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淺談鋼結(jié)構(gòu)防火材料的應(yīng)用:鋼結(jié)構(gòu)廠房中的建筑防火設(shè)計(jì)淺析

摘 要：我國(guó)正趨向于發(fā)展節(jié)能型、可持續(xù)發(fā)展型社會(huì)建設(shè)，由此對(duì)于建筑設(shè)計(jì)提出了更高的要求，鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑是我國(guó)生產(chǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)數(shù)量有增無減，本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房中的建筑防火設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；廠房；建筑防火設(shè)計(jì)

前言

一般而言，就鋼結(jié)構(gòu)性能來講，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：承載性能高、穩(wěn)定性能優(yōu)越、安全性能可靠。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房如雨后春筍般崛地而起，已經(jīng)逐漸成為了一種我國(guó)當(dāng)前工業(yè)廠房建設(shè)發(fā)展過程中的新型建筑類別。

一、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點(diǎn)

就其鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房而言，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下方面：

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在廠房里可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，因而施工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)安裝便捷，在一定程度上縮短了施工的周期。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系主要運(yùn)用輕鋼，與其他鋼材料性能相比，具有很大的優(yōu)越性能，其自身的重量相對(duì)較輕。從本質(zhì)上來講，工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)運(yùn)用輕鋼材料，在一定程度上有助于減輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的自重。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要運(yùn)用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。具體而言，采用夾芯金屬板作為主要的圍護(hù)材料，其材料自重相對(duì)較輕，且承載力較高，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的基礎(chǔ)要求水平不高，有助于縮短施工工期，提高施工質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)體系從本質(zhì)上歸屬于綠色環(huán)保建筑，作為一種強(qiáng)度與效能均高的建筑材料，其再循環(huán)價(jià)值相對(duì)較高。通常情況下，無需進(jìn)行制模施工。此外，在廠房用途的影響下，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房每層高值都相對(duì)較大，廠房空間得到了極大的拓寬，廠房結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越。

二、鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)性

1、鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性很差，耐火極限低。當(dāng)鋼構(gòu)件自身溫度達(dá)到350℃時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)下降1/3；當(dāng)自身溫度達(dá)到500℃，其強(qiáng)度會(huì)下降1/2；當(dāng)自身溫度達(dá)到600℃，其強(qiáng)度會(huì)下降2/3；在全負(fù)荷情況下，使鋼構(gòu)件失去平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃，而在火災(zāi)過程中，一般最低的溫度為800℃，所以鋼結(jié)構(gòu)很容易失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，造成建筑物的坍塌。

2、材質(zhì)易導(dǎo)熱隔熱性差，快速升溫

鋼鐵作為建筑構(gòu)件材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)建筑以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件，鋼材具有容易導(dǎo)熱，隔熱性差的特點(diǎn)，如果不涂抹隔熱涂層，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，將迅速升溫，導(dǎo)致形狀變化。

3、鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件耐腐蝕性差

有些工廠車間會(huì)生產(chǎn)腐蝕性產(chǎn)品，腐蝕性氣體揮發(fā)損傷鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件，發(fā)生化學(xué)腐蝕；另外鋼結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)大氣中的相對(duì)濕度大于60%時(shí)，鋼構(gòu)件的電化學(xué)腐蝕加劇。

三、鋼結(jié)構(gòu)條件下建筑的防火設(shè)計(jì)

1、確定鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火等級(jí)

建筑物的耐火等級(jí)是對(duì)建筑物進(jìn)行防火設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。長(zhǎng)久以來，建筑物的防火問題是工程師考慮的首要問題。而最重要的基礎(chǔ)防火設(shè)施必須要妥善處理:建筑的防火分隔、建筑的避難層設(shè)置、安全出口的設(shè)置。而鋼結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件在火災(zāi)中如若遭到破壞，則會(huì)嚴(yán)重影響到人員的安全。為此，我國(guó)規(guī)定了各類建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)。耐火等級(jí)定得偏高，則施工的成本加大，造成不必要的浪費(fèi);定得偏低，則消防安全會(huì)受影響。因此，要合理確定鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火等級(jí)。

