摘要：以水泥和乳胶粉为复合黏结剂，以多种轻质多孔无机材料为隔热填料，以有机—无机复合可膨胀材料为发泡剂，在防锈颜料和助剂的配合下，制备了厚涂型的钢结构防火防腐涂料，其各项性能均达到或超过了GB14907—2002标准。关键词：厚涂型；防火；防腐；涂料

  1引言

  现代化高层及大型建筑物的框架大多数采用钢结构，虽然作为承重构件的钢材具有强度高、自重轻、负荷能力大、抗震性能好、易施工、无污染、可循环利用等优点，但是，其导热系数[52W/（m•K）]大，一旦遇到火灾，在10-15min内其温度可升至700℃，远远超过了自身的临界温度（540℃）,此时，因钢材的屈服强度急剧下降至常温态的40%左右而失去承载力，会引起建筑物垮塌。目前，我国多采用钢结构防火涂料对其进行涂装保护。对于高层民用建筑的支撑柱，一般工业与民用建筑中支承多层的柱[1],大跨度钢结构厂房、石油化工工程等，多采用耐火极限超过2h的厚质钢结构防火涂料进行保护。虽然钢构件在出厂前都进行过表面除锈并涂刷上了防锈底漆，但在运输、施工过程中，不可避免地会损坏漆膜，即使在施工现场进行二次补刷防锈漆，对于隐蔽处也会造成漏涂，为了防止钢结构因局部锈蚀而影响建筑物的使用寿命，防火涂料增加防锈、防腐功能是非常必要的。

  本研究以水泥与乳胶粉复合作为黏结剂，以多种轻质多孔无机材料为隔热填料，以有机—无机复合可膨胀材料为发泡剂，在防锈颜料和助剂的配合下，制备成具有黏结强度和抗压强度高耐水性好、安全无毒、抗冷热循环、导热系数低、防火防腐性能优良的厚涂型钢结构防火防腐涂料。

  2试验部分

  2.1原材料的选择

  （1）复合黏结剂：42.5R硅酸盐水泥；粉煤灰，Ⅱ级；灰钙粉；可再分散乳胶粉。

  （2）无机轻质隔热填料：海泡石粉、水镁石纤维、云母粉、膨胀蛭石；玻化微珠；空心玻璃微珠。

  （3）复合发泡材料：聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇；重铬酸铵；可膨胀石墨。

  （4）防锈颜料：纳米复合铁钛粉。

  （5）助剂：高效减水剂、引气剂、保水剂、憎水剂、早强剂等。

  2.2试验配方

  通过大量试验，最终确定厚涂型钢结构防火防腐涂料配方，见表1

  表1厚涂型钢结构防火防腐涂料配方

  原材料    质量分数%    原材料    质量分数%

  硅酸盐水泥（42.5R）    30.0—38.0    云母粉    4.0—6.0

  粉煤灰（Ⅱ级）    5.0—8.0    膨胀蛭石    2.0—4.0

  灰钙粉    1.0—3.0    聚磷酸铵    0.8—1.1

  乳胶粉    1.0—2.5    三聚氰胺    1.2—1.5

  羟丙甲基纤维素    0.2—0.3    季戊四醇    0.8—1.1

  海泡石粉    4.0—6.0    重铬酸铵    0.3—0.5

  玻化微珠    10.0—13.0    可膨胀石墨    3.0—4.0

  空心玻璃微珠    5.0—8.0    纳米铁钛粉    9.0—11.0

  水镁石纤维    5.0—7.0    助剂    适量

  2.3制备方法

  （1）将无机轻质隔热材料（水镁石纤维除外）过筛，筛除粗颗粒，以免喷涂施工时堵塞喷枪嘴。

  （2）将空心玻璃微珠、粉煤灰、可膨胀石墨加入封闭式干粉混合机内，搅拌中逐渐加入水镁石纤维，待无机纤维分散均匀后，再加入黏结剂、发泡剂、助剂、防锈颜料等，最后加入玻化微珠、膨胀蛭石等轻质填料，混合均匀后放料、装袋。

  2.4性能检测

  厚涂型钢结构防火防腐涂料系粉状混合物，施工时加适量水低速搅拌成浆料，喷或涂抹于钢材基层，加水比例为：（粉状涂料）：（水）=1.0：（1.0-1.2）.产品由国家固定灭火系统和耐火结构质量监督检验中心按GB14907—2002标准检测，结果见表2。

