摘要：以水泥和乳膠粉為復合黏結劑，以多種輕質多孔無機材料為隔熱填料，以有機—無機復合可膨脹材料為發泡劑，在防銹顏料和助劑的配合下，制備了厚涂型的鋼結構防火防腐涂料，其各項性能均達到或超過了GB14907—2002標準。關鍵詞：厚涂型；防火；防腐；涂料

  1引言

  現代化高層及大型建筑物的框架大多數采用鋼結構，雖然作為承重構件的鋼材具有強度高、自重輕、負荷能力大、抗震性能好、易施工、無污染、可循環利用等優點，但是，其導熱系數[52W/（m?K）]大，一旦遇到火災，在10-15min內其溫度可升至700℃，遠遠超過了自身的臨界溫度（540℃）,此時，因鋼材的屈服強度急劇下降至常溫態的40%左右而失去承載力，會引起建筑物垮塌。目前，我國多采用鋼結構防火涂料對其進行涂裝保護。對于高層民用建筑的支撐柱，一般工業與民用建筑中支承多層的柱[1],大跨度鋼結構廠房、石油化工工程等，多采用耐火極限超過2h的厚質鋼結構防火涂料進行保護。雖然鋼構件在出廠前都進行過表面除銹并涂刷上了防銹底漆，但在運輸、施工過程中，不可避免地會損壞漆膜，即使在施工現場進行二次補刷防銹漆，對于隱蔽處也會造成漏涂，為了防止鋼結構因局部銹蝕而影響建筑物的使用壽命，防火涂料增加防銹、防腐功能是非常必要的。

  本研究以水泥與乳膠粉復合作為黏結劑，以多種輕質多孔無機材料為隔熱填料，以有機—無機復合可膨脹材料為發泡劑，在防銹顏料和助劑的配合下，制備成具有黏結強度和抗壓強度高耐水性好、安全無毒、抗冷熱循環、導熱系數低、防火防腐性能優良的厚涂型鋼結構防火防腐涂料。

  2試驗部分

  2.1原材料的選擇

  （1）復合黏結劑：42.5R硅酸鹽水泥；粉煤灰，Ⅱ級；灰鈣粉；可再分散乳膠粉。

  （2）無機輕質隔熱填料：海泡石粉、水鎂石纖維、云母粉、膨脹蛭石；玻化微珠；空心玻璃微珠。

  （3）復合發泡材料：聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇；重鉻酸銨；可膨脹石墨。

  （4）防銹顏料：納米復合鐵鈦粉。

  （5）助劑：高效減水劑、引氣劑、保水劑、憎水劑、早強劑等。

  2.2試驗配方

  通過大量試驗，最終確定厚涂型鋼結構防火防腐涂料配方，見表1

  表1厚涂型鋼結構防火防腐涂料配方

  原材料    質量分數%    原材料    質量分數%

  硅酸鹽水泥（42.5R）    30.0—38.0    云母粉    4.0—6.0

  粉煤灰（Ⅱ級）    5.0—8.0    膨脹蛭石    2.0—4.0

  灰鈣粉    1.0—3.0    聚磷酸銨    0.8—1.1

  乳膠粉    1.0—2.5    三聚氰胺    1.2—1.5

  羥丙甲基纖維素    0.2—0.3    季戊四醇    0.8—1.1

  海泡石粉    4.0—6.0    重鉻酸銨    0.3—0.5

  玻化微珠    10.0—13.0    可膨脹石墨    3.0—4.0

  空心玻璃微珠    5.0—8.0    納米鐵鈦粉    9.0—11.0

  水鎂石纖維    5.0—7.0    助劑    適量

  2.3制備方法

  （1）將無機輕質隔熱材料（水鎂石纖維除外）過篩，篩除粗顆粒，以免噴涂施工時堵塞噴槍嘴。

  （2）將空心玻璃微珠、粉煤灰、可膨脹石墨加入封閉式干粉混合機內，攪拌中逐漸加入水鎂石纖維，待無機纖維分散均勻后，再加入黏結劑、發泡劑、助劑、防銹顏料等，最后加入玻化微珠、膨脹蛭石等輕質填料，混合均勻后放料、裝袋。

  2.4性能檢測

  厚涂型鋼結構防火防腐涂料系粉狀混合物，施工時加適量水低速攪拌成漿料，噴或涂抹于鋼材基層，加水比例為：（粉狀涂料）：（水）=1.0：（1.0-1.2）.產品由國家固定滅火系統和耐火結構質量監督檢驗中心按GB14907—2002標準檢測，結果見表2。

