建筑鋼結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度高、塑性好、質(zhì)量輕、施工工期短、制作簡(jiǎn)便、建筑形式靈活多樣等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠(chǎng)房、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、多層和高層結(jié)構(gòu)、承受振動(dòng)荷載影響及地震作用的結(jié)構(gòu)。
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,近些年來(lái),輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展已被主要應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、辦公室、工業(yè)廠(chǎng)房、體育設(shè)施等方面,并逐漸向住宅樓和別墅發(fā)展。2008年,北京奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館——“鳥(niǎo)巢”的正式啟動(dòng),標(biāo)志著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。但是,由于鋼結(jié)構(gòu)耐火性和耐腐蝕性較差,使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在一定程度受到限制。
一般情況下,火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度可高達(dá)800℃～1000℃,雖然鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身為不可燃燒材料,但是,在高溫作用下,鋼構(gòu)件的力學(xué)性能會(huì)隨著溫度的升高而急速下降,特別是裸露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于其部分力學(xué)性能的顯著下降,會(huì)很快發(fā)生塑性變形導(dǎo)致其構(gòu)件局部破壞,一般鋼結(jié)構(gòu)建筑在15min左右就會(huì)喪失承重能力而發(fā)生坍塌,造成重大破壞。實(shí)踐研究表明,裸露的鋼梁、鋼柱、鋼樓板和屋頂承重構(gòu)件的耐火極限僅為0.25h,根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016-2006)和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50045-95)中規(guī)定耐火極限為1h～3h的要求相差很遠(yuǎn)。因此,必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,尤其是裸露在外的鋼構(gòu)件,施加有效的防火保護(hù),可以為消防救火贏得寶貴的時(shí)間,同時(shí)能夠避免建筑物迅速坍塌,以及保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
1鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
1.1傳統(tǒng)防火涂料的研究現(xiàn)狀
目前,解決鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法,主要有截流法和疏導(dǎo)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(jié)構(gòu)防火應(yīng)用最為廣泛的方法之一。將鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂于建筑物及構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)表面,能形成耐火隔熱保護(hù)層從而提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。
根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通用技術(shù)條件》(GB14907—1994)和《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS24—1990)的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)按其涂層厚度及性能的特點(diǎn),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(zhì)量輕、涂層薄、抗震性好的特點(diǎn),同時(shí)具有較好的裝飾性,遇火災(zāi)高溫時(shí)便能迅速膨脹增厚。但是,在施工過(guò)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(tài)則會(huì)很快失去膨脹性,失去了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)性能[2]。非膨脹型防火涂料又稱(chēng)厚涂型防火涂料,主要成分為無(wú)機(jī)絕熱材料,其特點(diǎn)是遇火不膨脹,厚涂型防火涂料一般不燃、無(wú)毒,具有耐老化、耐久性等特點(diǎn),適用于永久性建筑。但是,對(duì)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(guān)裝飾性,因此多用于室內(nèi)防火要求2h以上的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。
1.2新型防火涂料的研究現(xiàn)狀
隨著對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究的不斷深入,涌現(xiàn)出大量的新型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,BWG-90超薄鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,其耐火極限可達(dá)180min,隨后生產(chǎn)研制的NCB60—120超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,厚度為2mm,耐火極限可達(dá)120min。近些年來(lái),人們不斷加大對(duì)水性防火材料的研究開(kāi)發(fā)力度,包括膨脹型水性防火涂料、無(wú)機(jī)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(wèn)世,大連理工大學(xué)成功研制出的膨脹型水性環(huán)保涂料,耐熱時(shí)間長(zhǎng)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(shù)脂作為浸潤(rùn)劑的成膜物質(zhì)制作而成,這種工藝方法制備出的防火涂料在實(shí)際制作過(guò)程中難度較大、費(fèi)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(shù)脂,再用硅溶膠對(duì)其加以改性,調(diào)整乳液與阻燃劑的不同配比,獲得防火涂料。結(jié)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(shí)間至少延長(zhǎng)5min[4]。
1.3新型防火涂料存在的普遍問(wèn)題
新型防火涂料具有較多優(yōu)點(diǎn),同時(shí),也存在一些普遍問(wèn)題。研究人員通過(guò)天然老化實(shí)驗(yàn)和加速老化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)部分超薄鋼結(jié)構(gòu)和部分水性防火涂料出現(xiàn)起泡、粉化、甚至脫落現(xiàn)象,耐候性能明顯降低。在制定與執(zhí)行水性防火涂料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面,也往往滯后于產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用,這就使其開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)方面出現(xiàn)無(wú)據(jù)可依的局面,給使用帶來(lái)一定隱患。
