911事件告诉人们,必须加强钢结构防火的研究,包括保护层材料及钢材本身的耐火性能。进行钢结构防火要着眼于下面的三点原则:
(1)、减轻钢结构在火灾中的破坏。避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难;钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程,以争取时间灭火救人。
(2)、避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。
(3)、减少火灾后钢结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。
目前,钢结构的防火保护主要有三种方法:一是混凝土包覆,二是用防火板包覆,三是采用隔热涂料或膨胀型防火涂料。
选择钢结构的防火措施时,应考虑下列因素:
(1)、钢结构所处部位,需防护的构件性质(如屋架、网架或梁、柱)。
(2)、钢结构采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间。
(3)、防护材料的可靠性。
(4)、施工难易程度和经济性。
(一)、混凝土防火保护
承重钢结构采取混凝土防火措施,以延长其耐火极限。
(1)、外砌粘土砖防护,一般用厚120mm普通黏土砖,耐火极限可达3h左右。
(2)、用普通水泥混凝土将钢结构包裹起来,即我们通常意义上说的钢管（筋)混凝土结构。混凝土可参与工作(如劲性混凝土结构),也可以只起保护作用。厚100mm时;耐火极限可达3h左右。
(3)、用金属网外包砂浆防护,这其中的金属网起到骨架增强的作用。
此外,还可用陶粒混凝土或加气混凝土防护,可预制成砌块或现浇,防火效果亦十分理想。
(二)、防火板包覆保护
作为钢结构直接包覆保护法的一种,防火板保护钢结构早已在建筑工程中应用。早期使用的防火保护板材主要有蛭石混凝土板、珍珠岩板、石棉水泥板和石膏板,还有的是采用预制混凝土定型套管。板材通过水泥砂浆灌缝、抹灰与钢构件固定,或以合成树脂粘结,也可采用钉子或螺栓固定。这些传统的防火板材虽能在一定程度上提高钢结构的耐火时间,但存在着明显的不足。因此人们只好把重点投向防火涂料,板材保护法因而发展缓慢。
自20世纪70年代中期以来,国外相继研制成功硅酸钙防火板,适用于钢结构的防火保护。日本JC公司1984年即开始生产硅酸钙防火板(KB防火装饰板),最高使用温度1000℃。90年代中期德国和丹麦研制成功最高使用温度达1100℃的硅酸钙高温防火板。国内最近自行研制成功了GF和爱特等品牌新型钢结构硅酸钙防火板,最高使用温度可达1100℃,耐火极限可达4h(30mm厚)。作为钢结构防火板材应具备重量轻、强度高、隔热性好、耐高温、耐候性好等特点。
(三)、防火涂料保护
以上两种方法要使钢结构达到规定的防火要求需要相当厚的保护层,这样必然会增加构件质量和占用较多的室内空间,另外对于轻钢结构、网架结构和异形钢结构等,采用这两种方法也不适合。在这种情况下,采用钢结构防火涂料较为合理。钢结构防火涂料施工简便,无须复杂的工具即可施工,重量轻、造价低,而且不受构件的几何形状和部位的限制。国外自20世纪50年代以来就采用防火涂料施涂钢结构表面,火灾时能形成耐火隔热保护层,以提高钢结构的耐火极限,满足建筑防火设计规范要求,减少建筑物钢结构火灾灾害。从20世纪80年代初期起,在我国兴建的由国外设计的工程开始采用钢结构防火涂料,到1985年左右,国内一些科研单位和厂家开始研究生产钢结构防火涂料。经过近20年的发展,无论从产品品种、质量还是应用范围,生产厂家都有长足的发展。与此同时,国家也颁布了该产品的相关技术标准和规范,如GB14907—94《钢结构防火涂料通用技术条件》、GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》、中国工程建设标准化协会标准CECS24:90《钢结构防火涂料应用技术规范》等。这对发展我国钢结构防火涂料的生产起了极大的推动作用。
1.超薄型防火涂料
该类钢结构防火涂料涂层超薄(小于3mm)。一般为溶剂型体系,具有优越的粘结强度、耐候耐水性好、流平性好、装饰性好等特点;在受火时缓慢膨胀发泡形成致密坚硬的防火隔热层,该防火层具有很强的耐火冲击性,延缓了钢材的温升,可有效保护钢构件。超薄膨胀型钢结构防火涂料施工可采用喷涂、刷涂或辊涂,一般使用在耐火极限要求在2h以内的建筑钢结构上。前国内外,已出现了耐火性能达到或超过2h的超薄型钢结构防火涂料新品种,它主要是以特殊结构的甲基丙烯酸聚酯或环氧树脂与氨基树脂、氯化石蜡复配作为粘合剂,附以高聚合度聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺为防火体系,添加氧化钛、硅灰石等无机耐火材料复合而成。目前各种轻钢梁、网架等多采用该类型防火涂料进行防火保护,由于该类防火涂料涂层超薄,工程中使用量较厚型、薄型钢结构防火涂料大大减少,从而降低了工程总费用,又使钢结构得到了有效的防火保护,是目前消防部门大力推广的品种。