  表2厚涂型钢结构防火防腐涂料的性能指标

  检验项目    标准要求    检验结果

  外观    灰白色颗粒状轻质粉末    合格

  细度/min    ≤1    0.9

  表干/h    ≤12    6

  干密度/kg•m-3    ≤650    450

  烟气毒性    AQ-1安全一级    AQ-1安全一级

  耐水性/d    ≥20    28

  耐碱性/h    ≥36    72

  耐酸性/h        72

  黏结强度/MPa    ≥0.3    0.4

  抗压强度/MPa    ≥0.3    0.5

  耐冷热循环    20次，不开裂，不脱落    25次

  高温残余线收缩率/%    ≤4    3

  ISO834升温曲线（13mm）/min    ≥180    200

  碳氢升温曲线（20mm）/min    ≥90    190

  3结果与讨论

  3.1不同黏结材料的搭配及用量对涂料性能的影响

  厚质钢结构防火涂料一般是非膨胀型涂料。单纯由无机黏结剂构成的厚质防火涂料，存在着黏结强度较低（一般仅为0.1MPa）、耐水性较差、涂层硬而脆、易产生裂纹等缺陷，用可再分散乳胶粉对无机黏结剂进行改性，形成有机—无机复合黏结剂体系，制备成厚质防火涂料，可显著提高其黏结强度、抗压强度、防水抗渗性能、柔韧抗裂性、耐冷热循环性、耐火极限值等。

  3.1.1乳胶粉用量的影响

  在配方中其它因素不变的条件下，乳胶粉的不同用量对厚涂型钢结构防火防腐涂料性能的影响见表3。

  表3乳胶粉用量对防火防腐涂料性能的影响

  由表3可知，配方中随着乳胶粉用量的增加，涂料的黏结强度、抗压强度、耐水性、耐冷热循环性和耐酸碱性均相应提高，尤其是黏结强度和耐水性提高显著，当乳胶粉用量达到2%时，各项性能都能达到或超过GB14907—2002标准中规定的指标。

  3.1.2有机-无机复合胶黏剂的影响

  作为主体黏结剂的水泥，由于密度较大，用量大时会增加防火涂料的干密度、减小其热阻、降低涂层的防火性能；用量小时又会降低涂料的黏结强度、抗压强度及耐水性等指标。选用富含SiO2胶凝剂的粉煤灰替代部分水泥，可在一定程度上降低无机黏结剂的密度，并且增加涂层的孔隙率，提高热阻，增强防火性能，替代率控制在20%左右为好。为了激发粉煤灰颗粒表面的活性,提高无机黏结剂的早期强度，又添加了少量灰钙粉，由上述三种材料组成无机黏结剂。本研究优选的有机—无机复合胶黏剂的配比为：m（无机胶黏剂）：m（乳胶粉）=100.00：4.65。

  在配方中其它因素不变的条件下，有机—无机复合黏结剂的添加量对厚涂型钢结构防火防腐涂料性能的影响见表4。

  由表4可知，随着复合黏结剂用量的增加，涂料的黏结强度、抗压强度、耐水性、耐冷热循环性、耐酸性耐碱性相应提高，干密度增加,导热系数上升，耐火性趋降。当复合黏结剂用量达到55%时，涂料的干密度超标、导热系数较高、防火性能降低。按照综合性能评价选优的原则，复合黏结剂的添加量应控制在45%-50%。

  表4复合黏结剂的用量对防火防腐涂料性能的影响

  3.2不同轻质隔热填料的搭配对耐火性能的影响

  决定非膨胀型厚质防火涂料耐火性的因素有：淤材料的耐高温性；于涂层的隔热性；盂涂层的厚度。本研究选用的玻化微珠、空心玻璃微珠、水镁石纤维、膨胀蛭石、海泡石粉都能耐800-1000℃的高温，是优良的防火阻燃材料。其特点如下：玻化微珠，内部呈多孔空心结构，表面呈连续玻质化闭合结构，干密度为80-120kg/m3，导热系数为0.42W/（m•K），具有抗压强度高、吸水率低、防腐性好、隔热性能优良等特性；膨胀蛭石，一种复杂的铁、镁硅酸盐层状碎片，其中充满着无数细小的孔隙，干密度为80—120kg/m3,导热系数为0.047—0.07W/（m•K）,是一种优良的绝热材料；海泡石粉是一种水化的凝胶态硅酸镁呈针状微孔和孔槽结构，导热系数为0.07W/（m•K），具有高表面积和强吸附能力，在厚涂型防火涂料中作为增稠剂、触变剂使用，添加量受到一定限制；水镁石纤维是一种含水硅酸镁纤维，纤维长度为5-12mm,中空管束状结构，导热系数为0.145W/（m•K）具有抗拉强度高（892-1283MPa）、易水解分散、抗裂性好、阻燃消烟性优良等特点,最佳添加量应通过试验确定。

