關(guān)鍵詞：非膨脹型；單組分；防火涂料；防火砂漿；可再分散乳膠粉
0引言
非膨脹型防火涂料主要依靠自身的不燃性,低導(dǎo)熱系數(shù)以及吸熱性來保護(hù)建筑。一類在防火過程形成釉層保護(hù)層,它也能起隔絕氧氣的作用,使氧氣不能 和被保護(hù)的易燃物質(zhì)接觸,從而避免或降低燃燒反應(yīng)；另外一類為材料中束縛的結(jié)晶水,遇火被釋放出來,使得包括鋼筋在內(nèi)的被保護(hù)材料的臨界溫度處于100℃ 左右,直到所有的水分全部被釋放出來。這類產(chǎn)品本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低,是良好的隔熱體[1]。非膨脹型防火涂料在國外又被簡稱為含有膨脹蛭石的輕質(zhì)水泥(石 膏)砂漿。根據(jù)密度不同可分為低密度(250～350g/L)、中等密度(350～450g/L)和高密度(600～750g/L)。應(yīng)用場合主要包括室 內(nèi)隱蔽場合、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土隧道內(nèi)襯、石化、戶外使用以及芯片車間在內(nèi)的各類場合[2]。由于不同場合,包括室內(nèi)、隧道、石化著火時(shí)、燃燒物質(zhì)以及燃燒空 間不同,導(dǎo)致火災(zāi)的溫度—時(shí)間都不同,使得需要采用不同的防火涂料才能有效。本文將分別就建筑鋼結(jié)構(gòu)防火、隧道防火以及石化領(lǐng)域防火進(jìn)行分別闡述。聚合物 對(duì)非膨脹型防火涂料的改性已經(jīng)數(shù)十年了,早期國內(nèi)外大多采用醋酸乙烯-乙烯乳液進(jìn)行改性,而由于雙組分施工的不方便性和效率較為低下,致使國外主要防火涂 料公司包括Cafco、Grace以及PPG大多采用單組分形式,如粉末樹脂進(jìn)行改性,以提高其各類性能。本文還初步研究了可再分散乳膠粉對(duì)隧道防火涂料 的改性作用。
1火災(zāi)時(shí)溫度－時(shí)間曲線
根據(jù)燃燒的材料不同,可將火災(zāi)的溫度上升方式分為2大類：纖維材質(zhì)燃燒曲線和烴類物質(zhì)燃燒曲線[2]。
纖維材質(zhì),典型的包括木材、紙張、毛制品、棉花等,常見的標(biāo)準(zhǔn)溫度－時(shí)間曲線包括：
?、貰S476Pts.20-24:1987-英國；②ASTM-119(UL263)-美國；③DIN4102-德國；④ISO834。這類溫 度-時(shí)間曲線用于表示纖維材質(zhì)的燃燒曲線,具有相對(duì)較慢的溫度上升,60min時(shí),溫度上升至945℃。
而烴類物質(zhì)著火時(shí)由于所處的空間不同,從而導(dǎo)致不同溫度－時(shí)間曲線。烴類物質(zhì)(石油類),具有溫度上升迅猛的特點(diǎn),4min內(nèi)溫度即上升至 900℃,比纖維類物質(zhì)燃燒的溫度上升要快得多。因此,典型的封閉空間(如隧道)和相對(duì)開放的空間(如石油煉油廠)就有不同的溫度－時(shí)間曲線。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) 曲線包括：①Hydrocarbon標(biāo)準(zhǔn)曲線；②RWS曲線。碳?xì)浠馂?zāi)主要指的是那些由化學(xué)品或燃料(石油或天然氣),隧道火災(zāi)可以作為一個(gè)分支,一般可 假設(shè)為油罐車著火。但不同的是：測(cè)試的溫度不是常見的標(biāo)準(zhǔn)碳?xì)漕愇镔|(zhì)著火的最高溫度1120℃,而是1300℃,見圖1。
圖1不同溫度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)曲線
2建筑鋼結(jié)構(gòu)厚質(zhì)防火涂料
