1. 引言
2017年3月，住房城乡建设部一次性印发《“十三五”装配式建筑行动方案》、《装配式建筑示范城市管理办法》、《装配式建筑产业基地管理办法》三大文件，全面推进装配式建筑发展。然而，目前还未形成与装配式钢结构建筑相配套的防火保护体系，现有防火保护主要在现场施工完成。为了加速我国建筑工业化的进程，亟需解决钢结构防火涂料现场施工影响整体工程周期的问题。
钢结构建筑的防火保护方法多种多样，其中涂装防火涂料具有施工简单、方便、自重轻、防火效果好等特点，是最理想、最可靠、最实用的防火保护方法之一[1] [2]。钢结构防火涂料是指涂覆在钢材表面的一类功能性工程材料的总称，在一般情况下它能起到装饰作用，当火灾发生时能够阻止燃烧或对燃烧迅速扩展起到延滞作用，从而使人们有充分的时间进行火灾扑救工作。钢结构防火涂料按分散介质可分为水性钢结构防火涂料和溶剂型钢结构防火涂料，水性钢结构防火涂料则是以水性聚合物作为成膜物质、以水作为分散介质的一类防火涂料[3]。与溶剂型钢结构防火涂料相比较，水性防火涂料具有减少挥发性有机物(VOC)排放量，减少能耗，降低涂料在生产、施工、应用等环节中对人体的危害和对环境的污染的优点[4]。
目前，国内水性钢结构防火涂料研发仍处于起步阶段，国产水性钢结构防火涂料耐火极限很少能达60 min以上。而国外的水性钢结构防火涂料则已有多年的技术储备，如阿克苏诺贝尔Interchar 1120干膜厚度2 mm时，耐火极限可以达到120 min；佐敦Steelmaster 60 WB干膜厚度2 mm时，耐火极限可以达到120 min；PPG庞贝捷Steelguard FM 585干膜厚度2 mm时，耐火极限可以达到90 min。另外，国内生产的水性钢结构防火涂料还普遍存在着涂膜耐水性差、产品稳定性差等缺点和问题。因此，研制一种理化性能好、耐火性能优异、产品稳定性高且能用于装配式钢结构构件的工厂预涂装的水性钢结构防火涂料具有非常重要的实际应用价值[4]。
2. 预涂装钢结构防火涂料研发
2.1. 防火涂料配方
水性防火涂料通常选用亲水性的水溶性树脂或水分散性的聚合物乳液作为基料。聚合物乳液是水性防火涂料的主要成膜物质，乳液需要对基材具有良好的附着力、耐久性和耐水性。乳液对发泡剂、成炭剂、脱水成炭催化剂、颜填料等起粘结作用，当涂膜干燥固化后，附着在基材表面形成坚韧、牢固、均匀的涂层。涂层的膨胀发泡、耐燃性、耐水性、耐化学品性和粘结强度都与乳液的性能和质量有关。乳液选择需要考虑以下几个方面：(1) 基料乳液与基材有较强的粘结性，防止膨胀层脱落影响耐火性能；(2) 基料乳液需要绿色环保，不含或仅含较低量的挥发性有机物(VOC)；(3) 基料乳液对基材无腐蚀性，具备较强的耐候性，以增强涂层对基材的有效保护时间以及稳定性；(4) 基料乳液应具备一定的协助膨胀阻燃体系发泡以及残炭量，基料的软化温度和膨胀温度应相匹配，确保膨胀效果[5] [6]。
通过系统研究丙烯酸类、醋酸类树脂等成膜物质对防火涂料粘结强度及发泡倍率等的影响，并采用共混与共聚改性配制适宜于预涂装钢结构防火涂料的成膜物质，最终确定了以丙烯酸和醋酸共聚改性乳液为成膜物质的配方体系；采用两种成炭剂协效配合提供足够多的含碳量以及羟基以提高膨胀炭层的强度；采用纳米无机材料改性技术对功能性助剂进行处理，提高了涂料与钢结构的粘结性能，改进了涂料的韧性；采用钛白粉、氧化铈、含氮阻燃剂等作为预涂装钢结构防火涂料的填料，通过对填料的分析和比例的调节，提高了水性钢结构防火涂料的抗烧蚀能力。根据表1所示的配方，先将水和各种助剂加入到塑料烧杯中，搅拌均匀后，再依次加入钛白粉(TiO2)、聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(ME)和季戊四醇(PER)等，进行高速研磨分散，加入乳液后，在800 r/min的条件下分散30 min，得到防火涂料。
Table 1. The experimental formula for fireproof coating
表1. 防火涂料实验配方
2.2. 水性钢结构防火涂料理化性能
在研发水性钢结构防火涂料过程中，针对不同成膜物质，采用相同配方体系制备了防火涂料，通过粘结强度测试，得到了防火涂料与钢材的粘结机制主要有附着破坏与内聚破坏两种。最终，本文制备的水性钢结构防火涂料采用了醋酸共聚改性乳液作为成膜物质，涂料与钢材的粘结机制为内聚破坏，粘结强度较高。将制备好的水性钢结构防火涂料进行了一系列理化性能测试，测试结果如表2所示，从表中可以看出，该涂料的粘结强度达1.49 MPa，是GB14907-2018中规定值0.15 MPa的约10倍。国际知名的同类产品如阿克苏诺比尔的Interchar1120型水性钢结构防火涂料，耐火极限2 h，粘结强度1.32 MPa，但无相关的装配式钢结构建筑预涂装防火涂料方面的应用。
2.3. 涂料的耐冲击性能与抗弯曲性能
