鋼材是本世紀最為創(chuàng)新的建筑材料，在高層建筑鋼結構、大跨度空間鋼結構、輕鋼結構等當今現(xiàn)代建筑工程中有著廣泛的應用及發(fā)展前景。本文介紹了鋼結構的火災危險性、鋼結構的火災災害等，指出鋼結構防火保護的重要性并介紹了目前最常用的防火涂料對鋼結構的防火保護。
現(xiàn)代建筑已經(jīng)告別了過去“秦磚漢瓦”的時代向著鋼結構的“鋼筋鐵骨”邁進，鋼結構已在建筑工程中發(fā)揮著獨特且日益重要的作用。
近幾年來，我國建筑鋼結構處于建國以來最好的一個發(fā)展時期，鋼結構正從高層鋼結構、大跨度空間鋼結構、輕型鋼結構等幾個方面，在建筑工程中越來越廣泛的使用。
1 鋼結構的火災危險性
1.1 鋼結構高溫下應力變化
普通建筑用鋼（中國國家標準GB700-88《碳素結構鋼》和GB1591-1994《低合金結構鋼》要求的Q235、Q345鋼等）在全負荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。一般在300～400℃時，其強度開始迅速下降；到500℃左右，其強度下降到40％～50％，鋼材的力學性能，諸如屈服點、抗壓強度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于建筑結構所要求的屈服強度，也就是低于建筑結構的承載許用應力，“鋼筋鐵骨”就變成了“繞指柔”。 我國20世紀90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進行了驗證，確認了I36b、I40b標準工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min。因此，若用沒有防火保護的普通建筑用鋼作為建筑物承載的主體，一旦發(fā)生火災，則建筑物會迅速坍塌，對人民的生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的損失。圖1、圖2分別給出了鋼結構在高溫下鋼結構的應力應變曲線、鋼結構在高溫下的折減系數(shù)。
1.2 鋼結構建筑的火災案例
1969年12月19日上海文化廣場發(fā)生火災，在15分鐘左右的時間內，8600m2 的鋼屋架全部倒塌，造成13死亡，140多人受傷的慘劇(1)；1993年5月，上海某紡織廠廠房（鋼屋架）發(fā)生火災，不到半小時，部分建筑就開始倒塌，給消防隊滅火帶來了極大的困難，此次火災造成直接經(jīng)濟損失87萬元，而由于廠房被燒毀，因停工停產(chǎn)和善后處理造成的間接經(jīng)濟損失為2283萬元；1993年11月的青島格爾木煉油廠火災，爐體支柱（鋼結構）因高溫破壞，使爐體傾倒；1996年江蘇省昆山市的一輕鋼結構廠房發(fā)生火災，4320 m2廠房燒塌；1998年5月5日，北京玉泉營環(huán)島家具城大火，結構防火未達標，造成1.3萬m2鋼結構輕體建筑全部倒塌，造成直接經(jīng)濟損失達到人民幣2087萬。國外也有許多這方面的實例，1967年美國蒙哥馬利市的一個飯店發(fā)生火災，鋼結構屋頂被燒塌；1970年美國50層的紐約第一貿易辦公大樓發(fā)生火災，樓蓋鋼梁被燒扭曲10厘米左右；1990年英國一幢多層鋼結構建筑在施工階段發(fā)生火災，造成鋼梁、鋼柱和樓蓋鋼桁架的嚴重破壞；2001年9月11日，震驚世界的“911事件”中被飛機撞毀的紐約世界貿易大樓姊妹樓，事后專家分析認為，其實飛機并沒有將大樓撞倒，而是由于飛機在撞到大樓的同時破壞了大樓鋼結構上的防火涂層，并爆炸起火，使得鋼結構暴露在熊熊烈火中，在一個多小時后，結構軟化，強度喪失，終于載不動如此沉重的負擔，轟然倒下，造成幾千人命喪廢墟，損失多達幾百億美元，給周邊地區(qū)的經(jīng)濟以沉重的打擊。