2.1鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)自身不燃,但極易導(dǎo)熱。鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能遠(yuǎn)較磚石和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差。鋼材的強(qiáng)度是溫度的函數(shù)。當(dāng)鋼材的溫度 上升到某一值而使其失去支撐力,一般的臨界溫度為540℃,其屈服應(yīng)力僅有常溫屈服應(yīng)力的40％,致使承載能力急劇下降?；馂?zāi)溫度大多在 800～1200℃之間,在火災(zāi)發(fā)生的15min內(nèi),火場溫度即可高達(dá)700℃以上。裸露的鋼構(gòu)件只要十幾分鐘就因達(dá)到其耐火極限而喪失承載能力,鋼結(jié)構(gòu) 不可避免地發(fā)生變形,導(dǎo)致建筑物一部分或全部垮塌毀壞[3]。一般采用典型的纖維材質(zhì)燃燒溫度－時(shí)間曲線,常見為ISO834曲線。
2.2非膨脹型厚質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
厚質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般多用于耐火極限要求超過2h以上的室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)上,如高層民用建筑的柱,一般工業(yè)與民用建筑中 的支承多層的柱[4]。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),低密度、中等密度、高密度均可使用,但使用的場合不同。低密度性由于自身強(qiáng)度相對(duì)降低,適用于隱蔽工程,類型包括水泥 基和石膏基。但低密度型具有單位面積更佳的經(jīng)濟(jì)性：達(dá)到同等的耐火等級(jí)厚度更薄。中等密度防火材料具有優(yōu)異的室內(nèi)耐久性,可施工于外露場合、水泥基,耐濕 氣性能優(yōu)異、耐空氣侵蝕、耐磨損性優(yōu)和抗沖擊性好；能承受交通震動(dòng)、高濕度和冷凝水；適用場合包括高層商業(yè)辦公大樓、交通終端、大會(huì)所、停車場、輕型加工 廠、游泳池等。由于中等密度防火砂漿具有比低密度型更好的附著力和耐久性,高層建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料越來越偏向中等密度型[5],這一點(diǎn)和國內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)相 符。高密度型,強(qiáng)度很高,具有優(yōu)異的耐水性和耐候性(包括溫濕和凍融等),使其可應(yīng)用于室外暴露或長期潮濕場合；適合場合:高科技清潔車間、交通終端、健 身房等,也可以作為車間預(yù)涂裝。對(duì)于有底漆的鋼結(jié)構(gòu),在施工防火涂料之前,要確認(rèn)和防火涂料的附著力以及進(jìn)行耐火性測(cè)試；對(duì)于施工在鋼結(jié)構(gòu)下面的防火涂 料,必須等屋頂完成施工和屋頂不再作為運(yùn)輸通道后,方可施工；對(duì)于容易彎曲的鋼結(jié)構(gòu),要求防火涂料需要更好的彎曲不開裂性,常采用鋼絲網(wǎng)加固和摻入大量的 乳液改性劑,以獲得較好柔韌性。達(dá)到長期的使用性能(包括戶外使用或發(fā)生震動(dòng)區(qū)域),也需要鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固保持,以確保長期不脫落和開裂[6－8]。戶外 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料常和防腐蝕底漆配套使用,底漆包括環(huán)氧底漆、帶銹底漆、醇酸底漆,但對(duì)于這類底漆,由于不耐 堿,通常需要在施工一道界面劑,以達(dá)到隔離目的。同樣可以和一些高耐候面漆一起配套使用,提高耐候性和裝飾性。典型的中低密度鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,如LG、 Cafco300、Cafco400等。所有鋼結(jié)構(gòu)防火涂料必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料要求(GB14907-2002)的性能要求。