采用落锤实验仪测试了本文制备的水性钢结构防火涂料涂层的耐冲击性能。将1 kg重的落锤固定于导管的同一高度，让其垂直下落冲击涂覆防火涂料的钢片，观察涂层的变化情况。测试后的钢片样品照片如图1所示。从图中可以看出，涂料在受到冲击后，涂层被破坏的面积集中在冲击部位，未向周边扩散，便于减少后续的修补工作量。同时，将涂覆涂料的钢片样品分别弯曲5˚和10˚，钢片表面涂层如图2所示，弯曲5˚后，涂层基本保持原样，而弯曲10˚后，涂层表面仅出现少许细微的裂纹，表明涂料抗弯曲性能较好，可以适应钢构件装配后的应力状态。
Table 2. Physical and chemical properties of fireproof coatings for steel structures
表2. 钢结构防火涂料理化性能
Figure 1. Damage degree of samples after impact test
图1. 冲击实验后样品破坏情况
Figure 2. Appearance of samples after bending test
图2. 弯曲实验后样品表观情况
2.4. 耐火试验
将试制好的水性钢结构防火涂料样品送至国家防火建筑材料质量监督检验中心，按照GB 14907-2018《钢结构防火涂料》中规定的防火涂料耐火极限测试方法，采用36b热轧工字钢作为试验基材，将防火涂料施工于工字钢表面(4.5 mm)，按规定养护后，在燃烧试验炉上进行试验，试验过程中加载保持207 kN不变，如图3所示。图4为耐火试验后测得的钢结构防火涂料发泡情况，用标尺测得的防火涂料发泡厚度约为12 cm。根据最终的检测结果，该防火涂料耐火极限2.31 h。
Figure 3. Fire resistance test of fireproof coating for steel structures
图3. 钢结构防火涂料耐火性能试验
Figure 4. Foaming situation of fireproof coating after fire resistance test
图4. 耐火试验后钢结构防火涂料发泡情况
3. 某装配式钢结构厂房应用示范
为了将本文研发的预涂装钢结构防火涂料推广应用于装配式钢结构建筑，选取某装配式钢结构厂房为应用对象，通过在钢构件工厂施工预涂装钢结构防火涂料、钢构件运输至工地现场(距钢构件工厂300公里左右)、钢构件现场装配化施工等流程，完成了装配式钢结构厂房的防火保护应用示范，并对整个过程中预涂装钢结构防火涂料的性能进行了跟踪。图5所示为钢构件加工厂进行预涂装钢结构防火涂料施工，每一遍涂刷厚度0.3~0.4 mm，总涂刷厚度4.5 mm。在完成主体部分的防火涂覆工作后，对垫木支座部位进行补喷防火涂料，如图6所示。待预涂装防火涂料的钢构件养护1周后，对构件吊装部位包覆珍珠棉，运输至300公里远的工地现场进行装配化施工，如图7所示，施工过程中不可避免会有部分碰撞引起涂料脱落，采用研发的快干修复防火涂料进行修补。
Figure 5. Pre-painting fireproof coating in the factory
图5. 钢构件工厂预涂装防火涂料
Figure 6. Re-spraying fireproof coating on hidden parts of steel components
图6. 钢构件隐蔽部位补喷防火涂料
Figure 7. On-site assembly of steel components with pre-painted fireproof coating
图7. 预涂装钢结构防火涂料构件现场装配化施工
4. 结论
本文采用以丙烯酸和醋酸共聚改性乳液为成膜物质的配方体系研发了一种水性钢结构防火涂料，该防火涂料可以在钢构件加工厂进行预涂装。通过某装配式钢结构厂房防火保护应用示范，验证了产品的可靠性。主要得出以下结论：
(1) 预涂装钢结构防火涂料同时具有优良的粘结性能、耐冲击性能、抗弯曲性能及耐火性能，适用于装配式钢结构建筑的专用防火保护；
(2) 预涂装钢结构防火涂料在应用过程中的运输、吊装等环节质量良好，无开裂脱落现象。
致谢
感谢国家重点研发计划项目(2018YFC0807600)及“特殊结构建筑防火阻燃材料”(2018YFC0807602)课题对本文研究工作的资助。
参考文献
[1] 张赟. 膨胀型水性防火涂料的研究[J]. 现代涂料与涂装, 2000(5): 12-14.
[2] 覃文清, 李风. 钢结构防火涂料现状及发展趋势[J]. 装饰装修材料, 1998(5): 12-13.
[3] 张建军, 曾嘉伟, 史聪灵, 等. 室内超薄膨胀型钢结构防火涂料的研制及防火机理分析[J]. 消防技术与产品信息, 2017(2): 8-12.
[4] 刘芳, 孙令, 廖炳新, 等. 水性超薄膨胀型钢结构防火涂料的制备与性能[J]. 塗料工業, 2009, 39(4): 18-21.
[5] 范方强. 水性超薄型钢结构防火涂料的制备及防火作用机理研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.
[6] 王朋. 超薄型防火涂料组分间协效作用研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2016.
NOTES
*通讯作者。