关键词：非膨胀型；单组分；防火涂料；防火砂浆；可再分散乳胶粉
0引言
非膨胀型防火涂料主要依靠自身的不燃性,低导热系数以及吸热性来保护建筑。一类在防火过程形成釉层保护层,它也能起隔绝氧气的作用,使氧气不能 和被保护的易燃物质接触,从而避免或降低燃烧反应；另外一类为材料中束缚的结晶水,遇火被释放出来,使得包括钢筋在内的被保护材料的临界温度处于100℃ 左右,直到所有的水分全部被释放出来。这类产品本身的导热系数较低,是良好的隔热体[1]。非膨胀型防火涂料在国外又被简称为含有膨胀蛭石的轻质水泥(石 膏)砂浆。根据密度不同可分为低密度(250～350g/L)、中等密度(350～450g/L)和高密度(600～750g/L)。应用场合主要包括室 内隐蔽场合、钢结构、混凝土隧道内衬、石化、户外使用以及芯片车间在内的各类场合[2]。由于不同场合,包括室内、隧道、石化着火时、燃烧物质以及燃烧空 间不同,导致火灾的温度—时间都不同,使得需要采用不同的防火涂料才能有效。本文将分别就建筑钢结构防火、隧道防火以及石化领域防火进行分别阐述。聚合物 对非膨胀型防火涂料的改性已经数十年了,早期国内外大多采用醋酸乙烯-乙烯乳液进行改性,而由于双组分施工的不方便性和效率较为低下,致使国外主要防火涂 料公司包括Cafco、Grace以及PPG大多采用单组分形式,如粉末树脂进行改性,以提高其各类性能。本文还初步研究了可再分散乳胶粉对隧道防火涂料 的改性作用。
1火灾时温度－时间曲线
根据燃烧的材料不同,可将火灾的温度上升方式分为2大类：纤维材质燃烧曲线和烃类物质燃烧曲线[2]。
纤维材质,典型的包括木材、纸张、毛制品、棉花等,常见的标准温度－时间曲线包括：
①BS476Pts.20-24:1987-英国；②ASTM-119(UL263)-美国；③DIN4102-德国；④ISO834。这类温 度-时间曲线用于表示纤维材质的燃烧曲线,具有相对较慢的温度上升,60min时,温度上升至945℃。
而烃类物质着火时由于所处的空间不同,从而导致不同温度－时间曲线。烃类物质(石油类),具有温度上升迅猛的特点,4min内温度即上升至 900℃,比纤维类物质燃烧的温度上升要快得多。因此,典型的封闭空间(如隧道)和相对开放的空间(如石油炼油厂)就有不同的温度－时间曲线。相应的标准 曲线包括：①Hydrocarbon标准曲线；②RWS曲线。碳氢火灾主要指的是那些由化学品或燃料(石油或天然气),隧道火灾可以作为一个分支,一般可 假设为油罐车着火。但不同的是：测试的温度不是常见的标准碳氢类物质着火的最高温度1120℃,而是1300℃,见图1。
图1不同温度时间标准曲线
2建筑钢结构厚质防火涂料
2.1钢结构火灾特点
钢结构自身不燃,但极易导热。钢结构的耐火性能远较砖石和钢筋混凝土结构差。钢材的强度是温度的函数。当钢材的温度 上升到某一值而使其失去支撑力,一般的临界温度为540℃,其屈服应力仅有常温屈服应力的40％,致使承载能力急剧下降。火灾温度大多在 800～1200℃之间,在火灾发生的15min内,火场温度即可高达700℃以上。裸露的钢构件只要十几分钟就因达到其耐火极限而丧失承载能力,钢结构 不可避免地发生变形,导致建筑物一部分或全部垮塌毁坏[3]。一般采用典型的纤维材质燃烧温度－时间曲线,常见为ISO834曲线。
2.2非膨胀型厚质钢结构防火涂料