3隧道防火涂料
3.1隧道火災(zāi)特點(diǎn)
雖然混凝土具有較好的耐熱性,但溫度超過380℃,混凝土強(qiáng)度下降；一旦超過800℃,將不再有可見的抗壓強(qiáng)度。一 旦火被滅后冷卻,混凝土強(qiáng)度將進(jìn)一步變差?；炷猎诩眲「邷叵?里面的液態(tài)水變成水蒸氣,一旦水蒸氣的壓力超過混凝土自身的強(qiáng)度,爆裂將發(fā)生?；炷翉?qiáng)度 越高,即使在較低溫度下,也容易爆裂,這主要是高密度和低孔隙率造成的。強(qiáng)度越高,臨界溫度越低,高強(qiáng)度混凝土的臨界溫度為200～250℃。降低溫度上 升速率,將可以避免爆裂。在快速升溫的熱沖擊下混凝土保護(hù)層損失嚴(yán)重,當(dāng)溫度超過350℃,混凝土強(qiáng)度下降；當(dāng)溫度超過250℃,內(nèi)襯的加強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度下 降。同時(shí),隧道的連接件和密封件遭破壞,導(dǎo)致漏水,隧道甚至很可能被淹[9－12]。隧道一旦發(fā)生火災(zāi),生命可能受到如下危險(xiǎn)[1]：
(1)濃煙的嗆吸導(dǎo)致窒息；
(2)燃燒的產(chǎn)物如CO2、COHCN等的吸入,而導(dǎo)致中毒；
(3)產(chǎn)生難以忍受的高溫和熱對(duì)流；
(4)同時(shí)還會(huì)由于能見度差、停電、交通的堵塞、混凝土的部分坍塌物,而導(dǎo)致人員疏通受阻。
在隧道主要防止的是烴類火災(zāi),由于是狹窄空間的燃燒,因此采用標(biāo)準(zhǔn)曲線為RSW曲線[9]。國外規(guī)定：混凝土不爆 裂,要求混凝土界面的溫度不超過250℃。
3.2隧道防火涂料
隧道防火涂料是近年才開始在我國研究與應(yīng)用的,因而尚無制定隧道防火涂料行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。我國《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī) 范》規(guī)定：隧道的建筑材料主體及附層結(jié)構(gòu)的耐火極限不應(yīng)小于4.0h。目前用于隧道防火涂料除了少量的膨脹型無機(jī)防火涂料外,基本上都屬于輕質(zhì)隧道防火涂 料。蛭石/水泥均為無機(jī)、不可燃；燃燒時(shí),不產(chǎn)生濃煙和有毒氣體。由于在火災(zāi)時(shí)蛭石/水泥并沒有被火消耗掉,因此可以提高二次保護(hù)。能經(jīng)受機(jī)械震動(dòng)和風(fēng) 壓,同時(shí)無機(jī)材料具有良好的耐水粘結(jié)性[13]。蛭石/水泥類由于多孔,當(dāng)隧道內(nèi)濕度較高,還能吸收潮氣；當(dāng)隧道較為干燥時(shí),還能釋放水汽,可作為濕度的 調(diào)節(jié)材料[2]；它在作為地鐵隧道防火材料同時(shí),還可滿足降噪功能。對(duì)于此類隧道防火涂料,可在其上面施工一道面漆,以提高耐沖洗性能和光反射。施工隧道 涂料,第一道采用乳液進(jìn)行改性,獲得所謂的keycoat(界面層),干燥后,再進(jìn)行單組分大面積噴涂施工。國外一般要求8mm以內(nèi),不需要采用加固措 施。15mm以上需要進(jìn)行加固(鋼絲網(wǎng),一般采用六角涂塑鋼絲網(wǎng)以及機(jī)械錨固),以防開裂和剝落[6],以獲得更長的使用期限。待防火涂料干燥后,才能進(jìn) 行裝飾涂料的施工。此類裝飾性涂料最好采用無溶劑型或水性。典型隧道防火涂料,如FendoliteMII和150－2。