2 鋼結構的火災危險性防治
2.1 鋼結構防火的意義
(1)減輕鋼結構在火災中的破壞，避免鋼結構在火災中局部倒塌造成滅火及人員疏散的困難；鋼結構的防火保護的目的是盡可能延長鋼結構到達臨界溫度的過程，以爭取時間滅火救人
(2)。
(2)避免鋼結構在火災中整體倒塌造成人員傷亡；
(3)減少火災后鋼結構的修復費用，縮短災后結構功能恢復周期，減少間接經(jīng)濟損失。
2.2 鋼結構防火涂料
目前，鋼結構的防火保護有多種方法，這些方法主要有：鋼結構防火涂料保護、防火板保護、混凝土防火保護、柔性卷材防火保護、耐火鋼、結構內通水冷卻等。選擇鋼結構的防火措施時，應考慮下列因素：鋼結構所處部位，需防護的構件性質；鋼結構采取防護措施后結構增加的重量及占用的空間；防護材料的可靠性；施工難易程度和經(jīng)濟性。這其中以鋼結構防火涂料保護方法應用范圍最為廣闊，效率最高。
鋼結構防火涂料刷涂或噴涂在鋼結構表面，起防火隔熱作用，防止鋼材在火災中迅速升溫而降低強度，避免鋼結構失去支撐能力而導致建筑物垮塌。鋼結構防火涂料施工簡便，無須復雜的工具即可施工、重量輕、造價低，而且不受構件的幾何形狀和部位的限制。國外自上世紀50年代以來就采用防火涂料施涂鋼結構表面，火災時能形成耐火隔熱保護層，以提高鋼結構的耐火極限，滿足建筑防火設計規(guī)范要求，減少建筑物鋼結構火災災害。從20世紀80年代初期起，在我國興建的由國外設計的工程開始采用鋼結構防火涂料，到1985年左右，國內一些科研單位和廠家開始研究生產(chǎn)鋼結構防火涂料。經(jīng)過近20年的發(fā)展，無論從產(chǎn)品品種、質量還是應用范圍，生產(chǎn)廠家都有長足的發(fā)展。與此同時，國家也頒布了該產(chǎn)品的相關技術標準和規(guī)范，如GB14907－94《鋼結構防火涂料通用技術條件》、GBJ205《鋼結構工程施工與驗收規(guī)范》、中國工程建設標準化協(xié)會標準CECS24:90《鋼結構防火涂料應用技術規(guī)范》等。這對發(fā)展我國鋼結構防火涂料的生產(chǎn)起了極大的推動作用。
2.2.1 鋼結構防火涂料有效保護案例
1989年3月，在北京國際貿易中心B區(qū)宴會廳發(fā)生了一次意外火災，堆在大廳內的1000多立方的管道保溫材料被大火化為灰燼，大火持續(xù)了近3小時，大廳現(xiàn)澆混凝土樓板被燒蝕6厘米多厚，鋼筋全部外露，造成10多萬美元的直接經(jīng)濟損失，但用防火涂料保護的大跨度鋼梁，經(jīng)過3小時的火災，防銹漆顏色未變，沒有絲毫變形，避免了一次包括大廈可能垮塌的重大經(jīng)濟損失；1993年11月，安徽省馬鞍山市體育館火災中，經(jīng)受1小時的火災考驗，噴有防火涂料的球節(jié)網(wǎng)架沒有變形，防火涂料有效地保護了結構
(3)
