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(lái)保護(hù)建筑。一類在防火過(guò)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(lái),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(lái)。這類產(chǎn)品本身 的導(dǎo)熱系數(shù)較低,是良好的隔熱體。
非膨脹型防火涂料在國(guó)外又被簡(jiǎn)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(250～350 g/L)、中等密度(350～450 g/L)和高密度(600～750 g/L)。應(yīng)用場(chǎng)合主要包括室內(nèi)隱蔽場(chǎng)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(chǎng)合。由于不同場(chǎng)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(guó)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(guó)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(shù)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。
一、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。
纖維材質(zhì),典型的包括木材、紙張、毛制 品、棉花等,常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度－時(shí)間曲線包括： ①BS476Pts.20-24:1987-英國(guó)；②ASTM-119(UL263)-美國(guó)；③DIN4102-德國(guó)；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,60 min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),4 min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(kāi)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(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)碳?xì)漕愇镔|(zhì)著火的最高溫度1 120℃, 而是1 300℃,見(jiàn)圖1。
二、建筑鋼結(jié)構(gòu)厚質(zhì)防火涂料
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。火災(zāi)溫度大多在800～1 200℃之間,在火災(zāi)發(fā)生的15 min內(nèi),火場(chǎng)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。一般采用典型的纖維材質(zhì)燃燒溫度－時(shí)間曲線,常見(jiàn)為ISO834曲線。
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(guò)2 h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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)合包括高層商業(yè)辦公大樓、交通終端、大會(huì)所、停車場(chǎng)、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(lái)越偏向中等密度型,這一 點(diǎn)和國(guó)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(zhǎng)期潮濕場(chǎng)合；適合場(chǎng)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 WINDOWS OF KNOWLEDGE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(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)期不脫落和開(kāi)裂。
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、Cafco 300、Cafco 400等。 所有鋼結(jié)構(gòu)防火涂料必須滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu) 防火涂料要求(GB14907-2002)的性能要求。
三、隧道防火涂料
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(guò) 380℃,混凝土強(qiáng)度下降；一旦超過(guò)800℃,將不再 有可見(jiàn)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。混凝土在急劇高溫下,里面的液 態(tài)水變成水蒸氣,一旦水蒸氣的壓力超過(guò)混凝土自 身的強(qiáng)度,爆裂將發(fā)生。混凝土強(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(guò)350℃,混凝土強(qiáng)度下降；當(dāng) 溫度超過(guò)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)濃煙的嗆吸導(dǎo)致窒息；
(2)燃燒的產(chǎn)物如CO 2 、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(jiàn)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。國(guó)外規(guī)定：混凝土不爆裂,要求混凝土界面的溫度不超過(guò)250℃。
2、隧道防火涂料
隧道防火涂料是近年才開(kāi)始在我國(guó)研究與應(yīng)用 的,因而尚無(wú)制定隧道防火涂料行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)《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4.0 h。 目前用于隧道防火涂料除了少量的膨脹型無(wú)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(wú)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(méi) 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(wú)機(jī)材料具有良好的耐水粘結(jié)性。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；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key coat(界面 層),干燥后,再進(jìn)行單組分大面積噴涂施工。國(guó)外一 般要求8 mm以內(nèi),不需要采用加固措施。15 mm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(kāi)裂和剝落[6],以獲得更長(zhǎng)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(wú)溶劑型或水性。典 型隧道防火涂料,如Fendolite MII和150－2。
四、石油化工防火涂料
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(guò)所謂的BLEVE(boiling liquid Expanding Vapor Explosion),將發(fā)生爆炸。即由Pool fire(1 100℃),變成JET Fire(1 500℃),此時(shí)的熱流 (heat flux)可達(dá)350 kW/m2。這對(duì)涂料的沖擊更大。發(fā)生在石化或油氣加工場(chǎng)合的碳?xì)湮镔|(zhì)火災(zāi), 在著火的數(shù)分鐘內(nèi)溫度上升至1 100℃,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。
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Steelguard CM4702。
五、可再分散乳膠粉在無(wú)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(wú)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。可再分散乳膠粉對(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(kāi)裂性等均有很 大的提高。
六、結(jié)語(yǔ)
單組分無(wú)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(chǎng) 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。
