關鍵詞：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,低導熱系數以及吸熱性來保護建筑。一類在防火過程形成釉層保護層,它也能起隔絕氧氣的作用,使氧氣不能 和被保護的易燃物質接觸,從而避免或降低燃燒反應；另外一類為材料中束縛的結晶水,遇火被釋放出來,使得包括鋼筋在內的被保護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。這類產品本身的導熱系數較低,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水泥(石 膏)砂漿。根據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)。應用場合主要包括室 內隱蔽場合、鋼結構、混凝土隧道內襯、石化、戶外使用以及芯片車間在內的各類場合[2]。由于不同場合,包括室內、隧道、石化著火時、燃燒物質以及燃燒空 間不同,導致火災的溫度—時間都不同,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構防火、隧道防火以及石化領域防火進行分別闡述。聚合物 對非膨脹型防火涂料的改性已經數十年了,早期國內外大多采用醋酸乙烯-乙烯乳液進行改性,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隧道防火涂料 的改性作用。
1火災時溫度－時間曲線
根據燃燒的材料不同,可將火災的溫度上升方式分為2大類：纖維材質燃燒曲線和烴類物質燃燒曲線[2]。
纖維材質,典型的包括木材、紙張、毛制品、棉花等,常見的標準溫度－時間曲線包括：
?、貰S476Pts.20-24:1987-英國；②ASTM-119(UL263)-美國；③DIN4102-德國；④ISO834。這類溫 度-時間曲線用于表示纖維材質的燃燒曲線,具有相對較慢的溫度上升,60min時,溫度上升至945℃。
而烴類物質著火時由于所處的空間不同,從而導致不同溫度－時間曲線。烴類物質(石油類),具有溫度上升迅猛的特點,4min內溫度即上升至 900℃,比纖維類物質燃燒的溫度上升要快得多。因此,典型的封閉空間(如隧道)和相對開放的空間(如石油煉油廠)就有不同的溫度－時間曲線。相應的標準 曲線包括：①Hydrocarbon標準曲線；②RWS曲線。碳氫火災主要指的是那些由化學品或燃料(石油或天然氣),隧道火災可以作為一個分支,一般可 假設為油罐車著火。但不同的是：測試的溫度不是常見的標準碳氫類物質著火的最高溫度1120℃,而是1300℃,見圖1。
圖1不同溫度時間標準曲線
2建筑鋼結構厚質防火涂料
2.1鋼結構火災特點
鋼結構自身不燃,但極易導熱。鋼結構的耐火性能遠較磚石和鋼筋混凝土結構差。鋼材的強度是溫度的函數。當鋼材的溫度 上升到某一值而使其失去支撐力,一般的臨界溫度為540℃,其屈服應力僅有常溫屈服應力的40％,致使承載能力急劇下降?；馂臏囟却蠖嘣?800～1200℃之間,在火災發生的15min內,火場溫度即可高達700℃以上。裸露的鋼構件只要十幾分鐘就因達到其耐火極限而喪失承載能力,鋼結構 不可避免地發生變形,導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燃燒溫度－時間曲線,常見為ISO834曲線。
2.2非膨脹型厚質鋼結構防火涂料
厚質鋼結構防火涂料一般多用于耐火極限要求超過2h以上的室內鋼結構上,如高層民用建筑的柱,一般工業與民用建筑中 的支承多層的柱[4]。對于鋼結構,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度相對降低,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濟性：達到同等的耐火等級厚度更薄。中等密度防火材料具有優異的室內耐久性,可施工于外露場合、水泥基,耐濕 氣性能優異、耐空氣侵蝕、耐磨損性優和抗沖擊性好；能承受交通震動、高濕度和冷凝水；適用場合包括高層商業辦公大樓、交通終端、大會所、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,高層建筑鋼結構防火涂料越來越偏向中等密度型[5],這一點和國內采用標準相 符。高密度型,強度很高,具有優異的耐水性和耐候性(包括溫濕和凍融等),使其可應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,也可以作為車間預涂裝。對于有底漆的鋼結構,在施工防火涂料之前,要確認和防火涂料的附著力以及進行耐火性測試；對于施工在鋼結構下面的防火涂 料,必須等屋頂完成施工和屋頂不再作為運輸通道后,方可施工；對于容易彎曲的鋼結構,要求防火涂料需要更好的彎曲不開裂性,常采用鋼絲網加固和摻入大量的 乳液改性劑,以獲得較好柔韌性。達到長期的使用性能(包括戶外使用或發生震動區域),也需要鋼絲網進行加固保持,以確保長期不脫落和開裂[6－8]。戶外 鋼結構防火涂料常和防腐蝕底漆配套使用,底漆包括環氧底漆、帶銹底漆、醇酸底漆,但對于這類底漆,由于不耐 堿,通常需要在施工一道界面劑,以達到隔離目的。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構防火涂料,如LG、 Cafco300、Cafco400等。所有鋼結構防火涂料必須滿足國家標準鋼結構防火涂料要求(GB14907-2002)的性能要求。