厚质钢结构防火涂料一般多用于耐火极限要求超过2h以上的室内钢结构上,如高层民用建筑的柱,一般工业与民用建筑中 的支承多层的柱[4]。对于钢结构,低密度、中等密度、高密度均可使用,但使用的场合不同。低密度性由于自身强度相对降低,适用于隐蔽工程,类型包括水泥 基和石膏基。但低密度型具有单位面积更佳的经济性：达到同等的耐火等级厚度更薄。中等密度防火材料具有优异的室内耐久性,可施工于外露场合、水泥基,耐湿 气性能优异、耐空气侵蚀、耐磨损性优和抗冲击性好；能承受交通震动、高湿度和冷凝水；适用场合包括高层商业办公大楼、交通终端、大会所、停车场、轻型加工 厂、游泳池等。由于中等密度防火砂浆具有比低密度型更好的附着力和耐久性,高层建筑钢结构防火涂料越来越偏向中等密度型[5],这一点和国内采用标准相 符。高密度型,强度很高,具有优异的耐水性和耐候性(包括温湿和冻融等),使其可应用于室外暴露或长期潮湿场合；适合场合:高科技清洁车间、交通终端、健 身房等,也可以作为车间预涂装。对于有底漆的钢结构,在施工防火涂料之前,要确认和防火涂料的附着力以及进行耐火性测试；对于施工在钢结构下面的防火涂 料,必须等屋顶完成施工和屋顶不再作为运输通道后,方可施工；对于容易弯曲的钢结构,要求防火涂料需要更好的弯曲不开裂性,常采用钢丝网加固和掺入大量的 乳液改性剂,以获得较好柔韧性。达到长期的使用性能(包括户外使用或发生震动区域),也需要钢丝网进行加固保持,以确保长期不脱落和开裂[6－8]。户外 钢结构防火涂料常和防腐蚀底漆配套使用,底漆包括环氧底漆、带锈底漆、醇酸底漆,但对于这类底漆,由于不耐 碱,通常需要在施工一道界面剂,以达到隔离目的。同样可以和一些高耐候面漆一起配套使用,提高耐候性和装饰性。典型的中低密度钢结构防火涂料,如LG、 Cafco300、Cafco400等。所有钢结构防火涂料必须满足国家标准钢结构防火涂料要求(GB14907-2002)的性能要求。
3隧道防火涂料
3.1隧道火灾特点
虽然混凝土具有较好的耐热性,但温度超过380℃,混凝土强度下降；一旦超过800℃,将不再有可见的抗压强度。一 旦火被灭后冷却,混凝土强度将进一步变差。混凝土在急剧高温下,里面的液态水变成水蒸气,一旦水蒸气的压力超过混凝土自身的强度,爆裂将发生。混凝土强度 越高,即使在较低温度下,也容易爆裂,这主要是高密度和低孔隙率造成的。强度越高,临界温度越低,高强度混凝土的临界温度为200～250℃。降低温度上 升速率,将可以避免爆裂。在快速升温的热冲击下混凝土保护层损失严重,当温度超过350℃,混凝土强度下降；当温度超过250℃,内衬的加强钢筋强度下 降。同时,隧道的连接件和密封件遭破坏,导致漏水,隧道甚至很可能被淹[9－12]。隧道一旦发生火灾,生命可能受到如下危险[1]：
(1)浓烟的呛吸导致窒息；
(2)燃烧的产物如CO2、COHCN等的吸入,而导致中毒；
(3)产生难以忍受的高温和热对流；
(4)同时还会由于能见度差、停电、交通的堵塞、混凝土的部分坍塌物,而导致人员疏通受阻。
在隧道主要防止的是烃类火灾,由于是狭窄空间的燃烧,因此采用标准曲线为RSW曲线[9]。国外规定：混凝土不爆 裂,要求混凝土界面的温度不超过250℃。
3.2隧道防火涂料