2、設(shè)計(jì)時(shí)要做到以人為本

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑物，無論其設(shè)計(jì)的多么完善，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)還會(huì)出現(xiàn)意想不到的問題，因而，在這種百密一疏的情況下，必須要充分考慮到人員的疏散問題，做到以人為本。在設(shè)計(jì)人員疏散時(shí)，務(wù)必要將鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)和人員密度指標(biāo)綜合起來考慮。在此基礎(chǔ)上，務(wù)必加強(qiáng)對(duì)安全疏散路線、疏散寬度和疏散距離的設(shè)計(jì)要求。一旦發(fā)生火災(zāi)，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到耐火安全極限的時(shí)間里，能夠有效的疏散建筑物中的人員，使人們安全脫離火災(zāi)，避免群死群傷火災(zāi)事故的發(fā)生。當(dāng)然，除了發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散，在平時(shí)也必須切實(shí)制定好消防安全管理制度，要適時(shí)檢查火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)化滅火裝置是否完好有效，消防監(jiān)督檢查是否到位，切不可因一時(shí)大意疏忽釀成悲劇。

3、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料施工質(zhì)量技術(shù)對(duì)策

鋼材在升溫初始階段，彈性、塑性變化不大，但在250℃左右時(shí)鋼材抗拉強(qiáng)度提高而沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象叫藍(lán)脆現(xiàn)象（表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色）。當(dāng)溫度超過300℃以后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度顯著下降，達(dá)到600℃時(shí)強(qiáng)度比原來下降了2/3左右。溫度上升至500℃時(shí)，屈服強(qiáng)度下降到常溫的一半時(shí)，構(gòu)件發(fā)生塑性形變而破壞，到600℃時(shí)強(qiáng)度幾乎為零，建筑在縱向壓力和橫向應(yīng)力作用下，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)扭曲變形，垮塌毀壞。鋼結(jié)構(gòu)采用防火涂料保護(hù)后，鋼材導(dǎo)熱性能降低、溫升速度減慢，火災(zāi)時(shí)能形成耐火隔熱保護(hù)層，耐火極限增大，從而保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)中，在防火設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不垮塌。目前，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按涂層厚度可分為三類：H類為厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度一般為8～50mm，粒狀表面，密度較小，導(dǎo)熱率低，耐火極限為30～180min；B類為薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度一般為3～7mm，有一定的裝飾效果，高溫時(shí)膨脹形成耐火隔熱保護(hù)層，耐火極限一般為30～120min；CB類為超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層在3mm以下，具有良好的裝飾效果，高溫時(shí)膨脹形成耐火隔熱保護(hù)層，一般應(yīng)用在耐火極限要求在30～90min的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因此，涂刷鋼結(jié)構(gòu)防火涂料可以增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗火災(zāi)能力，防火涂料的質(zhì)量和施工質(zhì)量十分關(guān)鍵，施工中的主要質(zhì)量對(duì)策如下：防火涂料產(chǎn)品質(zhì)量要求：用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料應(yīng)是符合公安部消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則，并經(jīng)國(guó)家法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的耐火極限和理化性能檢測(cè)合格的產(chǎn)品，用戶、施工單位和工程監(jiān)理應(yīng)檢查其產(chǎn)品的生產(chǎn)資質(zhì)是否符合消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則要求，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品的包裝和銘牌標(biāo)志是否有涂料品種名稱、技術(shù)性能、生產(chǎn)批號(hào)、貯存期限和使用說明等。防火涂料中的底層和面層涂料是否相互配套，底漆是否銹蝕鋼材。同時(shí)，對(duì)在同一工程中，每使用100t薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)抽樣檢測(cè)一次粘結(jié)強(qiáng)度；每使用500t厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)抽樣檢測(cè)一次粘結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，以確保施涂于鋼結(jié)構(gòu)上的防火涂料產(chǎn)品質(zhì)量性能符合標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)要求。