2.薄型防火涂料
这类钢结构防火涂料一般是用合适的水性聚合物作基料,再配以阻燃剂复合体系、防火添加剂、耐火纤维等组成。对这类防火涂料,要求选用的水性聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性。其装饰性优于厚型防火涂料,逊色于超薄型钢结构防火涂料,一般耐火极限在2h左右。因此常用在小于2h耐火极限的钢结构防火保护工程中,常采用喷涂施工。该类产品,在一个时期占有很大的比例,但随着超薄型钢结构防火涂料的出现,其市场份额逐渐被替代。
3.厚型防火涂料
厚型钢结构防火涂料是指涂层厚度为8~50mm的防火涂料,其耐火极限可达0.5~3h。火灾时,涂层并不膨胀,依靠自身材料的不燃性、低导热性或吸热性,延缓钢结构的温升,保护钢构件。这类钢结构防火涂料是用合适的胶粘剂,配以无机隔热材料、增强材料组成。目前国内厚型钢结构防火涂料的产品品种较多,也在实际运用中发挥了可信赖的作用;在其结构保持完整的条件下,防火性能一般不随时间的推移而降低。
矿物棉类建筑防火隔热涂料是继我国厚涂型建筑防火涂料—珍珠岩系列氯氧镁水泥系列防火涂料之后的又一重要防火涂料系列,在我国尚属空白,它与珍珠岩类防火涂料相比,其主要特点是作为隔热填料的矿物纤维对涂层强度可起到增强的作用,可应用于地震多发的地区或常受震动的建筑物,并能起到防火隔热、吸声之作用。矿物棉类建筑防火隔热涂料主要有矿物纤维防火隔热涂层、隔热填料,其主要成分是矿物棉,粘结材料一般是水泥,在现场采用干法喷涂施工,即纤维经分散后与粘结材料一起用高压空气输送至喷口处,然后与分布于喷口周围的高雾化水混合喷射至待涂表面。与湿法喷涂施工相比,干法喷涂施工的优点是管路输送阻力较小,可输送的有效高度高;施工结束后无需对很长的输送管道进行繁重的清洗工作;能够获得密度较小的涂层,从而能减轻整个钢结构的重量,降低建筑物负荷。这种方法在日本采用较多。
目前,国外已广泛使用快干型矿物棉类防火涂料,在施工条件差的建筑工地使用时,具有施工方便、成本低、干燥时间短等优点。
(五)、耐火钢
喷涂、防火板、混凝土等防火保护措施费工费时,还增加了建筑结构的重量,延长了工期,提高了建造成本。研制和应用耐火钢正是为了减薄或取消耐火涂层。耐火钢也不同于普通的耐热钢,耐热钢对钢的高温性能,如高温持久强度、蠕变强度、疲劳性能等有严格的要求;而耐火钢在性能上它不需要长时间的高温强度,只要在600℃左右的高温下保持1~3h后其屈服强度值不低于室温数值的2/3,以保证结构的安全性,保证人员、重要物资等在结构坍塌前能安全地撤离火灾现场。
耐火钢的关键性能要求是其高温强度。耐火钢的合金元素含量比普通建筑用低合金结构钢的合金元素含量稍高一些。根据高合金耐热钢的研究结果可知,铬、钼可提高钢的耐热性,但他们是贵重元素,钢中添加大量的这类元素将大幅度增加生产成本,这对使用量大而广的结构材料是不可行的。另外,铬、钼等合金元素增加钢的淬透性,提高碳当量,对焊接性不利。因此,建筑用耐火钢只能少量应用这类贵重合金元素。
近年来,微合金化技术取得了巨大进展。铌钒-钛微合金元素的析出物具有良好的高温稳定性,对提高高温强度可能会产生有益的影响。研究工作表明,通过使铌微合金元素在针状铁素体组织内高温析出,可显著提高钢的高温强度。钒钛的作用与铌相同,可提高钢的高温强度。铌钒钛微合金化元素与少量耐热性高的铬、铝合金的复合使用,可达到最佳的高温强化效果耐火钢的概念是20世纪80年代日本提出的,日本研究者通过在钢中添加微量的铬、钼、铌等合金元素开发出了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢。该钢在600℃的高温屈服强度保持在室温的2/3以上。欧洲的 cresotloire钢厂完成了能经受900~1000℃火灾温度的含钼耐火钢的研究,但由于成本过高而未能推广应用。目前,耐火钢在日本已获得了广泛使用,新日铁自1989年至今已生产耐火钢20万t,其中包括耐火H型钢、板材、带钢、钢管等产品,目前年产量是4万t左右。耐火钢的用途很广,可用于办公楼、商场、宾馆、厂房、体育馆、车站、高层钢结构大厦等的建造。应用耐火钢后可缩短建造周期,减轻建筑物重量,增加建筑的安全性,降低建造成本,具有显著的经济和社会效益。现在国外已开发出了390~490MPa的耐火钢、耐候耐火钢系列,其主要特点是:在600℃高温下,其高温屈服强度为常温标准值的三分之二以上,常温下的各种性能与普通焊接结构钢相同,焊接性与普通钢相同。我国耐火钢的应用尚落后,为适应我国现代建筑事业发展的需要,马钢、宝钢、鞍钢等单位都开始开展耐火钢的研究。马钢已进行了耐火H型钢产品工业试制并获得了成功,近期即将在上海某住宅工程中成批使用。
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