的耐火极限。根据现行国家标准《钢结构防火涂料通用技术条件》( GB14907—1994) 和《钢结构防火涂料应用技术规程》( CECS24—1990) 的规定。钢结构按其涂层厚度及性能的特点, 可分为膨胀性防火涂料和非膨胀性防火涂料。
膨胀型防火涂料具有质量轻、涂层薄、抗震性好的特点, 同时具有较好的装饰性, 遇火灾高温时便能迅速膨胀增厚。但是, 在施工过程中气味较大且涂层易老化, 一般在寿命5 年～10 年, 有的甚至2 年～3 年, 就丧失了膨胀性能, 若处于吸湿受潮状态则会很快失去膨胀性, 失去了对钢结构的防火保护性能[ 2] 。非膨胀型防火涂料又称厚涂型防火涂料, 主要成分为无机绝热材料, 其特点是遇火不膨胀, 厚涂型防火涂料一般不燃、无毒, 具有耐老化、耐久性等特点, 适用于永久性建筑。但是, 对其厚度有一定要求, 厚涂型防火涂料的涂层厚度一般为8mm～50mm, 其涂层厚度较厚, 影响其外观装饰性, 因此多用于室内防火要求2h 以上的钢结构构件中。
1. 2 新型防火涂料的研究现状
随着对钢结构防火涂料研究的不断深入, 涌现出大量的新型钢结构防火涂料, BWG - 90 超薄钢结构防火涂料, 其耐火极限可达180min, 随后生产研制的NCB60—120 超薄型钢结构防火涂料, 厚度为2mm, 耐火极限可达120min。近些年来, 人们不断加大对水性防火材料的研究开发力度, 包括膨胀型水性防火涂料、无机水性防火涂料、膨胀型水溶性防火涂料、玻璃纤维水性防火涂料、硅溶胶改性水性防火涂料相继问世, 大连理工大学成功研制出的膨胀型水性环保涂料, 耐热时间长且隔热性能好。
其中玻璃纤维水性防火涂料采用在玻璃纤维拉丝工艺中使用具有防火性能的树脂作为浸润剂的成膜物质制作而成, 这种工艺方法制备出的防火涂料在实际制作过程中难度较大、费用高[3] 。硅溶胶改性水性防火涂料以水为分散剂, 采用乳液聚合的方法, 合成乳液型丙烯酸酯树脂, 再用硅溶胶对其加以改性, 调整乳液与阻燃剂的不同配比, 获得防火涂料。结果表明, 与为加入硅溶胶的涂料相比, 加入硅溶胶后, 涂层的铅笔硬度提高, 并且涂层表面的微量针孔明显减少, 其耐火时间至少延长5min[4] 。
1. 3 新型防火涂料存在的普遍问题
新型防火涂料具有较多优点, 同时, 也存在一些普遍问题。研究人员通过天然老化实验和加速老化实验, 发现部分超薄钢结构和部分水性防火涂料出现起泡、粉化、甚至脱落现象, 耐候性能明显降低。在制定与执行水性防火涂料相关标准方面, 也往往滞后于产品的生产与使用, 这就使其开发与生产方面出现无据可依的局面, 给使用带来一定隐患。
2 纳米防火涂料研究现状
2. 1 纳米防火涂料的研究现状
近些年来, 随着对新兴的纳米材料研究的不断深入, 为涂料行业也带来了新的生机。将纳米材料溶入传统建筑材料中, 有望研究得到新型功能材料, 可以提高钢结构构件表面涂料的耐火性能和耐蚀性能。纳米粒子由于其表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等特殊性质, 将其用于对传统防火涂料改性, 可提高涂层的耐火性能。近十年来, 纳米技术在钢结构防火涂料的研究方面取得了一定进展。1999 年, 北京建材集团纳美公司重点研究纳米材料在建筑涂料中的应用技术, 先后解决了诸如保色性、耐候性、阻燃性、耐污染性等制约建筑涂料发展的关键性技术难题, 掌握了纳米表面改性技术和纳米材料分散技术, 在国内率先开发出纳米改性建筑涂料系里产品。2001 年, 北京化工大学成功研制并开发了无机纳米阻燃剂, 该阻燃剂除了具有高抑烟、高效阻燃特点外, 还可明显改善合成材料的各种机械性能[ 5] 。2005 年, 咸才军等人在钢结构纳米复合防火涂料中添加了T iO2, 使得燎烧后的炭层与基体结合相对较好、不易脱落, 从而有效延长耐火时间, 在保证炭层具有足够的膨胀高度和低导热系数的前提下, 增加炭层强度可以有效延长耐火时间[ 6] 。2010 年, 张小玲等人通过原位插层法制备了蒙脱土/ 氨基树脂纳米复合材料, 在原有的厚涂型防火涂料表面进行涂覆改性, 从而得到一种防火涂料组合物, 具有良好的耐腐蚀性和耐候性能[ 7] 。通过以上的方法均可以有效地解决了超薄钢结构防火涂料和水性环保防火涂料耐候性能较差的问题。