防火涂料、底漆的選用要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求：防火涂料的選用要嚴(yán)格遵守《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)耐火極限要求選用不同的防火涂料：耐火極限≤1h時(shí)，可選用超薄型或薄型防火涂料；耐火極限≤2.5h時(shí)，可選用薄型或厚型防火涂料：耐火極限＞2.5h時(shí)，應(yīng)選用厚型防火涂料。底漆的選用。防火涂料在火場(chǎng)中保證防火性能的一個(gè)重要前提是在火災(zāi)中膨脹體不能脫落，這除了與防火涂料配方有關(guān)外，與底漆的選擇也密切相關(guān)。目前國(guó)內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)上使用的底漆大多數(shù)是醇酸防銹漆，一般地說單獨(dú)使用醇酸調(diào)和漆防銹，其壽命不超過3年。防火涂料涂層有一定的透濕性，所以醇酸調(diào)和漆做底漆不能保證防火涂料牢固附著長(zhǎng)達(dá)15年以上，而且可能一旦發(fā)生火災(zāi)，醇酸調(diào)和漆在溫度達(dá)到200℃左右時(shí)，即防火涂層剛剛形成隔熱膨脹體時(shí)，就會(huì)因醇酸調(diào)和漆軟化而脫落，從而喪失防火性能。如90min耐火極限的涂料，因?yàn)榈灼徇x用了醇酸調(diào)和漆，導(dǎo)致耐火極限小于30min即發(fā)生脫落。實(shí)驗(yàn)證明，選用環(huán)氧樹脂為成膜劑，以氧化鋅或磷酸鋅為填料的底漆較好。

4、鋼結(jié)構(gòu)條件下的建筑防火策略

鋼結(jié)構(gòu)條件下的建筑防火有著重大意義。第一，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)目的是盡可能的延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界溫度的時(shí)間，以爭(zhēng)取一切的時(shí)間救人;第二，避免鋼結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)坍塌時(shí)造成人員傷亡;第三，減少鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的修復(fù)成本，使得修復(fù)周期縮短，減少造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。主要有如下幾種方法。

（1）截流法

截流法主要包括三種具體方法:

a噴涂法，即是利用噴涂機(jī)直接將防火涂料噴在構(gòu)件表面，以形成保護(hù)層來隔斷火源。這種方法的適用范圍相當(dāng)廣泛，可以適用于任何構(gòu)件。

b包覆法，即在構(gòu)件的外層覆蓋澆筑混凝土或者耐火磚，將鋼構(gòu)件完全封閉，從而避免與火焰直接接觸，從而延長(zhǎng)溫度的上升時(shí)間，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)建筑。這種方法施工簡(jiǎn)單，但是會(huì)影響建筑物美觀，并且要求具有一定的空間。

c屏蔽法，即把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或者吊頂內(nèi)，火災(zāi)時(shí)同樣延緩了升溫時(shí)間，并且這種方法能夠增加室內(nèi)的美觀。需要注意的是，在做吊頂和墻體時(shí)一定要注意接縫和空洞。一旦出現(xiàn)要及時(shí)封閉，以免發(fā)生火災(zāi)時(shí)火苗竄入，引起鋼構(gòu)件受損。

（2）疏導(dǎo)法

截流法的目的是設(shè)法將鋼構(gòu)件與外界火源隔離。而疏導(dǎo)法的原理截然不同，其允許熱量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法將熱量從其他地方傳遞出去或者消耗掉。這樣也可以達(dá)到使構(gòu)件溫度不高于臨界溫度的目的，從而保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。疏導(dǎo)法目前主要是冷卻水保護(hù)這一方法。具體操作是:在建筑的空心封閉截面中注水，發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠使得鋼構(gòu)件把吸收火場(chǎng)里的溫度可以及時(shí)傳遞給水，同時(shí)依靠水的蒸發(fā)和水的循環(huán)將熱量導(dǎo)出去。這樣構(gòu)件的溫度則會(huì)最多維持在100℃左右。其實(shí)，從理論上來講，這是保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)最為有效的辦法。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于盛滿了水的加熱容器，像開水爐一樣工作。根據(jù)水的比熱和汽化熱比較大，發(fā)生火災(zāi)時(shí)構(gòu)件吸收的熱量會(huì)源源不斷的被消耗和排出去。需要注意的是，要保障有充足的水源和足夠的水位。當(dāng)然，冷卻水的供給可以由高位水箱或者地下水，甚至是消防車來補(bǔ)給，水蒸氣則由排氣口排出。當(dāng)水柱的位置過高時(shí)，可以將冷卻水系統(tǒng)分為多個(gè)循環(huán)系統(tǒng)來冷卻，以防止柱底的溫度過高。同時(shí)，為了防止管柱的銹蝕和水的結(jié)冰，還可以向其中定期加入阻銹劑和防凍劑等。

結(jié)束語(yǔ)