  表2厚涂型鋼結構防火防腐涂料的性能指標

  檢驗項目    標準要求    檢驗結果

  外觀    灰白色顆粒狀輕質粉末    合格

  細度/min    ≤1    0.9

  表干/h    ≤12    6

  干密度/kg?m-3    ≤650    450

  煙氣毒性    AQ-1安全一級    AQ-1安全一級

  耐水性/d    ≥20    28

  耐堿性/h    ≥36    72

  耐酸性/h        72

  黏結強度/MPa    ≥0.3    0.4

  抗壓強度/MPa    ≥0.3    0.5

  耐冷熱循環    20次，不開裂，不脫落    25次

  高溫殘余線收縮率/%    ≤4    3

  ISO834升溫曲線（13mm）/min    ≥180    200

  碳氫升溫曲線（20mm）/min    ≥90    190

  3結果與討論

  3.1不同黏結材料的搭配及用量對涂料性能的影響

  厚質鋼結構防火涂料一般是非膨脹型涂料。單純由無機黏結劑構成的厚質防火涂料，存在著黏結強度較低（一般僅為0.1MPa）、耐水性較差、涂層硬而脆、易產生裂紋等缺陷，用可再分散乳膠粉對無機黏結劑進行改性，形成有機—無機復合黏結劑體系，制備成厚質防火涂料，可顯著提高其黏結強度、抗壓強度、防水抗滲性能、柔韌抗裂性、耐冷熱循環性、耐火極限值等。

  3.1.1乳膠粉用量的影響

  在配方中其它因素不變的條件下，乳膠粉的不同用量對厚涂型鋼結構防火防腐涂料性能的影響見表3。

  表3乳膠粉用量對防火防腐涂料性能的影響

  由表3可知，配方中隨著乳膠粉用量的增加，涂料的黏結強度、抗壓強度、耐水性、耐冷熱循環性和耐酸堿性均相應提高，尤其是黏結強度和耐水性提高顯著，當乳膠粉用量達到2%時，各項性能都能達到或超過GB14907—2002標準中規定的指標。

  3.1.2有機-無機復合膠黏劑的影響

  作為主體黏結劑的水泥，由于密度較大，用量大時會增加防火涂料的干密度、減小其熱阻、降低涂層的防火性能；用量小時又會降低涂料的黏結強度、抗壓強度及耐水性等指標。選用富含SiO2膠凝劑的粉煤灰替代部分水泥，可在一定程度上降低無機黏結劑的密度，并且增加涂層的孔隙率，提高熱阻，增強防火性能，替代率控制在20%左右為好。為了激發粉煤灰顆粒表面的活性,提高無機黏結劑的早期強度，又添加了少量灰鈣粉，由上述三種材料組成無機黏結劑。本研究優選的有機—無機復合膠黏劑的配比為：m（無機膠黏劑）：m（乳膠粉）=100.00：4.65。

  在配方中其它因素不變的條件下，有機—無機復合黏結劑的添加量對厚涂型鋼結構防火防腐涂料性能的影響見表4。

  由表4可知，隨著復合黏結劑用量的增加，涂料的黏結強度、抗壓強度、耐水性、耐冷熱循環性、耐酸性耐堿性相應提高，干密度增加,導熱系數上升，耐火性趨降。當復合黏結劑用量達到55%時，涂料的干密度超標、導熱系數較高、防火性能降低。按照綜合性能評價選優的原則，復合黏結劑的添加量應控制在45%-50%。

  表4復合黏結劑的用量對防火防腐涂料性能的影響

  3.2不同輕質隔熱填料的搭配對耐火性能的影響

  決定非膨脹型厚質防火涂料耐火性的因素有：淤材料的耐高溫性；于涂層的隔熱性；盂涂層的厚度。本研究選用的玻化微珠、空心玻璃微珠、水鎂石纖維、膨脹蛭石、海泡石粉都能耐800-1000℃的高溫，是優良的防火阻燃材料。其特點如下：玻化微珠，內部呈多孔空心結構，表面呈連續玻質化閉合結構，干密度為80-120kg/m3，導熱系數為0.42W/（m?K），具有抗壓強度高、吸水率低、防腐性好、隔熱性能優良等特性；膨脹蛭石，一種復雜的鐵、鎂硅酸鹽層狀碎片，其中充滿著無數細小的孔隙，干密度為80—120kg/m3,導熱系數為0.047—0.07W/（m?K）,是一種優良的絕熱材料；海泡石粉是一種水化的凝膠態硅酸鎂呈針狀微孔和孔槽結構，導熱系數為0.07W/（m?K），具有高表面積和強吸附能力，在厚涂型防火涂料中作為增稠劑、觸變劑使用，添加量受到一定限制；水鎂石纖維是一種含水硅酸鎂纖維，纖維長度為5-12mm,中空管束狀結構，導熱系數為0.145W/（m?K）具有抗拉強度高（892-1283MPa）、易水解分散、抗裂性好、阻燃消煙性優良等特點,最佳添加量應通過試驗確定。

