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建筑結構材料防火性能的研究和展望

摘要:目前建筑的主要結構性材料有混凝土和鋼材,文本通過對目前幾種防火材料的闡述,介紹了一些新型的防火涂料和處理技術,希望從建筑結構上確保穩定性和耐火性。

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    關鍵詞:混凝土、鋼結構、外保溫材料、防火材料


    火在人類文明的發展史中扮演了及其重要的角色。但是,火是一把雙刃劍,它在造福人類的同時,也給人類帶來了巨大的災難。火災的直接損失約為地震的五倍,僅次于干旱和洪澇,而且發生的頻率居于各災種之首。許多火災的發生,除了與消防設施及消防管理存在問題有關外,防火材料的優劣也起了致命作用。1994年12月8日,新疆克拉瑪依的一場大火,遇難325人,受傷130人;同年11月29日,遼寧阜新的歌舞廳大火造成了200多人喪生,這些火災的造成與損失的導致,在很大程度上與建筑材料的防火性差有很大關系。由此可見,在建筑中采用防火材料、在發生火災時阻止火勢蔓延、延長結構耐火極限從而為滅火贏得寶貴時間具有重大意義。


    一、防火混凝土


    (一)混凝土在燃燒時的行為


    混凝土本身是不燃的,但是在高溫作用下,混凝土的強度隨溫度上升而急劇下降,超過一定溫度時強度完全喪失,從而導致結構的垮塌。研究表明,當溫度為600℃時,混凝土的抗壓強度僅為室溫時的45%左右,溫度超過1000℃時,抗壓強度完全喪失;當溫度在50~600℃范圍內時,混凝土的抗拉強度呈直線下降趨勢,到600℃時抗拉強度完全喪失。


    (二)混凝土的防火措施


    為提高混凝土的防火性能,可以采取混凝土結構自防火和輔助防火兩類措施。混凝土結構自防火即采用耐火混凝土,提高其最高使用溫度從而達到延長耐火極限、降低火災損失的目的;混凝土結構輔助防火措施包括在構件表面加設砂漿保護層、加強裂縫封堵以防止發生穿透性裂縫以及噴涂混凝土結構防火涂料等。混凝土結構防火涂料的防火機理與鋼結構防火涂料類似。我國混凝土結構防火涂料研究始于20世紀80年代。混凝土防火涂料可分為膨脹型和非膨脹型兩大類。涂層較厚、裝飾性差是制約其使用的主要原因,要由絕熱材料、黏合劑和防火添加劑等成分組成,它屬于雙組分涂料,給生產、運輸、施工帶來不便,存在耐火時間短,涂層厚,不能用于戶外和污染環境問題,有相當部分涂料普遍滿足不了2006年公安部頒布的A98-2005《混凝土結構防火涂料》的要求。膨脹型防火涂料由有機材料組成,這些成分在高溫下會產生有害氣體,而且對濕度敏感,性能衰減較快,其耐火極限也比較低,在生產、施工過程中對人身健康有極大危害;針對現有的混凝土結構防火涂料存在的問題。核工業北京地質研究院的李振濤和中國建筑科學研究院的馬道貞研制開發了具有耐火極限高、粘結強度高、耐潮濕、耐凍融良好、燃燒時不產生有毒氣體、屬于無機單組分環保的新型混凝土結構防火涂料。廣泛適用于公路、鐵路、城市地鐵、隧道等混凝土結構表面的防火保護。它們以海泡石棉為涂料的主體,主要起增強涂層強度和骨架等作用,防止涂料干燥后和高溫下龜裂、脫落情況出現。然后用B礦物經改進后作為涂料的防火黏合劑,該防火黏合劑以水為分散介質,可在常溫常壓下進行水化和凝固,并且可在潮濕基面使用,對涂料的施工極為方便。該防火黏合劑粘結強度高,屬于無機膠凝材料,它與混凝土具有良好的附著力,凝固后具有很好的耐水性和耐候性,且不像水泥等有過期失效現象。


    (三)耐火混凝土


    耐火混凝土是一種能夠長期承受高溫作用(200℃以上)且在高溫下能夠保持所需要的物理力學性能(如較高的熱穩定性、較小的收縮等)的特種混凝土。該混凝土是由耐火骨料與適量的耐火膠結料(有時還有礦物摻合料或有機摻合料)和水按一定比例配制而成的。常用的耐火骨料有碎粘土磚、碎高鋁磚、碎鎂磚及鎂砂等;常用的耐火膠結料有陶瓷泥漿膠結料及復合硅酸鈉膠結料等。根據膠結料的不同可將耐火混凝土分為硅酸鹽耐火混凝土(800℃(最高使用溫度,下同)、鋁酸鹽耐火混凝土(1600℃)、磷酸鹽耐火混凝土(1600℃)、硫酸鹽耐火混凝土及礬土耐火混凝土(1700℃)等。


    二、防火鋼結構


    (一)防火涂料


    防火涂料是一類特制的防火保護涂料,由氯化橡膠、石蠟和多種防火添加劑組成的溶劑型涂料,具有耐火性好的優點。防火涂料施涂于普通電線表面后,遇火能膨脹產生200毫米厚的泡沫,炭化成保護層,隔絕火源,因此,適用于發電廠、變電所等級較高的建筑物室內外電纜線的防火保護。


