鋼結(jié)構(gòu)作為一種常見的建筑結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、自重輕、材質(zhì)均勻、加工方便、可循環(huán)使用、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代生活中，如鋼結(jié)構(gòu)停車場、工業(yè)廠房、體育館、車站、機(jī)場、橋梁等建筑物、構(gòu)筑物。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
然而，鋼結(jié)構(gòu)具有耐腐蝕性差、耐火能力弱等缺點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到450℃時(shí)其力學(xué)性能開始發(fā)生劣化，隨溫度的上升其劣化效果愈加嚴(yán)重，當(dāng)溫度達(dá)到580℃時(shí)其力學(xué)強(qiáng)度僅為室溫狀況下的一半，無法滿足對(duì)建筑物、構(gòu)筑物的支撐作用。當(dāng)年美國世貿(mào)大廈被飛機(jī)撞擊后倒塌，很大原因就在于建筑中的鋼材升溫后其力學(xué)性能大幅下降所致。
2001年9月11日? 美國世貿(mào)大廈被飛機(jī)撞擊
因此，為提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，減少結(jié)構(gòu)損害，研究人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料展開了大量的研究，且取得了豐富的研究成果。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按防火原理劃分，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料；按分散介質(zhì)劃分，可分為水溶性防火涂料和溶劑性防火涂料；按基料種類劃分，可分為無機(jī)防火涂料和有機(jī)防火涂料；按涂覆的基材劃分，可分為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料和飾面型防火涂料。
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防火涂料的防火原理
物體發(fā)生燃燒反應(yīng)必須同時(shí)具備助燃?xì)怏w、火源、可燃物這三個(gè)因素，當(dāng)其中某個(gè)因素不存在時(shí)，燃燒反應(yīng)則不會(huì)發(fā)生。因此，中斷物體燃燒反應(yīng)只需使以上三個(gè)因素不同時(shí)存在即可，而阻止助燃?xì)怏w與可燃物接觸則是最簡單也是最方便的方法，防火涂料正是利用此原理進(jìn)行防火工作，其工作原理如下：
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鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
1 膨脹型防火涂料
膨脹型防火涂料是指涂料在燃燒時(shí)發(fā)生體積膨脹形成致密的海綿狀或蜂窩狀的碳質(zhì)泡沫層將鋼構(gòu)件與火源隔離開，延緩鋼構(gòu)件升溫速度，從而保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，膨脹型防火涂料燃燒示意圖和膨脹過程示意圖分別如圖1、圖2所示。其中，膨脹型防火涂料可分為有機(jī)膨脹型防火涂料與無機(jī)膨脹型防火涂料。
（1）有機(jī)膨脹型防火涂料
涂料成膜劑采用有機(jī)物質(zhì)，通過體積膨脹增加泡沫層厚度并依靠膨脹炭層起到防火作用的涂料稱為有機(jī)膨脹型防火涂料，常見的成膜物質(zhì)有環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。除此之外，有機(jī)膨脹型防火涂料還包括酸源、碳源、發(fā)泡劑、填料顏料等成分。
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有機(jī)膨脹劑防火涂料的膨脹過程由酸源、碳源、氣源三部分組成，反應(yīng)體系流程圖如圖3所示。
酸源是指無機(jī)酸或者在加熱時(shí)能夠形成酸的物質(zhì)，如硼酸、無鹵雙磷酸酯、聚磷酸銨等，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后將受熱分解引發(fā)碳質(zhì)化合物的碳化或脫水等化學(xué)反應(yīng)；