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的過程中，我們不僅要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房強(qiáng)度、耐久性等方面性能進(jìn)行嚴(yán)格的要求，還要充分的體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火安全性能，從而有效的提高工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

淺談鋼結(jié)構(gòu)防火材料的應(yīng)用:鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的現(xiàn)狀和發(fā)展探討

摘 要：文章綜述了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的現(xiàn)狀、發(fā)展、機(jī)理、分類，結(jié)合工作實(shí)際評(píng)述了新產(chǎn)品在建筑中的實(shí)際應(yīng)用，并展望了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；防火涂料

隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑構(gòu)造的形式也日新月異，其中，鋼結(jié)構(gòu)建筑以其自身強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，并有良好的延伸性能、抗震性能并且具備施工周期短等特點(diǎn)，在建筑業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在高層建筑以及大跨度建筑等方面顯示出了強(qiáng)大的影響力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上在100 m以上的高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)建筑占了總數(shù)的約79%。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的完善，鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)在我國(guó)也得到了長(zhǎng)足地應(yīng)用。在我國(guó)高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)建筑占了37%，多數(shù)是近幾年建設(shè)起來的。隨著我國(guó)各地城鎮(zhèn)化速度的穩(wěn)步推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)建筑領(lǐng)域中將擁有更加廣闊的遠(yuǎn)景。但由于其自身的缺陷讓鋼結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)了很多的瑕疵，建筑的質(zhì)量安全與消防安全對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑影響是最大的，如何處理好這兩方面的問題是最急需要考慮的問題。

1 火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)建筑所暴露出來的問題

鋼結(jié)構(gòu)建筑雖然自身是不燃燒體，但因其耐火性能差，在實(shí)際火場(chǎng)的高溫下，其強(qiáng)度、彈性系數(shù)等都會(huì)明顯降低，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材就會(huì)完全喪失其強(qiáng)度和硬度。

①鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的夾芯材料防火性能不佳。鋼結(jié)構(gòu)廠房多用夾芯的彩鋼板做墻體和分隔材料，而該芯材多是聚氨脂泡沫、聚苯乙烯等易燃或可燃材料填充，且燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，易造成人員傷亡，2013年消防局已經(jīng)正式下文杜絕使用此類易燃有毒的彩鋼板。

②鋼結(jié)構(gòu)因自身的抗火性能很差，受熱極易垮塌，不利于消防官兵進(jìn)行火災(zāi)撲救和人員物質(zhì)的疏散。無保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)屋架，耐火極限只有15 min，同時(shí)，所造成的鋼結(jié)構(gòu)倒塌將嚴(yán)重影響火災(zāi)撲救，消防官兵無法進(jìn)入建筑內(nèi)部實(shí)施撲救，無法直接撲滅著火點(diǎn)。

2 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化以及對(duì)裸露結(jié)點(diǎn)的保護(hù)

在火場(chǎng)中，使鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的溫度約為500℃，在我們常見的火場(chǎng)溫度有800～1 000℃，此時(shí)，裸露結(jié)點(diǎn)會(huì)很快出現(xiàn)變形和坍塌，這就要求對(duì)容易起火、火災(zāi)負(fù)荷大的部位應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化，如可適當(dāng)加密鋼柱的間距，從而提升隔墻的防火承載能力。同時(shí)，也應(yīng)采用噴涂防火涂料對(duì)裸露的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的歷程

防火涂料是建筑材料中的重要成員。自防火涂料配方被研制出來，防火涂料不斷向前發(fā)展，效能也得到了及大的提升，后來又出現(xiàn)了膨脹型防火涂料。我國(guó)防火涂料的歷程，較發(fā)達(dá)國(guó)家晚5～10 a，但現(xiàn)在的發(fā)展速度已經(jīng)有迎頭趕上的架勢(shì)了。不論品種類型、性能效果還是適用標(biāo)準(zhǔn)上看，已經(jīng)接近國(guó)際領(lǐng)先水平。

4 防火涂料的機(jī)理

防火涂料的機(jī)理可歸納為以下五點(diǎn)：

①本身為不燃材料，使被保護(hù)的材料不直接充分地與空氣接觸，延緩被保護(hù)材料著火并減緩燃燒速度。

②具有導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，可以阻止燃燒時(shí)高溫向被保護(hù)材料的傳遞時(shí)間和速度。