    (二)防火涂料的防火機理


    根據防火機理的不同可將防火涂料分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料兩大類。前者的防火機理為:涂覆在基材表面的防火涂料導熱系數較小,降低了熱量向被保護基材的傳遞速度。此外,涂料中的一些組份遇火時相互反應生成不燃氣體的過程是吸熱反應,消耗大量的熱,有利于降低體系的溫度;后者的防火機理為:涂覆在基材表面的防火涂料遇火時膨脹炭化發泡,形成是原來涂層厚度幾十倍的不易燃的海綿狀炭化層。


    (三)鋼材在燃燒時的行為


    鋼材本身也是不燃的,但是其強度隨溫度上升而急劇下降且導熱系數較大,因此鋼結構的耐火性能很差。以普通低碳鋼為例,抗拉強度500℃時降低約50%,600℃時降低約70%。目前一般認為鋼構件的強度損失臨界溫度為540℃。


    涂覆防火涂料是最簡單且最有效的提高鋼結構耐火極限的措施。GB14907-2002《鋼結構防火涂料》根據涂層厚度將鋼結構防火涂料分為厚型(7~45mm)、薄型(3~7mm)和超薄型(≤3mm)三類。厚型鋼結構防火涂料屬于非膨脹型防火涂料,遇火時涂層不膨脹,依靠其不燃性、低導熱性或吸熱性來延緩溫升、保護鋼構件,因此又被稱為隔熱型鋼結構防火涂料。涂層較厚、裝飾性差是制約其使用的主要原因。薄型和超薄型鋼結構防火涂料屬于膨脹型防火涂料。超薄型鋼結構防火涂料與厚型和薄型相比,具有粒度細、涂層薄、施工方便及裝飾性好等優點,是目前備受青睞的鋼結構防火涂料。


    (四)超薄型鋼結構防火涂料的研究進展


    超薄型鋼結構防火涂料大部分是溶劑型的,基料以聚丙烯酸酯樹脂、氨基樹脂及酚醛樹脂等為主。近年來無毒環保的水性超薄型鋼結構防火涂料逐漸增多,基料主要為氯偏乳液、氟碳乳液等。張愛黎等以丙烯酸樹脂為基料、可膨脹石墨和納米Mg(OH)2為復合阻燃劑制備了超薄型鋼結構防火涂料。


摻加5%可膨脹石墨和1.5%納米Mg(OH)2、厚度為1.8mm時,涂料的耐火極限達106min。陳立嬌等[13]以丙烯酸酯乳液為基料、摻加少量硅溶膠制備了水性超薄型鋼結構防火涂料。劉芳等以聚丙烯酸酯乳液為基料、埃洛石納米管為阻燃協效劑制備了水性超薄型鋼結構防火涂料,耐火極限為107min,燃燒殘余量高達48.36%且燃燒殘余物表面致密,顯示出優異的耐火性能。


    三、防火保溫材料


    (一)納米多孔氣凝膠


    納米多孔氣凝膠(簡稱氣凝膠)材料是一種分散介質為氣體的凝膠材料,是由膠體粒子或高聚物分子相互聚積構成的一種具有網絡結構的納米多孔性固體材料,該材料中孔隙的大小在納米數量級。其空洞率高達80%~99.8%,孔洞的典型尺寸為1~100nm,比表面積為200~1000m2/g,而密度最低可達3kg/m3,室溫導熱系數可低至0.012W/(m·K)。早在1931年,美國斯坦福大學的Kistler利用溶膠—凝膠方法及超臨界干燥技術首次制得氣凝膠,隨后Per利用硅脂經溶膠—凝膠方法制備出SiO2氣凝膠,大大縮短了氣凝膠的制備及干燥周期,其后Tewari以CO2為超臨界干燥介質來制備氣凝膠,使其凝膠的干燥溫度降為室溫,提高了設備的安全可靠性,推動了氣凝膠制備技術的發展。


    (二)氣凝膠材料的特性


    密度低、耐高溫。氣凝膠密度僅為3.55kg/m3,僅為空氣密度的2.75倍;二氧化硅氣凝膠具有較高的使用溫度,甚至在900℃高溫下仍具有較好的多孔網絡結構,在溫度達到1200℃時才會熔化。熱導性低、隔熱能力強。其傳熱過程包含3種傳熱機理:通過氣凝膠固體骨架和內部孔隙的熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱[5-7],納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l,而且對紅外和可見光的湮滅系數之比達100以上,通過摻雜的手段,可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導,常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0.013W/m·K,是目前熱導率最低的固態材料。此外,氣凝膠還具有絕緣能力強;低聲速特性;比表面積大、導電率高等特性。


    四、結語


    隨著科學技術的發展,防火材料的研究與開發獲得了前所未有的重視,每年都有新的防火材料研制成功。最近,德國開發出一種利用植物纖維素等原料制成的新型防火材料。這種新型防火材料不僅防火效果好、使用方便、無化學毒性。該產品是從廢舊紙張中提取的植物纖維素加入一些不可燃的特殊礦物材料,按照特定比例混合而制成的。盡管纖維素本身是可燃的,但防火材料中的不可燃成份在遇到火焰時會逐漸融化。混合纖維素在被保護物體與火焰之間形成如同一件“外套”一樣的保護層,而且隨著溫度的升高,保護層會越發堅硬,起到穩定的絕熱作用。該新型防火材料使用簡便,可以通過噴涂的方式直接涂在被保護物體表面,并能立即發揮作用  來源:中國消防在線

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