鋼結構防火涂料的類型可根據(jù)不同的方法來定義：從所用溶劑來分，可分為溶劑型和水基型鋼結構防火涂料；從使用范圍分，可分為室內和室外鋼結構防火涂料；根據(jù)防火機理分，可分為非膨脹型和膨脹型鋼結構防火涂料；根據(jù)涂層厚度來分，可分為厚型、薄型、超薄型鋼結構防火涂料（見表1）。
鋼結構防火涂料各項性能指標依據(jù)國家標準GB14907-94《鋼結構防火涂料通用技術條件》技術要求來判定產(chǎn)品質量，具體指標見表2。目前GB14907-94正在修訂，在廣泛征求意見的基礎上，新標準將對室外涂料及超薄型涂料的試驗方法和性能要求作專門規(guī)定，并對原標準內容作部分調整，使標準得到充實和完善，如室外涂料將規(guī)定耐久性（耐曝熱、耐濕熱、耐酸、耐堿、耐凍融循環(huán)、耐鹽霧腐蝕）檢驗，各類涂料增加腐蝕性技術要求，少數(shù)原有技術要求會被取消，如抗彎性、抗振性、熱導率等，但作為檢驗項目可繼續(xù)保留，由生產(chǎn)企業(yè)自行決定
（４）。
國家現(xiàn)行建筑設計防火規(guī)范：中華人民共和國國家標準《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB 50045—95(1997年版）、中華人民共和國國家標準《建筑設計防火規(guī)范》GBJ16—87、中華人民共和國國家標準《建筑室內裝修設計防火規(guī)范》GB 50222—95對鋼結構的耐火極限要求見表3
(5) (6)。
2.2.2 超薄型鋼結構防火涂料
該類鋼結構防火涂料涂層超?。ㄐ∮?mm），一般為溶劑型體系，具有優(yōu)越的黏結強度、耐候耐水性好、流平性好、裝飾性好等特點；在受火時緩慢膨脹發(fā)泡形成致密堅硬的防火隔熱層，該防火層具有很強的耐火沖擊性，延緩了鋼材的溫升，有效保護鋼構件。超薄膨脹型鋼結構防火涂料施工可采用噴涂、刷涂或輥涂，一般使用在耐火極限要求在2 小時以內的建筑鋼結構上。目前國內外，已出現(xiàn)了耐火性能達到或超過2 小時的超薄型鋼結構防火涂料新品種，它主要是以特殊結構的聚甲基丙烯酸酯或環(huán)氧樹脂與氨基樹脂、氯化石蠟等復配作為基料粘合劑，附以高聚合度聚磷酸銨、雙季戊四醇、三聚氰胺等為防火阻燃體系，添加鈦白粉、硅灰石等無機耐火材料，以200號溶劑油為溶劑復合而成。目前各種輕鋼結構、網(wǎng)架等多采用該類型防火涂料進行防火保護。由于該類防火涂料涂層超薄，工程中使用量較厚型、薄型鋼結構防火涂料大大減少，從而降低了工程總費用，又使鋼結構得到了有效的防火保護，是目前市場上大力推廣的品種。
通過對超薄型鋼結構防火涂料的熱失重(TG)曲線分析，我們可以將涂料的作用分為四個階段：
(1)平穩(wěn)階段：這一階段為室溫20℃～230℃，這期間失重僅為2%左右，主要是涂料中未揮發(fā)的溶劑和其它易揮發(fā)份，這可以在其耐火實驗時看到，涂料的表層起火，這主要是涂料內的揮發(fā)份著火所致。此時，涂料中的成膜物質開始熔融軟化，由差熱分析(DTA)曲線可以看出在180℃溫度左右，有一小的吸熱峰，約為47J/g，這主要是成膜物質熔融軟化吸收了外部能量。
(2)發(fā)泡炭化階段：這一階段為230℃～420℃，這期間失重為43%左右，這階段是涂料發(fā)揮作用的過程，主要是涂料中防火阻燃體系中的發(fā)泡劑三聚氰胺首先熱分解，釋放出不燃性氣體NH
３，同時成膜物質中部分成分分解產(chǎn)生NH