③氮系防火涂料受熱分解出NO、NH3等氮化產(chǎn)物，和有機(jī)游離基化合，阻斷連鎖反應(yīng)，抑制燃燒。

④受熱分解會(huì)產(chǎn)生惰性氣體，充斥在了被保護(hù)材料受熱分解出的可燃?xì)怏w周邊，使之燃燒速度減緩。

⑤膨脹型防火涂料受到高溫后膨脹發(fā)泡，同泡沫滅火機(jī)理形成泡沫隔熱層將被保護(hù)材料覆蓋，延遲熱量向被保護(hù)材料的傳遞，抑制物體著火燃燒。

5 按成分的分類

①一般的防火涂料主要用于木材、人造板等板材上，如用在建筑的木質(zhì)屋架、頂棚等表面。

②膨脹型防火涂料又劃分為乳液膨脹型防火涂料、溶劑膨脹型防火涂料和膨脹無毒型防火涂料。

③乳液膨脹型防火涂料和溶劑膨脹型防火涂料主要用于常規(guī)建筑物上。

④膨脹無毒型防火涂料主要用于保護(hù)電絕緣管、聚乙烯管道上。

6 按效果分類

6.1 厚型

厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層厚度在7～50 mm的涂料，此類防火涂料的耐火極限之多可達(dá)到3 h。高溫中涂層表面不發(fā)生膨脹，依靠不燃、低導(dǎo)熱和吸熱性，大幅延緩了鋼結(jié)構(gòu)的升溫。與其他涂料相比，除開具有水溶型防火涂料的部分特點(diǎn)之外，因?yàn)槠鋸淖陨淼幕|(zhì)到添加劑均為無機(jī)物，所以成本低廉。然而由于其成分采用無機(jī)材料，其防火性能較穩(wěn)定，縱使長(zhǎng)期使用其性能也能保證，但其涂料成分的粒質(zhì)過大，導(dǎo)致其外觀會(huì)有凹凸不平的現(xiàn)象，影響了鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體外觀視覺，因此此類型多用于隱蔽的工程。實(shí)際中，多層工業(yè)或民用建筑、高層民用建筑的鋼柱中支承柱的耐火極限要求達(dá)到3 h，此時(shí)要達(dá)到耐火標(biāo)準(zhǔn)采用此類厚型防火涂料進(jìn)行保護(hù)為最佳選擇。

6.2 薄型

薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層厚度在3～7 mm的涂料，此類涂料受火時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹發(fā)泡現(xiàn)象，其機(jī)理也是以膨脹發(fā)泡形成耐火隔熱的泡沫層，借此來延緩被保護(hù)鋼材的升溫，其耐火極限在2 h以內(nèi)。對(duì)此類防火涂料，所選用的水基型的混合物必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)基材具備較好的附著力、耐水性和耐久性。其視覺美觀效果比厚型防火涂料強(qiáng)，但差于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

6.3 超薄型

超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層厚度不超過3 mm的涂料，此類防火涂料遇到高溫也是發(fā)生膨脹發(fā)泡現(xiàn)象，其形成的致密防火隔熱泡沫層，使耐火極限一般控制在2 h左右，也是近幾年發(fā)展起來的新新品種。與之前所述的厚型與薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料相比，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的附著力更強(qiáng)，涂層更薄，視覺美觀性也好。在滿足消防規(guī)范的同時(shí)也能滿足視覺美觀性的要求，尤其針對(duì)有大量裸露結(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，此類涂料更是備受好評(píng)的涂料。于此同時(shí)，由于此類防火涂料涂層需要敷設(shè)的表面很薄，使得對(duì)材料的需求大幅減少，從而降低了涂料的成本費(fèi)用，于此同時(shí)還能讓鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)達(dá)到消防規(guī)范要求，性能效果很好，勢(shì)必成為今后行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

6.4 礦物棉型

礦物棉型防火涂料是繼厚型防火涂料之后的進(jìn)一步升級(jí)材料，其與厚型防火涂料所采用的珍珠巖系列和氯氧鎂水泥珍珠巖系列涂料相比，其礦物纖維基料對(duì)涂層強(qiáng)度起到了增強(qiáng)作用，起到防火、隔熱和吸音的效果。實(shí)際應(yīng)用中，已廣泛使用的是快干型礦物棉型防火涂料，在施工條件有限的工地使用時(shí)，具備了降低施工難度、降低成本和降低干燥時(shí)間等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

