钢结构的防火涂料保护(钢结构)

钢结构的火灾危险性和防火涂料保护 时虎 （中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 合肥 230026）

摘 要 钢材是本世纪最为创新的建筑材料，在高层建筑钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构等当今现代建筑工程中有着广泛的应用及发展前景。本文介绍了钢结构的火灾危险性、钢结构的火灾灾害等，指出钢结构防火保护的重要性并介绍了目前最常用的防火涂料对钢结构的防火保护。 关键词 钢结构 火灾危险性 防火保护 防火涂料

FIRE DANGER AND FIREPROOFING COATINGS PROTECTION OF STEEL CONSTRUCTION

Shi Hu (State Key Laboratory of Fire Science University of Science & Technology of China Hefei 230026)

ABSTRACT Steels is use of the best innovative build material in this century, which has broad application and developing foreground in nowadays modern construction engineering, such as high-floor steel construction, big-span interspace steel construction, light steel construction etc. This article introduce that fire danger and disaster of steel construction, point out the importance of fireproofing protection on steel construction and emphasize protection on steel construction of the fireproofing coatings. KEY WORDS steel construction fire danger fireproofing protection fireproofing coatings

现代建筑已经告别了过去“秦砖汉瓦”的时代向着钢结构的“钢筋铁骨”迈进，钢结构已在建筑工程中发挥着独特且日益重要的作用。 近几年来，我国建筑钢结构处于建国以来最好的一个发展时期，钢结构正从高层钢结构、大跨度空间钢结构、轻型钢结构等几个方面，在建筑工程中越来越广泛的使用。 1 钢结构的火灾危险性 1.1 钢结构高温下应力变化 普通建筑用钢（中国国家标准GB700-88《碳素结构钢》和GB1591-1994《低合金结构钢》要求的Q235、Q345钢等）在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右。一般在300～400℃时，其强度开始迅速下降；到500℃左右，其强度下降到40％～50％，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度，也就是低于建筑结构的承载许用应力，“钢筋铁骨”就变成了“绕指柔”。 我国20世纪90年代初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了I36b、I40b标准工字钢梁的耐火极限分别为15min、16min。因此，若用没有防火保护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体，一旦发生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财产安全造成严重的损失。图1、图2分别给出了钢结构在高温下钢结构的应力应变曲线、钢结构在高温下的折减系数。

图1钢结构在高温下的应力应变曲线 作者：时虎 男 1974年3月生 在职研究生 图2 钢结构在高温下的折减系数 1.2 钢结构建筑的火灾案例 1969年12月19日上海文化广场发生火灾，在15分钟左右的时间内，8600m2 的钢屋架全部倒塌，造成13死亡，140多人受伤的惨剧(1)；1993年5月，上海某纺织厂厂房（钢屋架）发生火灾，不到半小时，部分建筑就开始倒塌，给消防队灭火带来了极大的困难，此次火灾造成直接经济损失87万元，而由于厂房被烧毁，因停工停产和善后处理造成的间接经济损失为2283万元；1993年11月的青岛格尔木炼油厂火灾，炉体支柱（钢结构）因高温破坏，使炉体倾倒；1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320 m2厂房烧塌；1998年5月5日，北京玉泉营环岛家具城大火，结构防火未达标，造成1.3万m2钢结构轻体建筑全部倒塌，造成直接经济损失达到人民币2087万。国外也有许多这方面的实例，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10厘米左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；2001年9月11日，震惊世界的“911事件”中被飞机撞毁的纽约世界贸易大楼姊妹楼，事后专家分析认为，其实飞机并没有将大楼撞倒，而是由于飞机在撞到大楼的同时破坏了大楼钢结构上的防火涂层，并爆炸起火，使得钢结构暴露在熊熊烈火中，在一个多小时后，结构软化，强度丧失，终于载不动如此沉重的负担，轰然倒下，造成几千人命丧废墟，损失多达几百亿美元，给周边地区的经济以沉重的打击。

2 钢结构的火灾危险性防治 2.1 钢结构防火的意义 (1)减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结

