浙中高层钢结构建筑防火新技术应用
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摘要钢结构的防火保护目前我国广泛采用的钢构件防火措施主要有防火涂料法和构造防火两种类型。构造防火防火保护方法采用硬硅钙板包敷钢构件，具有强度高隔热性能好施工方便无环境污染耐久等优点，而采取涂料进行保护是一种最经济、最有效的保护方法。分析钢结构防火保护材料耐火性能的主要影响因素，指出钢结构防火保护新的发展方向。
关键词钢结构涂料硬硅钙板 钢结构 防火新技术
中图分类号：S762.3+3文献标识码：A
1钢结构的建筑特点
钢结构建筑是继钢筋混凝土之后的最具革命性的建筑新发展和新应用。目前浙中地区高级展馆、影剧院、宾馆、体育场等公共建筑和厂房、仓库等工业建筑中，钢结构建筑都有广泛应用。而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流。钢结构必将作为一种不可或缺的绿色环保的建筑形式，成为今后建筑市场上的主力军。我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材。同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产。使建筑外形充满现代化时代气息。但钢结构建筑不耐高温成了一个致命的弱点，在未进行防火处理的情况下其本身虽然不会起火燃烧，火灾时强度会迅速下降，的钢结构会很快出现塑性变形产生局部破坏造成钢结构坍塌变形。据资料表明，温度为500摄氏度时，钢材的屈服强度将降至室温下的一半：温度达到650摄氏度时，钢材几乎丧失全部强度和刚度。一场火灾温度一般都在800摄氏度以上，钢结构建筑在如此高温情况下，大约20分钟内无任何保护的钢结构就会丧失支撑能力而倒塌。另外钢结构还存在容易失稳破坏和腐蚀生锈特点，失稳可以在设计中解决，腐蚀是钢结构在实际应用中存在的看不见的隐患，危害不亚于火灾。钢暴露在空气中极易发生腐蚀，因此对钢结构进行防腐蚀和防火保护具有非常重要的意义。
2钢结构的防火保护方式
钢结构防火保护材料应具备易于与钢构件结合、在预期的耐火极限内可有效地保护钢结构、安全无毒经济合理等等。具体方法有以下几种方法。
（1）喷涂法
钢结构表面需要一层保护层，涂刷防火涂料是最常用的办法。将涂料涂覆在钢材表面，一旦遇到火灾，它将起到一个封闭钢材，远离火源的保护层作用，这样可以有效的阻止钢结构坍塌。防火涂料分类形式多样，可根据不同的方法来区分。按厚度来分，可分为厚型防火涂料、薄型防火涂料、超薄型防火涂料；按选用不同类型的溶剂来分，可分为水性和油性钢结构防火涂料；按防火机理来分，可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料；按使用范围来分，可分为室内型防火涂料和室外型防火涂料。涂层厚度通常在8毫米以上。施工方法为喷涂，高温时依靠涂料本身的厚度及较低的导热率起到对钢构件的隔热作用。薄型和超薄型涂料涂层较薄，有一定装饰效果，施工方法可喷可刷。高温时涂层膨胀增厚保护钢构件。具有重量轻、施工较简便，适用于隐蔽结构和的钢梁、斜撑等钢构件。超薄膨胀型防火涂料凭借其优异的性能被研究的最多。当发生火灾时，涂层受火立即膨胀发泡，并迅速形成一个致密的蜂窝状炭层，隔离钢材和火源，使钢材的升温速率减慢，从而提高了钢构件的防火时间。超薄膨胀型钢结构防火涂料固化成膜后，在遇到大火的情况下，涂层会发生膨胀发泡，生成致密蓬松的炭层，使钢材不能直接接触到火焰，该膨胀炭层导热系数低，可以延缓钢材的升温速度，从而保护了钢材的强度。