３、HCl和水蒸氣等促使第一階段已熔融軟化的成膜物質持續(xù)地膨脹發(fā)泡，形成泡沫層，此時脫水催化劑聚磷酸銨分解成聚偏磷酸，與成炭劑雙季戊四醇、成膜物質等含羥基有機化合物發(fā)生化學反應，脫水成炭，在泡沫層中形成炭骨架，最后生成致密堅硬的黑色蜂窩狀炭化層。蜂窩狀炭化層的厚度要比原有涂層厚度大幾十倍，其導熱系數(shù)接近于空氣的導熱系數(shù)（約為2.33×10
－５W/(m
2•K)），因此可以有效的隔絕外部熱源，保護鋼結構基材。這其中要求成膜物質、發(fā)泡劑、脫水催化劑、成炭劑必須有良好的匹配性，否則就不能夠形成理想的炭化層。由差熱分析(DTA)曲線可以看出在330℃溫度左右，有一強的吸熱峰，約為350J/g，主要是為這階段復雜的發(fā)泡炭化過程吸收了外部能量，以使反應得以順利的進行。
(3)失炭階段：這一階段為420℃～770℃，這期間失重為18%左右，這主要是炭化層中的碳逐漸被氧化成CO
２而逸出體系，同時有一部分炭化層由于附著力不夠而被氣流帶走。從差熱分析(DTA)曲線可以看出在560℃、670℃溫度左右，分別有一強的放熱峰，約為830J/g、250J/g，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化而釋放出能量。
(4)無機層階段：這一階段為770℃～1000℃以后，這期間失重為0.24%左右，這主要是炭化層中碳被氧化逸出后，剩余的約37%的無機材料形成了白色無機骨架，防火涂料在火場后期（大約45分鐘以后），主要是這些無機骨架在起到防火隔熱的作用。通過對這些白色物質進行X 射線衍射分析得知，其主要成分是焦磷酸鈦形成的多孔物質，它是由聚磷酸銨和顏填料TiO2反應生成的。其反應式及結構譜圖分別如下：
2.2.3 薄型鋼結構防火涂料
這類鋼結構防火涂料一般是用合適的水性聚合物作基料，再配以阻燃劑復合體系、防火添加劑、耐火纖維等組成，其防火原理同超薄型。對這類防火涂料，要求選用的水性聚合物必須對鋼基材有良好的附著力、耐久性和耐水性。其裝飾性優(yōu)于厚型防火涂料，遜色于超薄型鋼結構防火涂料，一般耐火極限在2小時以內。因此常用在小于2 小時耐火極限的鋼結構防火保護工程中，常采用噴涂施工。該類產(chǎn)品，在一個時期占有很大的比例，但隨著超薄型鋼結構防火涂料的出現(xiàn)，其市場份額逐漸被替代。
2.2.4 厚型鋼結構防火涂料
厚型鋼結構防火涂料是指涂層厚度為8mm～50mm的防火涂料，其耐火極限可達0.5～3小時，甚至更長時間。
由于厚型防火涂料的成分多為無機材料，因此其防火性能穩(wěn)定，長期使用效果較好，但其涂料組分的顆粒較大，涂層外觀不平整，影響建筑的整體美觀，因此大多用于結構隱蔽工程。該類防火涂料在火災中利用材料粒狀表面，密度較小，熱導率低或涂層中材料的吸熱性，延緩鋼材的溫升，保護鋼材。這類防火涂料是用合適的無機膠結料（如水玻璃、硅溶膠、磷酸鋁鹽、耐火水泥等），再配以無機輕質絕熱骨料材料（如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、海抱石、漂珠、粉煤灰等）、防火添加劑、化學藥劑和增強材料（如硅酸鋁纖維、巖棉、陶瓷纖維、玻璃纖維等）及填料等混合配制而成，具有成本較低的優(yōu)點。施工常采用噴涂，適用于耐火極限要求在2小時以上的室外內隱蔽鋼結構、高層全鋼結構及多層廠房鋼結構。如：高層民用建筑的柱、一般工業(yè)與民用建筑中的支承多層的柱的耐火極限均應達到3小時，需采用該厚型防火涂料保護。厚型防火涂料按使用環(huán)境來分，有室內和室外兩種類型