  非膨胀型厚质防火涂料的耐火性与涂层的隔热性即热阻直接相关，热阻（R）是材料导热系数（λ）的倒数，热量通过涂层厚度（d）受到的热传递阻力为：

  R=d/λ

  防火涂料的热阻越大，传输的热量越小，即导热系数越小。导热系数与材料密度、孔隙率、孔隙尺寸直接相关，当材料的密度小、孔隙率高、孔隙尺寸小时，其导热系数小，即热阻大，构成的防火涂料耐火极限值大。在材料导热系数一定的前提下，涂层厚度越大其热阻越大，耐火极限值越大。

  在试验配方中，保持轻质隔热材料的添加总量占涂料的35%不变，且通过试验已确定海泡石粉和水镁石纤维用量的基础上,通过改变玻化微珠（A）、空心玻璃微珠（B）、膨胀蛭石（C）的质量比，考察其对涂料的干密度、导热系数、耐火极限值的影响，结果见表5。

  表5轻质隔热材料的配比对耐火性的影响

  由表5可知，在试验条件下，适当增加玻化微珠的用量，减小空心玻璃微珠的配比，对降低涂层的干密度和导热系数、提高耐火极限值有利，当m（A）：m（B）：m（C）=4：2：1时，涂层既具有一定的抗压强度，又具有干密度低、导热系数小、耐火极限高的特点。

  3.3发泡材料的组成及用量对涂料防火性能的影响

  非膨胀厚质防火涂料中添加了大量轻质隔热材料，由于隔热材料的颗粒较大，构成的涂层孔隙较大，孔隙率相对较低，涂层的绝热性受到制约，改善涂层绝热性低的办法是添加发泡材料。发泡材料可以在涂料受热时膨胀，填满涂层填料间的细小空间，减缓热量的传递速率[2].常用的有机膨胀发泡材料是由聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇构成的P-N-C高温发泡阻燃体系，但是该体系在非膨胀型厚质防火涂料中的用量不宜多，这是因为：①该体系在高温下会释放出NH3、HCN等物质，增加涂料的烟气毒性，影响安全等级；②该体系的作用是为了在高温下膨胀，填充颗粒间的空隙，并不希望在涂层表面形成碳质层。因此，其用量应控制在涂料总量的5%以下。通过正交试验证明，当（聚磷酸铵）：（三聚氰胺）：（季戊四醇）=2：3：2时，其膨胀发泡性最好。

  为了进一步提高涂层的孔隙率、减小孔隙尺寸，弥补有机膨胀发泡剂用量少的不足，配方中添加了适量的无机膨胀材料—可膨胀石墨和重铬酸铵。可膨胀石墨具有润滑性、导电性、柔韧性、化学稳定性等特性。当其受到200℃以上高温时，吸留在层间点阵中的化合物吸收大量热量而急剧分解、气化、膨胀,最终沿层间膨胀150-200倍，形成纳米级微孔结构，成为大量“蠕虫”状碳化体微粒，填充于涂层中的空隙之间；重铬酸铵在高温下分解成三氧化二铬，体积膨胀数10倍，膨松的三氧化二铬具有高熔点（1300℃）、高耐火性能，其高温下吸热分解式为：

  (NH4)2CrO7高温吸热N2+Cr2O3+4H2O

  无机膨胀材料，不但可提高防火涂层的热阻，增大防火极限值，而且在高温下可吸收大量的热量、释放出水，可有效地降低火灾中防火涂层的温度，延缓热量向内部传递，同时还有抑烟消烟作用。试验证明，无机膨胀发泡材料的添加量以涂料总量的4%为宜。