厚涂型钢结构防火涂料是指涂层厚度大于7 mm，小于等于45 mm，成分多为无机材料，防火性能稳定。但其涂料组分的颗粒较大，涂层外观不平整，影响建筑美观，因此大多用于结构隐蔽工程。该类防火涂料在火灾中利用材料粒状表面，密度较小，热导率低或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢材。这类防火涂料是用合适的无机胶结料再配以无机轻质绝热骨料材料和增强材料及填料等混合配制而成，具有成本较低的优点。施工常采用喷涂，适用于耐火极限要求在2 h以上的室内外隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构。
超薄膨胀型钢结构防火涂料一般由基料、分散介质、阻燃剂、填料、助剂(增塑剂、稳定剂、防水剂、防潮剂等)组成。基料是组成防火涂料的基础，是主要成膜物质，对涂料的性能起决定性的作用。对于防火涂料，其基料还必须能与阻燃剂像匹配，构成一个有机的防火
体系。选择合适的成膜物质是防火涂料发展的关键。目前应用较为普遍的树脂品种有以下几个：高氯化聚乙烯树脂、聚丙烯酸树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂和有机硅改性丙烯酸树脂来等。
目前我国在大型钢结构防火工程中常采用喷涂法。这种方法有利于梁柱结点及桁架的处理，但施工时对环境略有污染。钢结构防火涂料目前反馈的信息来看，存在一些不容忽视的缺点：价格高、色彩单一，装饰性较差。现在用的防火涂料大多为白色，其它色彩的防火涂料应用较少；防火涂料的耐大气腐蚀性不好。因为防火涂料中防火助剂添加量较大，且多为有机成分，浙中地区夏季紫外线照射强可能会导致涂层变色失效。目前将积极探索具有超强环保功能、涂层超薄、防火性能高、装饰性强、应用范围广、装饰效果施工方便的室外超薄透明型钢结构防火涂料。
（2）浇筑混凝土砌筑砖块法
钢结构防火保护技术中用普通粘土砖、混凝土作钢结构防火保护层，因保护层太厚增加了建筑物荷载目前采用的比较少。国外欧洲一些工业发达国家较多采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹。如石膏板、蛭石板、无石棉硅酸钙隔热板等。用现浇混凝土作外包层时在钢结构上现浇成型，现浇的实体混凝土外包层通常可用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度。也可以在施工现场将钢结构表面涂沫砂浆以形成保护层。砂浆可以是石灰、水泥或石膏砂浆。也可掺人珍珠岩或石棉。外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥和轻混凝土做成的预制板．采用胶枯剂和钉子或螺栓固定在钢结构上。这种方法保护层强度高、耐冲击，占用空间较大，适用于容易碰撞、无保护面板的钢柱防火保护。
（3）轻质防火厚板包覆法
我国在防火板的生产和应用上尚处于起步阶段。目前采用最多的是防火板材，浙中地区市面上的如硬硅钙板，板厚15mm—20mm，耐火极限2.0h；板厚30mm，4.0h，可以耐10000度的高温。采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹．如石膏板、蛭石板、无石棉硅酸钙隔热板等，包板的厚度根据耐火极限的要束而 紧贴钢板用防火涂料或柔性毡状隔热材料，外用防火薄板作覃定。
硬硅钙板是代表国际先进水平的理想钢结构耐火保护新型装饰防火板材，特别适用于超高层高级写字楼、高级宾馆、大型商业中心、娱乐中心、计算机房、大型工业厂房、库房等钢结构建筑及防火重点区域的防火保护和装饰工程。硬硅钙板配以增强纤维压制成型，具有质轻、强度高、隔热性能好、尺寸稳定等特点，可任意锯、钉、钻、削、刨等加工，可直接在工厂或现场锯裁，现场拼接组装。该板材无毒，不含石棉，在高温或发生火灾时不产生有害气体。其主要成分为硬硅钙石，理化性能稳定，为半永久性材料，可确保耐火性能几十年基本不变，它的耐候性能是钢结构防火涂料所无法比拟的。用硬硅钙板保护钢结构具有施工方便、损耗少、效率高、不受季节和气候影响、无环境污染、施工费用低、装修面平整光滑、这种方法适用于表面有装饰要求，是钢结构防火保护新的发展方向。