7 結(jié)合工程實(shí)際展望新技術(shù)

在筆者于2013年7月驗(yàn)收的荊溪鎮(zhèn)小城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)展示館項(xiàng)目中，建設(shè)方就采用了武漢武立涂料有限公司出品的室內(nèi)薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料來處理該建筑的耐火性能，經(jīng)公安部消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心抽檢，由國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的檢驗(yàn)報(bào)告顯示，該NB室內(nèi)薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在涂層厚度4.7 mm時(shí)，耐火性能試驗(yàn)時(shí)間為3.0 h，符合規(guī)定的耐火時(shí)間要求，其余各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格。該NCB室內(nèi)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在涂層厚度2.00 mm（含防銹漆厚度0.04 mm）時(shí)，耐火性能試驗(yàn)時(shí)間為2.1 h，符合規(guī)定的耐火時(shí)間要求，其余各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格。從而滿足了規(guī)范要求的鋼柱3 h，鋼梁2 h的要求。

由此得知，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了耐火性能達(dá)到或超過3 h的薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料新品種，它主要是以特殊結(jié)構(gòu)的丙烯酸乳液作為基料粘合劑，附以高聚合度聚磷酸銨、季戊四醇（95%含量）、三聚氰胺（一等品）等為防火阻燃體系，添加鈦白粉、膨脹石墨等無機(jī)耐火材料，以200#溶劑油為溶劑復(fù)合而成。各種輕鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等已經(jīng)可以采用該類型防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)。由于該類防火涂料涂層薄，使得使用量較厚型防火涂料大大減少，從而降低了工程費(fèi)用，又使鋼結(jié)構(gòu)得到了有效的防火保護(hù)，防火效果很好。

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，防火涂料的環(huán)保性能也提上了發(fā)展日程，向著低污染、高性能的方向提升。水基型防火涂料由于安全無毒、對(duì)環(huán)境影響小，成為今后發(fā)展的重要方向。其中，又以無機(jī)型防火涂料具備的不燃性、耐高溫性，即使高溫作用也不會(huì)產(chǎn)生有害氣體的優(yōu)良因素，讓其在防火涂料發(fā)展中越來越受到重視。如硅酸鹽膨脹型防火涂料，就是用梯次發(fā)泡的原理，讓低溫發(fā)泡層與高溫發(fā)泡層的融合，解決了火場(chǎng)高溫中鋼結(jié)構(gòu)前期導(dǎo)熱升溫快和后期涂層融化的問題。另外，采用膨脹型和非膨脹型防火涂料相結(jié)合的方法也是重要的研究方向，即涂料的配方中既有膨脹型的材料，又含有較多耐火基料的成分，再加入高熔點(diǎn)的無機(jī)纖維材料等，使防火涂層在火場(chǎng)高溫的作用下形成膨脹率很低的高強(qiáng)度碳素表面，確保表面能夠長(zhǎng)時(shí)間在火場(chǎng)中迎火而不會(huì)造成脫落。

8 結(jié) 語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)基材作為一種相當(dāng)好的建筑材料，其應(yīng)用也將越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)建筑廣泛應(yīng)用后的消防安全問題，直接關(guān)系著廣大人民群眾人生和財(cái)產(chǎn)的安全。然而鋼結(jié)構(gòu)建筑在耐火性能上存在著先天不足，為了創(chuàng)造出更好的消防安全環(huán)境，我們著手大力發(fā)展新型防火涂料是非常重要的和刻不容緩的。新的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品的不斷問世和深入發(fā)展，也促進(jìn)著消防事業(yè)的發(fā)展，在保護(hù)國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全中發(fā)揮了其重大作用。

淺談鋼結(jié)構(gòu)防火材料的應(yīng)用:淺談石油化工企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)

摘要:探討石油化上裝置鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)防火材料的設(shè)計(jì)選用，鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范的理解和鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)思考等問題。