2納米防火涂料研究現(xiàn)狀
2.1納米防火涂料的研究現(xiàn)狀
近些年來(lái),隨著對(duì)新興的納米材料研究的不斷深入,為涂料行業(yè)也帶來(lái)了新的生機(jī)。將納米材料溶入傳統(tǒng)建筑材料中,有望研究得到新型功能材料,可以提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀(guān)量子效應(yīng)等特殊性質(zhì),將其用于對(duì)傳統(tǒng)防火涂料改性,可提高涂層的耐火性能。近十年來(lái),納米技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究方面取得了一定進(jìn)展。1999年,北京建材集團(tuán)納美公司重點(diǎn)研究納米材料在建筑涂料中的應(yīng)用技術(shù),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(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)難題,掌握了納米表面改性技術(shù)和納米材料分散技術(shù),在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)出納米改性建筑涂料系里產(chǎn)品。2001年,北京化工大學(xué)成功研制并開(kāi)發(fā)了無(wú)機(jī)納米阻燃劑,該阻燃劑除了具有高抑煙、高效阻燃特點(diǎn)外,還可明顯改善合成材料的各種機(jī)械性能[5]。2005年,咸才軍等人在鋼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合防火涂料中添加了TiO2,使得燎燒后的炭層與基體結(jié)合相對(duì)較好、不易脫落,從而有效延長(zhǎng)耐火時(shí)間,在保證炭層具有足夠的膨脹高度和低導(dǎo)熱系數(shù)的前提下,增加炭層強(qiáng)度可以有效延長(zhǎng)耐火時(shí)間[6]。2010年,張小玲等人通過(guò)原位插層法制備了蒙脫土/氨基樹(shù)脂納米復(fù)合材料,在原有的厚涂型防火涂料表面進(jìn)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(guò)以上的方法均可以有效地解決了超薄鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和水性環(huán)保防火涂料耐候性能較差的問(wèn)題。
付若愚等人[8]將納米SiO2應(yīng)用在水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中,采用稱(chēng)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(guò)這種方法分別研究了不同的納米SiO2含量對(duì)涂料防火性能的影響和對(duì)涂料抗老化性能的影響。研究結(jié)果表明,納米SiO2對(duì)炭質(zhì)層強(qiáng)度增強(qiáng)和對(duì)炭質(zhì)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(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限,而過(guò)多的添加將會(huì)起到反作用。同時(shí),對(duì)于不同納米SiO2含量的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料樣板進(jìn)行紫外光老化試驗(yàn),可以得出,納米SiO2的存在可以屏蔽大部分紫外光,延緩?fù)苛系睦匣M(jìn)程,保持防火性能的穩(wěn)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能的影響。研究結(jié)果表明,在水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)層的強(qiáng)度,促使焦磷酸鈦的生成;當(dāng)添加1.5%的納米SiO2時(shí),厚度為2mm的防火涂料層可以達(dá)到110min的耐火極限;添加2%的納米ZnO時(shí),耐火極限可以達(dá)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(jié)構(gòu)的防火保護(hù)。
2.2納米防火涂料存在的問(wèn)題
2.2.1納米防火涂料機(jī)理的研究。國(guó)內(nèi)關(guān)于納米防火涂料機(jī)理的報(bào)道較少,然而,清晰的納米防火涂料研究機(jī)理,不僅對(duì)今后納米防火涂料的定量、定性研究,起著至關(guān)重要的理論指導(dǎo)意義,同時(shí),從防火涂料研究和生產(chǎn)單位在實(shí)際工作中遇到的一些問(wèn)題來(lái)看,對(duì)納米防火涂料的機(jī)理研究勢(shì)在必行,其理論意義和實(shí)際意義都非常重大。
2.2.2納米防火涂料的定量研究。從國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道可以看出,目前關(guān)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此更加完善的并且適用于實(shí)際工程需要的納米防火涂料的生產(chǎn)和研制迫切需要得到更多研究人員的開(kāi)發(fā)。
2.2.3開(kāi)發(fā)新型納米防火涂料。突破傳統(tǒng)樹(shù)脂合成方法和涂料制備方法的瓶頸,以及如何通過(guò)引入新的納米粒子、獲得新的樹(shù)脂合成方法從而獲得新型納米防火涂料,不斷改進(jìn)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)建方法開(kāi)展納米涂層的制備研究,也是目前需要解決的問(wèn)題。
3納米防火涂料的應(yīng)用及其展望
隨著對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能要求的不斷提高,具有環(huán)保、美觀(guān)、耐火性好的水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料逐漸得到廣泛應(yīng)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(diǎn),將適量的納米粒子有效分散于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中,將會(huì)延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。
通過(guò)不同的制備方法[10],共混法、溶膠凝膠法、原位生成法、插層復(fù)合法、——射線(xiàn)輻射法、模板法、電化學(xué)合成法、LB膜技術(shù)法、MD膜法,獲得分散粒徑更小、分布更均勻的復(fù)合材料。實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子形態(tài)、尺寸、分布的控制,分散于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中,以期獲得性能更加優(yōu)良的防火涂料。
我國(guó)對(duì)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的進(jìn)一步貢獻(xiàn)將具有重大的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著對(duì)鋼結(jié)構(gòu)納米防火涂料的進(jìn)一步研究,一定有更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案提高納米防火涂料的性能,以期獲得性能更好、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值更大的新型鋼結(jié)構(gòu)納米防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)納米防火涂料將有十分廣闊的應(yīng)用前景。 |