4石油化工防火涂料
4.1石油化工火災(zāi)特點(diǎn)
屬于鋼結(jié)構(gòu)防火范疇,但特殊在于火災(zāi)前期,屬于一般的烴類火災(zāi),而后,由于烴類的泄漏,一旦溫度超過所謂的 BLEVE(boilingliquidExpandingVaporExplosion),將發(fā)生爆炸。即由Poolfire(1100℃),變成 JETFire(1500℃),此時(shí)的熱流(heatflux)可達(dá)350kW/m2。這對(duì)涂料的沖擊更大[13-14]。發(fā)生在石化或油氣加工場合的碳 氫物質(zhì)火災(zāi),在著火的數(shù)分鐘內(nèi)溫度上升至1100℃,未經(jīng)保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)將可能在短時(shí)間,由于強(qiáng)度的喪失而發(fā)生坍塌,更嚴(yán)重的發(fā)生爆炸。
4.2石油化工防火涂料
防火涂料可以使得一旦著火后,儲(chǔ)罐殼數(shù)小時(shí)內(nèi)保持溫度較低,可使得消防人員有足夠的時(shí)間去破滅火情。一旦施工后,由 于自然地老化,液化氣的輸入和輸出,可使得儲(chǔ)罐的體積發(fā)生約5％的體積膨脹和收縮。這種應(yīng)力交變將對(duì)表面的防火涂料的危害將是致命的,因此采用機(jī)械加固將 變得不可缺少,通常使用六角形鋼絲網(wǎng)或菱形條進(jìn)行編織加固[14]。對(duì)于戶外石化鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,常和防腐蝕底漆以及裝飾性高耐候面漆配套使用,面漆包括 脂肪族聚氨酯、氟碳涂料以及環(huán)氧 -硅氧烷涂料[6]。典型的石油化工防火涂料,如SteelguardCM4702。
5可再分散乳膠粉在無機(jī)非膨脹防火涂料中的應(yīng)用
施工后所使用的環(huán)境對(duì)防火涂料的耐久性影響很大,通常包括：耐磨損、老化、干濕凍融循環(huán)、潮濕、沖擊、工業(yè)氣體、鹽 霧、氣流速度、紫外線和震動(dòng)等。怎樣有效地抵抗這些因素對(duì)防火涂料的影響,除了合理的施工和措施外,采用聚合物改性已經(jīng)被廣泛認(rèn)可[5]。無機(jī)非膨脹涂料 的主要組成包括粘結(jié)料(普硅水泥、高鋁水泥和石膏),阻燃劑(石膏粉或其他內(nèi)含結(jié)晶水物質(zhì)如礬土、高嶺土)、輕質(zhì)填料(膨脹蛭石、聚苯顆粒、膨脹珍珠巖、 海泡石、粉煤灰漂珠等),纖維(硅酸鋁纖維、玻璃纖維、海泡石纖 維),聚合物(包括乳液和可再分散乳膠粉),填料以及其他助劑,如緩凝劑、促進(jìn)劑、纖維素醚、引氣劑等?？稍俜稚⑷槟z粉對(duì)輕質(zhì)砂漿的改性作用以及在輕質(zhì)保溫砂漿等得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。它 在提高輕質(zhì)砂漿的粘接強(qiáng)度、耐水強(qiáng)度、耐凍融循環(huán)、抗壓強(qiáng)度、施工性和后期防開裂性等均有很大的提高。圖2是基于市售的隧道防火涂料,摻入乳膠粉 FX3300對(duì)耐水性能的影響(7d,水面距離基材約1cm)。從圖2可以看出,FX3300的摻入大大提高了防火涂料和砂漿基材的粘結(jié)強(qiáng)度。
圖2 乳膠粉添加量對(duì)隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度的影響
6結(jié)語
單組分無機(jī)非膨脹涂料以其獨(dú)有的性能,將會(huì)在高層建筑、公共建筑、石油化工工業(yè)、隧道等場合得到充分的認(rèn)可和應(yīng)用。采用可再分散乳膠粉改性防火 涂料,將更加有效的提高涂料安全性的同時(shí),還大大提高了施工速度。