（4）水冷却法
在使用水冷却法对钢结构进行防火阻隔时，对钢结构材料、结构设计、建筑供水有专门的技术要求，其中主要以水喷淋法和疏导法为主，水喷淋法是水冷却法的一种。该方法是在钢结构顶部设置喷淋供水管网系统，火灾时自动或手动喷水，在构件表面形成一层致密、连续流动水膜。从而起到保护作用。疏导法允许热流量传到钢构件上，然后设法把热量导走或消耗掉。从而使构件温度在规定的时间内不会达到临界温度，以起保护作用。但在现实中水冷却法使用较少。钢结构建筑内冷水箱的水自动补充，水在结构构件内循环。受热的水可经冷却再循环，或由水管引入凉水来取代加热过的水。这种方法在国外被广泛地使用在钢柱的防护中，在空心钢构件内充水能使钢结构在火灾时保持较低的温度，是抵御火灾最有效的方法，这种方式在火灾较大时效果不是很理想。机动循环是利用泵机强制冷水循环，可在钢结构上按装喷淋阀，控制现场火灾，还可以实现钢结构内部水的快速循环，达到降温目的。采用内部充水降温的方法，不但可有效防止火灾，还可保护钢材不易受高温加热变形，火灾后结构不需拆毁重建，仍然可以使用。目前内部充水保护法在建筑中已被应用，并与涂料法相结合，取得了良好的防火效果。但对空心钢构件的防渗漏、防腐蚀要求高，只适用于空心钢构件的保护。
（5）复合保护法
紧贴钢板用防火涂料或柔性毡状隔热材料，外用防火薄板作覃面板。这种方法适用于表面有装饰要求，一般用于需要粘贴柔性毡状隔热材料或涂敷厚质防火涂料的钢柱。近年来，钢结构防火材料向超薄、超耐火性能等方向发展，欧美一些国家开始大力研发新型防火板材并相继推向市场，这些材料正以其耐久、美观、经济的优势使人们开始用全新的目光审视板材包敷保护法。可以相见，在不久的将来新型防火板材包敷保护钢结构将有望成为一项先进的钢结构防火保护技术。
3钢结构建筑的主动防火措施
钢结构构件的主动防火保护是一种采用建筑内的主动消防措施，在火灾发生前进行设计，从而期望在火灾发生后从根本上消除高温和火焰对钢结构构件的威胁。
（1）用耐火、耐候钢建造轻型钢结构
耐火、耐候钢是通过合适的技术，增加钢材的特殊成分，使钢材的结构及金相组织发生变化，从而改善钢材内在的耐火性和耐候性。在建筑钢结构中使用这种钢材可明显降低防火保护层的厚度。其最大的特点是：在600度的高温下，它的屈服强度是常温下的标准值的65%以上, 强度损失较小，其价格只比普通钢材高出不到1/10， 是一种性价比较高的建筑钢材。目前我国有多家钢铁企业已开发成功建筑用耐火、耐候钢，为钢结构提供了良好的用材来源。
（2）墙体的防火
参照现行消防规范的要求，钢结构住宅的内外墙应为非燃烧体，并达到二级耐火等级的标准。新型ALC板具有良好的综合性能，据实测1.50 mm厚ALC板耐火极限大于4h。这种板还可做防火墙。外墙外保温系统是建筑节能的一个重要方面，现在已经有越来越多的轻型保温隔热材料应用于墙体中，这些保温材料的耐火性很差，目前国内对它的防火技术的研究和重视程度却还远远不够。
4结束语
目前浙中地区工程上钢结构防火保护措施通常是采用防火涂料，但近年来欧美地区已较广泛地使用新型防火板包敷保护钢结构。由于采用了性能优良的新型无石棉纯硬硅钙石结构的防火板材和合理简捷的施工安装构造，使这项技术在许多方面显示出比钢结构防火涂料明显的优势。与防火涂料相比，考虑施工周期、作业条件、材料耗费和二次装修等因素，新型防火板包敷保护法的综合造价降低，具有较好的经济性。鉴于新型防火板在钢骨架结构防火保护方面比防火涂料具有较明显的优势，可以相信这一新的钢结构防火保护方法将为越来越多的工程项目采用，成为我国钢结构防火保护技术新的发展方向之一。
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