3隧道防火涂料
3.1隧道火災特點
雖然混凝土具有較好的耐熱性,但溫度超過380℃,混凝土強度下降；一旦超過800℃,將不再有可見的抗壓強度。一 旦火被滅后冷卻,混凝土強度將進一步變差?；炷猎诩眲「邷叵?里面的液態水變成水蒸氣,一旦水蒸氣的壓力超過混凝土自身的強度,爆裂將發生?；炷翉姸?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。強度越高,臨界溫度越低,高強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層損失嚴重,當溫度超過350℃,混凝土強度下降；當溫度超過250℃,內襯的加強鋼筋強度下 降。同時,隧道的連接件和密封件遭破壞,導致漏水,隧道甚至很可能被淹[9－12]。隧道一旦發生火災,生命可能受到如下危險[1]：
(1)濃煙的嗆吸導致窒息；
(2)燃燒的產物如CO2、COHCN等的吸入,而導致中毒；
(3)產生難以忍受的高溫和熱對流；
(4)同時還會由于能見度差、停電、交通的堵塞、混凝土的部分坍塌物,而導致人員疏通受阻。
在隧道主要防止的是烴類火災,由于是狹窄空間的燃燒,因此采用標準曲線為RSW曲線[9]。國外規定：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用的,因而尚無制定隧道防火涂料行業或國家標準。我國《鐵路工程設計防火規 范》規定：隧道的建筑材料主體及附層結構的耐火極限不應小于4.0h。目前用于隧道防火涂料除了少量的膨脹型無機防火涂料外,基本上都屬于輕質隧道防火涂 料。蛭石/水泥均為無機、不可燃；燃燒時,不產生濃煙和有毒氣體。由于在火災時蛭石/水泥并沒有被火消耗掉,因此可以提高二次保護。能經受機械震動和風 壓,同時無機材料具有良好的耐水粘結性[13]。蛭石/水泥類由于多孔,當隧道內濕度較高,還能吸收潮氣；當隧道較為干燥時,還能釋放水汽,可作為濕度的 調節材料[2]；它在作為地鐵隧道防火材料同時,還可滿足降噪功能。對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,第一道采用乳液進行改性,獲得所謂的keycoat(界面層),干燥后,再進行單組分大面積噴涂施工。國外一般要求8mm以內,不需要采用加固措 施。15mm以上需要進行加固(鋼絲網,一般采用六角涂塑鋼絲網以及機械錨固),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 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石油化工火災特點
屬于鋼結構防火范疇,但特殊在于火災前期,屬于一般的烴類火災,而后,由于烴類的泄漏,一旦溫度超過所謂的 BLEVE(boilingliquidExpandingVaporExplosion),將發生爆炸。即由Poolfire(1100℃),變成 JETFire(1500℃),此時的熱流(heatflux)可達350kW/m2。這對涂料的沖擊更大[13-14]。發生在石化或油氣加工場合的碳 氫物質火災,在著火的數分鐘內溫度上升至1100℃,未經保護的鋼結構將可能在短時間,由于強度的喪失而發生坍塌,更嚴重的發生爆炸。
4.2石油化工防火涂料
防火涂料可以使得一旦著火后,儲罐殼數小時內保持溫度較低,可使得消防人員有足夠的時間去破滅火情。一旦施工后,由 于自然地老化,液化氣的輸入和輸出,可使得儲罐的體積發生約5％的體積膨脹和收縮。這種應力交變將對表面的防火涂料的危害將是致命的,因此采用機械加固將 變得不可缺少,通常使用六角形鋼絲網或菱形條進行編織加固[14]。對于戶外石化鋼結構防火涂料,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非膨脹防火涂料中的應用
施工后所使用的環境對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、潮濕、沖擊、工業氣體、鹽 霧、氣流速度、紫外線和震動等。怎樣有效地抵抗這些因素對防火涂料的影響,除了合理的施工和措施外,采用聚合物改性已經被廣泛認可[5]。無機非膨脹涂料 的主要組成包括粘結料(普硅水泥、高鋁水泥和石膏),阻燃劑(石膏粉或其他內含結晶水物質如礬土、高嶺土)、輕質填料(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、促進劑、纖維素醚、引氣劑等?？稍俜稚⑷槟z粉對輕質砂漿的改性作用以及在輕質保溫砂漿等得到廣泛的應用和認可。它 在提高輕質砂漿的粘接強度、耐水強度、耐凍融循環、抗壓強度、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強度。
圖2 乳膠粉添加量對隧道防火涂料粘結強度的影響
6結語
單組分無機非膨脹涂料以其獨有的性能,將會在高層建筑、公共建筑、石油化工工業、隧道等場合得到充分的認可和應用。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,還大大提高了施工速度。
標簽： 聚合物