构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人(2)。 (2)避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡； (3)减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。 2.2 钢结构防火涂料 目前，钢结构的防火保护有多种方法，这些方法主要有：钢结构防火涂料保护、防火板保护、混凝土防火保护、柔性卷材防火保护、耐火钢、结构内通水冷却等。选择钢结构的防火措施时，应考虑下列因素：钢结构所处部位，需防护的构件性质；钢结构采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间；防护材料的可靠性；施工难易程度和经济性。这其中以钢结构防火涂料保护方法应用范围最为广阔，效率最高。 钢结构防火涂料刷涂或喷涂在钢结构表面，起防火隔热作用，防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度，避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。钢结构防火涂料施工简便，无须复杂的工具即可施工、重量轻、造价低，而且不受构件的几何形状和部位的限制。国外自上世纪50年代以来就采用防火涂料施涂钢结构表面，火灾时能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构的耐火极限，满足建筑防火设计规范要求，减少建筑物钢结构火灾灾害。从20世纪80年代初期起，在我国兴建的由国外设计的工程开始采用钢结构防火涂料，到1985年左右，国内一些科研单位和厂家开始研究生产钢结构防火涂料。经过近20年的发展，无论从产品品种、质量还是应用范围，生产厂家都有长足的发展。与此同时，国家也颁布了该产品的相关技术标准和规范，如GB14907－94《钢结构防火涂料通用技术条件》、GBJ205《钢结构工程施工与验收规范》、中国工程建设标准化协会标准CECS24:90《钢结构防火涂料应用技术规范》等。这对发展我国钢结构防火涂料的生产起了极大的推动作用。 2.2.1 钢结构防火涂料有效保护案例 1989年3月，在北京国际贸易中心B区宴会厅发生了一次意外火灾，堆在大厅内的1000多立方的管道保温材料被大火化为灰烬，大火持续了近3小时，大厅现浇混凝土楼板被烧蚀6厘米多 A-标准升温曲线B-未受保护钢结构升温曲线 C-受保护钢结构升温曲线a-升温停顿时间段 图3 耐火极限实验中钢结构在有防火保护 与无保护条件下的升温情况比较

厚，钢筋全部外露，造成10多万美元的直接经济损失，但用防火涂料保护的大跨度钢梁，经过3小时的火灾，防锈漆颜色未变，没有丝毫变形，避免了一次包括大厦可能垮塌的重大经济损失；1993年11月，安徽省马鞍山市体育馆火灾中，经受1小时的火灾考验，喷有防火涂料的球节网架没有变形，防火涂料有效地保护了结构(3)。 钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义：从所用溶剂来分，可分为溶剂型和水基型钢结构防火涂料；从使用范围分，可分为室内和室外钢结构防火涂料；根据防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚型、薄型、超薄型钢结构防火涂料（见表1）。

表1 涂层厚度与耐火极限 类型 厚型 薄型 超薄型 涂层厚度 (mm) 8～50 3～7 小于3 耐火极限 (h) 0.5～3.0 0.5～2.0 0.5～2.0

钢结构防火涂料各项性能指标依据国家标准GB14907-94《钢结构防火涂料通用技术条件》技术要求来判定产品质量，具体指标见表2。目前GB14907-94正在修订，在广泛征求意见的基础上，新标准将对室外涂料及超薄型涂料的试验方法和性能要求作专门规定，并对原标准内容作部分调 整，使标准得到充实和完善，如室外涂料将规定耐久性（耐曝热、耐湿热、耐酸、耐碱、耐冻融循环、耐盐雾腐蚀）检验，各类涂料增加腐蚀性技术要求，少数原有技术要求会被取消，如抗弯性、抗振性、热导率等，但作为检验项目可继续保留，由生产企业自行决定(4)。

表2 钢结构防火涂料各项性能指标 检验项目 技术指标 CB类 B类 H类 耐火性 能 涂层厚度mm ≤3.0 3.0 5.5 7.0 8 15 20 30 40 50

耐火极限h ≥0.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 在容器中的状态 搅拌后应均匀,无结块 搅拌后应均匀,无结块 表干时间h ≤12 ≤24 初期干燥抗裂性 无裂纹，如有其宽度不大于0.5 mm 无裂纹，如有其宽度不大于1.0 mm 粘结强度Mpa ≥0.15 ≥0.04 耐水性h ≥24 ≥24 耐冻融循环性次 ≥15 ≥15 外观与颜色 与样品相比无明显差异 抗弯性 挠曲L/100，涂层不起层、脱落 抗振性 挠曲L/200，涂层不起层、脱落 抗压强度Mpa ≥0.3 干密度kg/m3 ≤500 热导率W/(m•k) ≤0.116

国家现行建筑设计防火规范：中华人民共和国国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95(1997年版）、中华人民共和国国家标准 《建筑设计防火规范》GBJ16—87、中华人民共和国国家标准《建筑室内装修设计防火规范》GB 50222—95对钢结构的耐火极限要求见表3(5) (6)。