隧道防火涂料是近年才开始在我国研究与应用的,因而尚无制定隧道防火涂料行业或国家标准。我国《铁路工程设计防火规 范》规定：隧道的建筑材料主体及附层结构的耐火极限不应小于4.0h。目前用于隧道防火涂料除了少量的膨胀型无机防火涂料外,基本上都属于轻质隧道防火涂 料。蛭石/水泥均为无机、不可燃；燃烧时,不产生浓烟和有毒气体。由于在火灾时蛭石/水泥并没有被火消耗掉,因此可以提高二次保护。能经受机械震动和风 压,同时无机材料具有良好的耐水粘结性[13]。蛭石/水泥类由于多孔,当隧道内湿度较高,还能吸收潮气；当隧道较为干燥时,还能释放水汽,可作为湿度的 调节材料[2]；它在作为地铁隧道防火材料同时,还可满足降噪功能。对于此类隧道防火涂料,可在其上面施工一道面漆,以提高耐冲洗性能和光反射。施工隧道 涂料,第一道采用乳液进行改性,获得所谓的keycoat(界面层),干燥后,再进行单组分大面积喷涂施工。国外一般要求8mm以内,不需要采用加固措 施。15mm以上需要进行加固(钢丝网,一般采用六角涂塑钢丝网以及机械锚固),以防开裂和剥落[6],以获得更长的使用期限。待防火涂料干燥后,才能进 行装饰涂料的施工。此类装饰性涂料最好采用无溶剂型或水性。典型隧道防火涂料,如FendoliteMII和150－2。
4石油化工防火涂料
4.1石油化工火灾特点
属于钢结构防火范畴,但特殊在于火灾前期,属于一般的烃类火灾,而后,由于烃类的泄漏,一旦温度超过所谓的 BLEVE(boilingliquidExpandingVaporExplosion),将发生爆炸。即由Poolfire(1100℃),变成 JETFire(1500℃),此时的热流(heatflux)可达350kW/m2。这对涂料的冲击更大[13-14]。发生在石化或油气加工场合的碳 氢物质火灾,在着火的数分钟内温度上升至1100℃,未经保护的钢结构将可能在短时间,由于强度的丧失而发生坍塌,更严重的发生爆炸。
4.2石油化工防火涂料
防火涂料可以使得一旦着火后,储罐壳数小时内保持温度较低,可使得消防人员有足够的时间去破灭火情。一旦施工后,由 于自然地老化,液化气的输入和输出,可使得储罐的体积发生约5％的体积膨胀和收缩。这种应力交变将对表面的防火涂料的危害将是致命的,因此采用机械加固将 变得不可缺少,通常使用六角形钢丝网或菱形条进行编织加固[14]。对于户外石化钢结构防火涂料,常和防腐蚀底漆以及装饰性高耐候面漆配套使用,面漆包括 脂肪族聚氨酯、氟碳涂料以及环氧 -硅氧烷涂料[6]。典型的石油化工防火涂料,如SteelguardCM4702。
5可再分散乳胶粉在无机非膨胀防火涂料中的应用
施工后所使用的环境对防火涂料的耐久性影响很大,通常包括：耐磨损、老化、干湿冻融循环、潮湿、冲击、工业气体、盐 雾、气流速度、紫外线和震动等。怎样有效地抵抗这些因素对防火涂料的影响,除了合理的施工和措施外,采用聚合物改性已经被广泛认可[5]。无机非膨胀涂料 的主要组成包括粘结料(普硅水泥、高铝水泥和石膏),阻燃剂(石膏粉或其他内含结晶水物质如矾土、高岭土)、轻质填料(膨胀蛭石、聚苯颗粒、膨胀珍珠岩、 海泡石、粉煤灰漂珠等),纤维(硅酸铝纤维、玻璃纤维、海泡石纤 维),聚合物(包括乳液和可再分散乳胶粉),填料以及其他助剂,如缓凝剂、促进剂、纤维素醚、引气剂等。可再分散乳胶粉对轻质砂浆的改性作用以及在轻质保温砂浆等得到广泛的应用和认可。它 在提高轻质砂浆的粘接强度、耐水强度、耐冻融循环、抗压强度、施工性和后期防开裂性等均有很大的提高。图2是基于市售的隧道防火涂料,掺入乳胶粉 FX3300对耐水性能的影响(7d,水面距离基材约1cm)。从图2可以看出,FX3300的掺入大大提高了防火涂料和砂浆基材的粘结强度。
图2 乳胶粉添加量对隧道防火涂料粘结强度的影响
6结语
单组分无机非膨胀涂料以其独有的性能,将会在高层建筑、公共建筑、石油化工工业、隧道等场合得到充分的认可和应用。采用可再分散乳胶粉改性防火 涂料,将更加有效的提高涂料安全性的同时,还大大提高了施工速度。