  非膨脹型厚質防火涂料的耐火性與涂層的隔熱性即熱阻直接相關，熱阻（R）是材料導熱系數（λ）的倒數，熱量通過涂層厚度（d）受到的熱傳遞阻力為：

  R=d/λ

  防火涂料的熱阻越大，傳輸的熱量越小，即導熱系數越小。導熱系數與材料密度、孔隙率、孔隙尺寸直接相關，當材料的密度小、孔隙率高、孔隙尺寸小時，其導熱系數小，即熱阻大，構成的防火涂料耐火極限值大。在材料導熱系數一定的前提下，涂層厚度越大其熱阻越大，耐火極限值越大。

  在試驗配方中，保持輕質隔熱材料的添加總量占涂料的35%不變，且通過試驗已確定海泡石粉和水鎂石纖維用量的基礎上,通過改變玻化微珠（A）、空心玻璃微珠（B）、膨脹蛭石（C）的質量比，考察其對涂料的干密度、導熱系數、耐火極限值的影響，結果見表5。

  表5輕質隔熱材料的配比對耐火性的影響

  由表5可知，在試驗條件下，適當增加玻化微珠的用量，減小空心玻璃微珠的配比，對降低涂層的干密度和導熱系數、提高耐火極限值有利，當m（A）：m（B）：m（C）=4：2：1時，涂層既具有一定的抗壓強度，又具有干密度低、導熱系數小、耐火極限高的特點。

  3.3發泡材料的組成及用量對涂料防火性能的影響

  非膨脹厚質防火涂料中添加了大量輕質隔熱材料，由于隔熱材料的顆粒較大，構成的涂層孔隙較大，孔隙率相對較低，涂層的絕熱性受到制約，改善涂層絕熱性低的辦法是添加發泡材料。發泡材料可以在涂料受熱時膨脹，填滿涂層填料間的細小空間，減緩熱量的傳遞速率[2].常用的有機膨脹發泡材料是由聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇構成的P-N-C高溫發泡阻燃體系，但是該體系在非膨脹型厚質防火涂料中的用量不宜多，這是因為：①該體系在高溫下會釋放出NH3、HCN等物質，增加涂料的煙氣毒性，影響安全等級；②該體系的作用是為了在高溫下膨脹，填充顆粒間的空隙，并不希望在涂層表面形成碳質層。因此，其用量應控制在涂料總量的5%以下。通過正交試驗證明，當（聚磷酸銨）：（三聚氰胺）：（季戊四醇）=2：3：2時，其膨脹發泡性最好。

  為了進一步提高涂層的孔隙率、減小孔隙尺寸，彌補有機膨脹發泡劑用量少的不足，配方中添加了適量的無機膨脹材料—可膨脹石墨和重鉻酸銨。可膨脹石墨具有潤滑性、導電性、柔韌性、化學穩定性等特性。當其受到200℃以上高溫時，吸留在層間點陣中的化合物吸收大量熱量而急劇分解、氣化、膨脹,最終沿層間膨脹150-200倍，形成納米級微孔結構，成為大量“蠕蟲”狀碳化體微粒，填充于涂層中的空隙之間；重鉻酸銨在高溫下分解成三氧化二鉻，體積膨脹數10倍，膨松的三氧化二鉻具有高熔點（1300℃）、高耐火性能，其高溫下吸熱分解式為：

  (NH4)2CrO7高溫吸熱N2+Cr2O3+4H2O

  無機膨脹材料，不但可提高防火涂層的熱阻，增大防火極限值，而且在高溫下可吸收大量的熱量、釋放出水，可有效地降低火災中防火涂層的溫度，延緩熱量向內部傳遞，同時還有抑煙消煙作用。試驗證明，無機膨脹發泡材料的添加量以涂料總量的4%為宜。