  3.4提高涂料耐腐蚀性的措施

  为了防止金属表面锈蚀，常采用防锈防腐涂料对其进行涂装保护，保护层透气是造成金属表面失去阴极保护而加快锈蚀速率的诱因[3]。因此，防腐涂层只有具备了致密、疏水性强、附着力好、电阻大或涂层足够厚的条件时，才能有效地屏蔽水蒸气、氧气、氯离子等的侵蚀，起到物理防锈作用。本研究为了弥补厚涂防火涂料的粗糙多孔、透气渗水的缺陷，配方中选用了不同粒径级配的填料，尽可能提高涂层的致密度。选用云母粉、石墨、蛭石等片状填料，使其在涂层中片片搭接、层层重叠，形成“迷宫”效应；有机硅憎水剂的加入，可在毛细管内壁及涂层表面形成网状憎水硅氧烷膜；防火涂料的施工厚度要求达到10-20mm,具有足够厚度的涂层才能具有良好的屏蔽水、氧、氯离子的能力。

  为了提高防火涂层的化学防腐性能，配方中选用了纳米复合铁钛粉，它的主要成分是多种不同形态的磷酸盐，然后再与硅基、钛基、铁基氧化物及氧化钇等纳米粉体材料复合而成，其自身有一定的防锈能力。磷酸盐中的磷酸根可与钢铁表面的铁原子发生反应，生成水不溶的磷酸铁络合盐，并牢固地附着在钢铁表面，阻隔了水、氧、氯离子等，起到钝化缓蚀作用。

  分散在厚涂型防火涂料中的纳米复合铁钛粉，在常温态时，它是防火涂层中的一种超细防锈填料，对增强涂层的致密度、抗压强度及耐水性有一定作用，在涂层受火时，磷酸盐分解出磷酸根，成为阻燃剂和脱水催化剂，并有消烟作用。考虑到本涂料的功能应以防火为主、防腐为辅，纳米复合铁钛粉的添加量不宜过多，过多时会相应减少隔热材料的用量，对涂层的防火性能不利，用量过少时则防腐效果不明显，权衡利弊，铁钛粉的添加量确定为10%左右。

  4应用范围及施工方法

  4.1应用范围

  该厚涂型钢结构防火防腐涂料，可广泛应用于室内外钢结构的防火防腐涂装保护，适用于高层钢结构建筑、大跨度钢结构工业厂房及场馆、隧道防火工程、石油化工设施及需要防火、保温、消音的建筑物墙体。

  4.2施工方法

  （1）基层处理：清除施工基层表面的尘土、油污、杂物等。对未除锈的钢材表面进行除锈,对已涂防锈漆但漆膜遭到损坏的钢构件进行补涂。

  （2）按照（粉状涂料）：（水）=1.0：（1.0-1.2）的配比，于现场慢速搅拌成适于施工稠度的浆料，采用喷涂、抹涂、刮涂或3种方法相结合的施工方法进行施工。

  （3）施工环境温度应在5℃以上。

  （4）根据设计厚度要求，需进行多道施工，每道施工厚度应控制在5-10mm之内，每道间隔24h，待前一道基本干燥后再进行后一道施工，如需要平整的表面，可在最后一道施工后做抹平处理。

  （5）浆料应随用随配，配好的浆料应在1h内用完，避免因放置时间过长而固化浪费。

  5结语

  本厚涂型钢结构防火防腐涂料，兼具防火防腐双重功能，具有黏结强度和抗压强度高、耐水耐候性好等特点，该涂料由复合黏结剂、无机轻质隔热材料、复合发泡材料、防锈颜料、填料及助剂组成。

  （1）复合黏结剂,由水泥、粉煤灰、灰钙粉和乳胶粉组成，其组成比例为（无机粘结剂）：（乳胶粉）=100：4.65，复合粘结剂占涂料的45%-50%。

  （2）轻质隔热材料,由玻化微珠（A）、空心玻璃微珠（B）、膨胀蛭石（C）、海泡石粉（D）、水镁石纤维（E）组成，当D、E值确定后，m（A）：m（B）：m（C）=4：2：1,隔热材料总量占涂料的35%左右。

  （3）复合发泡剂,由有机发泡体系和无机膨胀发泡材料组成，有机发泡体系由（聚磷酸铵）：（三聚氰胺）：（季戊四醇）=2：3：2组成，在涂料中不大于5%；无机膨胀材料由可膨胀石墨和重铬酸铵组成，在涂料中占4%左右。

  （4）防锈颜料选择纳米复合铁钛粉，添加量为10%左右，另外，还选择了云母粉为填料及多种助剂进行配合。