關(guān)鍵詞:石油化上裝置:鋼結(jié)構(gòu):防火

0引言

在大型石化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕、加強(qiáng)改造處理靈活，組裝制造方便，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)而被設(shè)計(jì)人員大量的采用。據(jù)筆者初步估算，在近年來的中石化、中石油的項(xiàng)目建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)框架、排架等占到結(jié)構(gòu)型式的一半以上，特別是高層的化工裝置框架、鋼結(jié)構(gòu)，往往以其較好的變形性能、優(yōu)越的抗震效果而被設(shè)計(jì)人員作為設(shè)計(jì)方案的首選。

1判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動(dòng)、高溫車間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說: 大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉(cāng)棚、工廠、住宅和臨時(shí)建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。在石油化工企業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)常用于冷換框架、反應(yīng)器框架、管架、廠房、泵棚、樓梯間等。2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計(jì)”, 它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對(duì)一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題, 可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想, 從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確, 并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí), 它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面架、網(wǎng)架(殼) 、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。在石油化工企業(yè)中常見的結(jié)構(gòu)形式有: 鋼框架主要用于支承冷卻器、換熱器、臥式容器、空氣冷卻器等化工設(shè)備; 鋼排架用于支承管道、電纜儀表槽盒等；門式鋼架用于大型壓縮機(jī)廠房、泵棚等。

結(jié)構(gòu)選型時(shí), 應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中,當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載, 就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū),屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落(切線 50°內(nèi)需考慮雪載)，降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時(shí),在框架中布置支撐會(huì)比簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要?jiǎng)偠染鶆?、力學(xué)模型清晰, 盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍, 使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻, 其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線, 否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn), 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu), 柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受 1/4 的總水平力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置, 有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁, 但是這會(huì)使主梁截面加大, 減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時(shí)會(huì)吃不消, 此時(shí)把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。梁保住主梁和柱子。

2鋼結(jié)構(gòu)的耐火特性

鋼結(jié)構(gòu)雖然具有重量輕、空間大、施工快、便于改造等優(yōu)點(diǎn), 但鋼材與其他材料一樣, 也會(huì)受到火災(zāi)帶來的不利影響。與混凝土相比, 鋼材的耐火性能差。鋼材雖不燃燒, 但在火災(zāi)高溫作用下, 其力學(xué)性能、鋼材的強(qiáng)度在 0~250℃范圍內(nèi)基本無變化, 只是在達(dá)到 300℃以上強(qiáng)度開始下降,500℃時(shí)強(qiáng)度只是原來的一半,600℃時(shí)是原來強(qiáng)度的六分之一到七分之一, 強(qiáng)度幾乎喪失殆盡, 也就是鋼材的耐火極限在 15min 左右。根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)資料, 結(jié)構(gòu)用鋼當(dāng)溫度低于300℃時(shí), 強(qiáng)度增加而塑性降低;當(dāng)溫度高于 300℃時(shí), 強(qiáng)度降低而塑性增加。鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)約為混凝土的 40 倍, 當(dāng)構(gòu)件表面受熱時(shí), 熱量會(huì)很快傳到其內(nèi)部; 加之由于鋼構(gòu)件由單一材料組成, 溫度分布均勻, 截面形狀呈薄壁狀, 受火面積大, 在火災(zāi)中升溫快, 我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定: 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)到 150℃以上或在短期內(nèi)可能遭到火焰作用時(shí), 應(yīng)采取有效防護(hù)措施, 以保證有效期內(nèi)安全可靠。

3鋼構(gòu)件的防火保護(hù)方法

3.1 隔熱法

用耐火材料把構(gòu)件包裹起來。包裹材料有混凝土、輕質(zhì)耐火混凝土或鋼絲網(wǎng)膜耐火砂漿等, 其優(yōu)點(diǎn)是取材方便, 價(jià)格低廉, 表面強(qiáng)度高, 耐沖擊, 對(duì)施工技術(shù)要求不高, 但比較笨重。

3.2阻熱法

原理是截?cái)嗷蜃铚馂?zāi)產(chǎn)生的熱量向構(gòu)件傳輸, 從而使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫升不超過臨界溫度。其做法是在構(gòu)件表面設(shè)置一層保溫材料, 火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保溫材料, 再由保溫材料傳給構(gòu)件。由于所選保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)均較小, 所以必然能阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸, 起到保護(hù)作用。