  3.4提高涂料耐腐蝕性的措施

  為了防止金屬表面銹蝕，常采用防銹防腐涂料對其進行涂裝保護，保護層透氣是造成金屬表面失去陰極保護而加快銹蝕速率的誘因[3]。因此，防腐涂層只有具備了致密、疏水性強、附著力好、電阻大或涂層足夠厚的條件時，才能有效地屏蔽水蒸氣、氧氣、氯離子等的侵蝕，起到物理防銹作用。本研究為了彌補厚涂防火涂料的粗糙多孔、透氣滲水的缺陷，配方中選用了不同粒徑級配的填料，盡可能提高涂層的致密度。選用云母粉、石墨、蛭石等片狀填料，使其在涂層中片片搭接、層層重疊，形成“迷宮”效應；有機硅憎水劑的加入，可在毛細管內壁及涂層表面形成網狀憎水硅氧烷膜；防火涂料的施工厚度要求達到10-20mm,具有足夠厚度的涂層才能具有良好的屏蔽水、氧、氯離子的能力。

  為了提高防火涂層的化學防腐性能，配方中選用了納米復合鐵鈦粉，它的主要成分是多種不同形態的磷酸鹽，然后再與硅基、鈦基、鐵基氧化物及氧化釔等納米粉體材料復合而成，其自身有一定的防銹能力。磷酸鹽中的磷酸根可與鋼鐵表面的鐵原子發生反應，生成水不溶的磷酸鐵絡合鹽，并牢固地附著在鋼鐵表面，阻隔了水、氧、氯離子等，起到鈍化緩蝕作用。

  分散在厚涂型防火涂料中的納米復合鐵鈦粉，在常溫態時，它是防火涂層中的一種超細防銹填料，對增強涂層的致密度、抗壓強度及耐水性有一定作用，在涂層受火時，磷酸鹽分解出磷酸根，成為阻燃劑和脫水催化劑，并有消煙作用。考慮到本涂料的功能應以防火為主、防腐為輔，納米復合鐵鈦粉的添加量不宜過多，過多時會相應減少隔熱材料的用量，對涂層的防火性能不利，用量過少時則防腐效果不明顯，權衡利弊，鐵鈦粉的添加量確定為10%左右。

  4應用范圍及施工方法

  4.1應用范圍

  該厚涂型鋼結構防火防腐涂料，可廣泛應用于室內外鋼結構的防火防腐涂裝保護，適用于高層鋼結構建筑、大跨度鋼結構工業廠房及場館、隧道防火工程、石油化工設施及需要防火、保溫、消音的建筑物墻體。

  4.2施工方法

  （1）基層處理：清除施工基層表面的塵土、油污、雜物等。對未除銹的鋼材表面進行除銹,對已涂防銹漆但漆膜遭到損壞的鋼構件進行補涂。

  （2）按照（粉狀涂料）：（水）=1.0：（1.0-1.2）的配比，于現場慢速攪拌成適于施工稠度的漿料，采用噴涂、抹涂、刮涂或3種方法相結合的施工方法進行施工。

  （3）施工環境溫度應在5℃以上。

  （4）根據設計厚度要求，需進行多道施工，每道施工厚度應控制在5-10mm之內，每道間隔24h，待前一道基本干燥后再進行后一道施工，如需要平整的表面，可在最后一道施工后做抹平處理。

  （5）漿料應隨用隨配，配好的漿料應在1h內用完，避免因放置時間過長而固化浪費。

  5結語

  本厚涂型鋼結構防火防腐涂料，兼具防火防腐雙重功能，具有黏結強度和抗壓強度高、耐水耐候性好等特點，該涂料由復合黏結劑、無機輕質隔熱材料、復合發泡材料、防銹顏料、填料及助劑組成。

  （1）復合黏結劑,由水泥、粉煤灰、灰鈣粉和乳膠粉組成，其組成比例為（無機粘結劑）：（乳膠粉）=100：4.65，復合粘結劑占涂料的45%-50%。

  （2）輕質隔熱材料,由玻化微珠（A）、空心玻璃微珠（B）、膨脹蛭石（C）、海泡石粉（D）、水鎂石纖維（E）組成，當D、E值確定后，m（A）：m（B）：m（C）=4：2：1,隔熱材料總量占涂料的35%左右。

  （3）復合發泡劑,由有機發泡體系和無機膨脹發泡材料組成，有機發泡體系由（聚磷酸銨）：（三聚氰胺）：（季戊四醇）=2：3：2組成，在涂料中不大于5%；無機膨脹材料由可膨脹石墨和重鉻酸銨組成，在涂料中占4%左右。

  （4）防銹顏料選擇納米復合鐵鈦粉，添加量為10%左右，另外，還選擇了云母粉為填料及多種助劑進行配合。