碳源是指具有豐富含碳量的多羥基化合物，能夠通過酯化反應(yīng)進(jìn)行脫水成碳，如季戊四醇、雙季戊四醇、淀粉等；
氣源是指含氮的多碳化合物，在受熱條件下釋放不燃或難燃性氣體，如二氧化碳、氯化氫、氨氣等，然后在鋼結(jié)構(gòu)表面形成具有碳材料孔壁的泡沫結(jié)構(gòu)，如三聚氰胺、氯化石蠟等。酸源、碳源、氣源三者的不同組合形成了種類繁多的膨脹阻燃體系。
對(duì)于酸源、碳源的探索研究有助于提升防火涂料的耐火能力。胡勝利等研究了不同聚合度的聚磷酸銨（MPP）對(duì)室外薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料理化性能(耐水、耐鹽、耐酸、耐堿、耐紫外線)和耐火性能的影響，結(jié)果表明利用高聚合度聚磷酸銨制備的防火涂料在理化性能、熱穩(wěn)定性均優(yōu)于低聚合度聚磷酸銨。
吳潤澤等研究顯示高聚合度的Ⅱ型聚磷酸銨能夠更好地改善膨脹炭層的性能，耐火時(shí)間更久，經(jīng)過包覆改性后可繼續(xù)提高耐火極限。季戊四醇作為一種常見的碳源，Tang等將季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物進(jìn)行酯化反應(yīng)，結(jié)果顯示含有季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物的涂層在水中或鹽水中浸泡之后仍表現(xiàn)出良好的耐火性能。
（2）無機(jī)膨脹型防火涂料
以無機(jī)物質(zhì)作為主要成分并以膨脹發(fā)泡為防火機(jī)理的涂料稱為無機(jī)膨脹型防火涂料。有機(jī)膨脹型防火涂料在燃燒時(shí)涂層中有機(jī)物易分解，經(jīng)燃燒后容易釋放有毒煙霧，而無機(jī)膨脹型防火涂料在燃燒時(shí)具有無煙、無毒的特點(diǎn)。
范春山等以石棉粉、膨脹珍珠巖粉、高鋁土和膨脹蛭石為原料制備防火涂料，采用復(fù)合泡層結(jié)構(gòu)，通過梯次發(fā)泡來延緩溫度上升，延長了鋼結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的時(shí)間。
石棉粉
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張仁忠等以氫氧化鎂、碳酸鎂、膨脹石墨、苯丙乳液、磷酸鋁、硼酸鋅為原料以及添加低熔玻璃粉研制了新型無機(jī)阻燃劑體系，同時(shí)以苯丙乳液、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化鈦、膨脹石墨為原料制備了有機(jī)膨脹型防火涂料，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前者能夠大大降低火災(zāi)中有毒煙霧的排放量，前者的強(qiáng)度、無機(jī)殘余率分別是后者的1.7倍和2.1倍，同時(shí)涂層結(jié)構(gòu)更加致密、阻燃效果更加優(yōu)異。
氫氧化鎂
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張娜娜等以堿性硅溶膠、甲基硅酸鉀、顏填料和助劑制備了水性無機(jī)膨脹型防火涂料，經(jīng)試驗(yàn)測試獲得了最佳配比且在最佳配比下涂料的膨脹層致密堅(jiān)硬、耐火性能滿足規(guī)范要求，同時(shí)揭示了防火涂料在灼燒前期是由甲基硅酸鈉和可膨脹石墨共同發(fā)揮阻燃作用，在灼燒中期由白云石發(fā)揮阻燃作用，在灼燒后期溫度達(dá)到800~1000℃時(shí)，體系由固態(tài)變成液態(tài)、吸收熱量后變成玻璃態(tài)，整個(gè)灼燒過程表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的友好性。
2 非膨脹型防火涂料
非膨脹型防火涂料根據(jù)成膜物質(zhì)的不同可分為有機(jī)非膨脹型防火涂料和無機(jī)非膨脹型防火涂料，前者是以有機(jī)物為基料的難燃性防火涂料，后者是以無機(jī)物為基料的不燃性防火涂料。
祁學(xué)軍等采用水玻璃激發(fā)偏高嶺土制備了以地聚合物為基料的非膨脹型防火涂料，測試結(jié)果顯示涂料的耐火時(shí)間達(dá)到2.8h(厚度為25mm)，同時(shí)耐水性能、粘結(jié)強(qiáng)度、耐堿、耐冷熱循環(huán)等均表現(xiàn)良好，但存在干密度過大的問題；
高嶺土
高輝等以磷酸鹽為成膜物質(zhì)，添加氫氧化鋁、硼酸鹽、膨脹蛭石等材料制備了防火涂料，性能良好且成本較低。