3.3導(dǎo)熱法

就是在空心封閉截面中( 主要是柱) 充水, 火災(zāi)時(shí)構(gòu)件把吸收的熱量傳給水, 依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導(dǎo)走, 構(gòu)件的溫度可維持在 100℃左右。使構(gòu)架溫度不至于升高到臨界溫度, 從而起到保護(hù)作用。這種方法在實(shí)際生產(chǎn)中很難行得通, 也不適用于室外鋼構(gòu)架。

3.4噴涂法

用噴涂器具將防火涂料直接噴涂在構(gòu)件表面, 火災(zāi)時(shí)能形成耐火保護(hù)層, 目前大型石化廠構(gòu)架采用的方法主要有兩種。厚涂型防火涂料( H 類) 涂層厚度介于8-50mm, 該類涂料密度較小, 導(dǎo)熱率低, 以涂料本身的隔熱性能來提高鋼梁的耐火極限, 耐火極限可達(dá) 0.5-3h。薄涂型防火涂料( B 類) 涂層厚度為 7mm 以下, 該類涂料具有一定的裝飾性能, 以涂層遇高溫時(shí)膨脹發(fā)泡所形成的耐火隔熱來提高鋼梁的耐火極限。它的耐火極限可達(dá) 0.5-2h。因此薄涂型一般適用于室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)。而石化企業(yè)火災(zāi)屬于烴類火,烴類火災(zāi)與建筑火災(zāi)的主要區(qū)別是升溫曲線不同, 建筑火災(zāi) 30min 火焰溫度達(dá)到 700~800℃, 而烴類火災(zāi)升溫速度快,10min 溫度達(dá)到 1000℃。

因此薄涂型防火涂料雖然涂層薄質(zhì)量輕, 但這類涂料耐火極限很低, 在室外使用有老化問題、在潮濕環(huán)境下膨脹的可靠性問題以及樹脂分解后產(chǎn)生濃煙及有害氣體等原因。防火涂料的一般要求原料應(yīng)預(yù)先檢驗(yàn), 不得使用石棉材料和苯類溶劑。防火涂料可使用噴涂、抹涂、輥涂、刮涂或刷涂等方法中的一種或多種方法施工, 并能在通常的自然環(huán)境條件下干燥固化。防火涂料應(yīng)呈堿性或偏堿性。覆層涂料應(yīng)相互配套, 底層涂料應(yīng)能同普通防銹漆配合使用。涂層干后不應(yīng)有刺激性氣味, 燃燒時(shí)一般不產(chǎn)生濃煙和有害人體健康的氣味。

4設(shè)計(jì)思考的一些問題

由于石化裝置防火設(shè)計(jì)中，對(duì)應(yīng)于不同構(gòu)件設(shè)計(jì)不同的涂層厚度在實(shí)際操作中不可行，所以根據(jù)本公式對(duì)整個(gè)裝置的鋼結(jié)構(gòu)型號(hào)的選用上，可以通過分析比較選取適于防火的截面形式。目前在石油化工防火設(shè)計(jì)中，基本是以上述的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件耐火試驗(yàn)為基礎(chǔ)的。實(shí)際上，基于計(jì)算的現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析方法已經(jīng)開始發(fā)展運(yùn)用，CECS200:2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》以火災(zāi)高溫下鋼結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)為基礎(chǔ)，根據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的原則，做了抗火設(shè)計(jì)分析驗(yàn)算方法的推薦，對(duì)于普通的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可進(jìn)行一般抗火計(jì)算，對(duì)于一些特別重要的結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行整體抗火計(jì)算。由于石油化工企業(yè)的火災(zāi)絕大多數(shù)是烴類火災(zāi)，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)(即建筑火災(zāi))與烴類火災(zāi)的主要區(qū)別是升溫曲線不同，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)的升溫曲線，在30分鐘時(shí)的火焰溫度約700}8000C;而烴類火災(zāi)的升溫曲線，在10分鐘時(shí)的火焰溫度便達(dá)到10000C。所以，是否在石化裝置設(shè)計(jì)中進(jìn)行抗火計(jì)算，需要設(shè)計(jì)師基于設(shè)計(jì)方案、建筑物的特點(diǎn)及重要性、技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段、工程造價(jià)等因素進(jìn)行分析判斷。

5總結(jié)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，新材料的研制開發(fā)，石油化工鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)中需要考慮安全風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)、材料性能、施工方便等綜合因素，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算手段，選取簡(jiǎn)單、易行、優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。