（７）。
礦物棉類建筑防火隔熱涂料是繼我國厚涂型建筑防火涂料一珍珠巖系列，氯氧鎂水泥系列防火涂料之后的又一重要防火涂料系列，在我國尚屬空白，它與珍珠巖類防火涂料相比，其主要特點是作為隔熱填料的礦物纖維對涂層強度可起到增強的作用，可應用于地震多發(fā)的地區(qū)或常受震動的建筑物，并能起到防火、隔熱、吸音之作用。礦物棉類建筑防火隔熱涂料主要有礦物纖維防火隔熱涂料、隔熱填料，其主要成分是礦物棉、粘結材料一般是水泥，在現(xiàn)場采用于法噴涂施工，即纖維經(jīng)分散后與粘結材料一起用高壓空氣輸送至噴口處，然后與分布于噴口周圍的高霧化水混合噴射至待涂表面。能夠獲得密度較小的徐層，從而能減輕整個建筑物的重量，降低建筑物負荷。目前，國外已廣泛使用快干型礦物棉類防火涂料，在施工條件差的建筑工地使用時，具有施工方便、成本低、干燥時間短等優(yōu)點。
2.2.5 防火涂層厚度的確定
涂裝鋼結構防火涂料的鋼基材表面應嚴格除水、除銹，經(jīng)噴砂除銹達到Sa2.5級標準，手工除銹達到St3級以上，除銹后的表面采用酚醛紅丹或環(huán)氧防銹漆作防腐處理。工程設計中是根據(jù)防火涂料涂敷在I36b工字鋼鋼梁上，耐火試驗得出的耐火極限數(shù)據(jù)以及防火規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求確定防火涂層的厚度，但實際鋼結構構件與試件的規(guī)格并不相符。在“技術規(guī)范”中提供了美國的試驗室提出的計算公式并作了簡化，使之從只能折算鋼梁的涂層厚度，擴大到可以折算鋼柱的涂層厚度。當用厚涂型防火涂料（即W
1/D
1≥22，T
1≥9mm）、耐火極限t≥1小時時，其計算式如下
(8)：
一般在防火涂料產(chǎn)品的說明書中只列出耐火極限和相應的涂層厚度，只有在耐火極限的試驗報告中，才能看出耐火試驗時所用的型鋼規(guī)格及涂層厚度。因此，對超薄型和薄涂型防火涂料層的厚度，一般還是以耐火試驗時涂層厚度為依據(jù)，并適當留有余地以增加安全性；對厚涂型防火涂料，在石化工程設計中，實際上不可能對不同的構件設計成不同的涂層厚度。
目前在設計中對整個裝置的鋼結構都是按同一耐火極限設計成同一厚度，為了利于防火，應考慮構件規(guī)格因素，在同樣涂層厚度時，在選材上對熱軋工字鋼宜采用較大的型號，對焊接H型鋼在同種型號中宜采用腹板較厚的規(guī)格。在裝置內也應針對不同構筑物的重要性來進行不同耐火極限的設計。
此外，鋼結構防火涂料在應用工程中，應按照中國工程建設標準化協(xié)會標準CECS24-90《鋼結構防火涂料應用技術規(guī)范》的規(guī)定要求施工，對于上海地區(qū)的工程可以參照上海市工程建設規(guī)范DG/TJ08-008-2000《建筑鋼結構防火技術規(guī)程》執(zhí)行。
3 總結
雖然鋼結構由于其獨特的性能被廣泛應用于建筑場合，但是由于其固有的不耐火的缺點，我們在應用中，要采取不同的方法手段來解決這個問題，關鍵是由場合、耐火極限要求、成本等因數(shù)綜合考慮，可以單獨采用一種方法，或采用幾種方法配合來達到我們的設計要求。
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