付若愚等人[ 8] 将纳米SiO2 应用在水性超薄型钢结构防火涂料中, 采用称取一定量的水于分散罐中,加入分散剂、消泡剂等助剂, 一边搅拌一边加入固体组分和纳米SiO2, 高速分散30min 后, 加入乳液、纤维素和增稠剂, 低速分散30min 出料, 制得涂料。通过这种方法分别研究了不同的纳米SiO2 含量对涂料防火性能的影响和对涂料抗老化性能的影响。研究结果表明, 纳米SiO2 对炭质层强度增强和对炭质层膨胀具有高度抑制的综合作用, 因此, 决定了其涂料耐火极限的最终影响, 适量的添加纳米SiO2 将有效提高钢结构防火涂料的耐火极限, 而过多的添加将会起到反作用。同时, 对于不同纳米SiO2 含量的钢结构防火涂料样板进行紫外光老化试验, 可以得出, 纳米SiO2 的存在可以屏蔽大部分紫外光, 延缓涂料的老化进程, 保持防火性能的稳定。咸才军[ 9] 等人用同样的制备方法, 分别研究了纳米TiO2、纳米SiO2、纳米ZnO、纳米CaCO3、纳米Al( OH) 3 对钢结构防火涂料性能的影响。研究结果表明, 在水性超薄型钢结构防火涂料中加入适量的纳米T iO2 可以显著提高涂料燃烧后炭质层的强度,促使焦磷酸钛的生成; 当添加1. 5% 的纳米SiO2 时,厚度为2mm 的防火涂料层可以达到110min 的耐火极限; 添加2% 的纳米ZnO 时, 耐火极限可以达到103min; 而纳米CaCO3、纳米Al ( OH) 3 受热易分解,膨胀后蓬松易脱落, 耐火极限下降, 不利于钢结构的防火保护。
2. 2 纳米防火涂料存在的问题
2. 2. 1 纳米防火涂料机理的研究。国内关于纳米防火涂料机理的报道较少, 然而, 清晰的纳米防火涂料研究机理, 不仅对今后纳米防火涂料的定量、定性研究, 起着至关重要的理论指导意义, 同时, 从防火涂料研究和生产单位在实际工作中遇到的一些问题来看, 对纳米防火涂料的机理研究势在必行, 其理论意义和实际意义都非常重大。
2. 2. 2 纳米防火涂料的定量研究。从国内相关报道可以看出, 目前关于纳米防火涂料的研究, 属于停滞于定性研究, 做出定量研究的也是基于一定标准基础上进行的。因此更加完善的并且适用于实际工程需要的纳米防火涂料的生产和研制迫切需要得到更多研究人员的开发。
2. 2. 3 开发新型纳米防火涂料。突破传统树脂合成方法和涂料制备方法的瓶颈, 以及如何通过引入新的纳米粒子、获得新的树脂合成方法从而获得新型纳米防火涂料, 不断改进纳米结构设计与构建方法开展纳米涂层的制备研究, 也是目前需要解决的问题。
3 纳米防火涂料的应用及其展望
随着对钢结构耐火性能要求的不断提高, 具有环保、美观、耐火性好的水性超薄膨胀型钢结构防火涂料逐渐得到广泛应用。由于纳米材料粒径小、与高分子基体材料相容性好的特点, 将适量的纳米粒子有效分散于钢结构防火涂料中, 将会延长钢结构的耐火极限。通过不同的制备方法[ 10] , 共混法、溶胶凝胶法、原位生成法、插层复合法、—— 射线辐射法、模板法、电化学合成法、LB 膜技术法、MD 膜法, 获得分散粒径更小、分布更均匀的复合材料。实现对纳米粒子形态、尺寸、分布的控制, 分散于钢结构防火涂料中, 以期获得性能更加优良的防火涂料。
我国对于纳米材料的研究起步较晚, 我们相信,随着纳米材料研究的不断深入, 纳米材料对钢结构防火涂料的进一步贡献将具有重大的理论指导意义和实际应用价值。随着对钢结构纳米防火涂料的进一步研究, 一定有更详细的实验方案提高纳米防火涂料的性能, 以期获得性能更好、实际应用价值更大的新型钢结构纳米防火涂料。钢结构纳米防火涂料将有十分广阔的应用前景。