膨脹蛭石
由于非膨脹型防火涂料的涂層厚度在高溫條件下不會(huì)發(fā)生變化，因此涂層厚度對(duì)于非膨脹型防火涂料的耐火性能具有決定性影響。韓君等通過試驗(yàn)測試了不同涂層厚度下非膨脹型防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，如圖4所示，結(jié)果顯示涂層厚度越厚，防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)越小即耐火性能越好。
但是，較大的涂層厚度也限制了非膨脹型防火涂料的使用范圍，由于涂層厚度較大且用量多，對(duì)裝飾性、美觀性要求較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑中很少采用，其次，施工工藝較為復(fù)雜，在造型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)中難以施工或全涂覆，當(dāng)發(fā)生破損及脫落現(xiàn)象時(shí)將嚴(yán)重影響耐火性能。
3 生物型防火涂料
生物材料作為一種綠色環(huán)保、可再生的材料，廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域中，在防火涂料領(lǐng)域采用生物材料也有不錯(cuò)的效果。
利用高軟化點(diǎn)改性松香樹脂具有增黏、軟化等特點(diǎn)，馬騰飛等研究了不同牌號(hào)、摻量松香樹脂對(duì)防火涂料防火性能的影響，結(jié)果顯示422松香樹脂的摻量為0.7%時(shí)防火涂料的膨脹倍率達(dá)到45倍且膨脹層外觀良好，測試鋼板的溫度最低。
松香
蛋殼、貝殼類產(chǎn)品作為最常見的生物材料，其主要成分為碳酸鈣及少量有機(jī)物，可作為防火涂料中的填料。邢君等利用硅灰為粘結(jié)劑，蛋殼為填料制備了水基膨脹涂料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅灰、蛋殼以及阻燃添加劑的組合對(duì)鋼材的熱穩(wěn)定性、炭層膨脹、表面結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)良好，蛋殼的加入能夠極大的提升防火性能；楊飛等同樣利用蛋殼作為填料并制備了防火涂料，研究結(jié)果亦表明蛋殼作為填料有助于提升防火涂料的性能。
蛋殼
李耀莊等將蛤蜊殼作為填料并制備了防火涂料，結(jié)果顯示填料中添加蛤蜊殼后阻燃體系在燃燒過程中形成了豐富的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得炭層更加致密，隔熱性能更好，涂層表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和成炭率，添加2wt%蛤蜊殼填料時(shí)防火涂料具有最佳的協(xié)效阻燃和抑煙性能，在800℃下涂層的殘?zhí)苛繛?3.7%。
蛤蜊殼
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鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來發(fā)展方向
鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分為無機(jī)型防火涂料和有機(jī)型防火涂料，前者多為厚型即非膨脹型，具有耐火時(shí)間長、防腐性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有涂層厚、用量多、裝飾性差、施工繁瑣等缺點(diǎn)；后者多為薄型或超薄型即膨脹型，具有粘結(jié)強(qiáng)度高、流平好、美觀、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫下會(huì)釋放有毒煙霧，影響環(huán)境及人員健康。
目前，超薄型防火涂料的市場份額最大，從發(fā)展趨勢(shì)來看，超薄型防火涂料必將會(huì)代替薄型和厚型防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來發(fā)展方向必然是對(duì)超薄型防火涂料的進(jìn)一步研究開發(fā)，可分為以下幾個(gè)方面：
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：阻燃新觀察：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究