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喷射无机纤维防火护层材料浅谈

 随着我国经济建设的迅速发展，城市建设也不断取得进步，高层建筑、地下建筑大量兴建，石油化工企业迅猛发展，各种交通工具大量投入使用，新工艺、新技术、新产业不断涌现，公共娱乐场所大量出现，社会物质财富迅猛增长等，使引发火灾的因素越来越多，同时增大了火灾发生后控制和扑灭的难度，极易形成群死群伤和财产大量损失的重大恶性事故。
    由于在火灾中建筑物毁坏造成的损失往往会占到整个火灾损失的80％以上，为减少火灾中的经济损失，因此对建筑物的承重结构进行保护是相当必要的。
    现代建筑，大多已不再采纳可燃材料作结构——木结构或土木结构，而采纳不燃材料作结构——混凝土结构、砖混结构和钢结构。尤其是钢结构，由于它具有体积小、重量轻、承载高、施工方便、场地限制少、工期快、不需养护等优点，而越来越广泛地应用到建筑物中。虽然钢结构是公认的不燃材料，但当钢材自身温度达到540。C左右时，其屈服应力仅有常温屈服应力的40％，致使承载能力急剧下降，不可避免地发生变形，造成钢结构建筑物一部分或全部垮塌毁坏。
    为了提升建筑物耐火性能，减少火灾带来的损失,公安部四川消防研究所研究开发出了新一代的防火材料——喷射无机纤维防火护层材料。该材料质轻、无毒无味、吸声、耐候性好、高效隔热、耐火可靠，可实现5h以上高耐火极限保护。适用于建筑物和隧道的防火保护，尤其是耐火极限要求比较高的高层钢结构的防火保护，同样也适用于建筑物的保温吸音和石油化工设备的保温节能。
    国外矿物纤维类防火材料应用已经有100多年的历史了。二十世纪六十年代出现了喷射无机纤维防火材料。最早的喷射无机纤维防火材料主要采纳石棉纤维作原料。后来由于发现石棉纤维对人体有危害作用，很多地方已经明确规定限制使用石棉，人们便找到了人造无机纤维作为石棉的替代品。人造无机纤维有硅酸铝棉、矿棉、岩棉和玻璃棉等，它们都是矿石在高温下熔化后，经喷丝成型而成的纤维。1972年，ASTM(美国材料与试验协会)制定了有关矿物纤维喷射技术及施工规范标准。在2000年修订的ASTM标准中，把这种材料称为SFRM(Sprayed Fire—ResistiveMaterial)，翻译为喷射防火材料，定义为喷射到基材上以提供对基材进行防火保护的材料。它包括喷射纤维类材料和喷射水泥类材料。美国保险商实验室(UL)与加拿大保险商实验室(ULC)出版的产品服务手册中，刊载有大量不同形式的建筑结构，施用喷射无机纤维材料达到不同耐火极限的制定号，供制定、使用者选用。
    喷射无机纤维防火护层材料就属于喷射纤维类材料。该材料主要由一种或多种粘结剂、基料和矿棉纤维组成，经低压空气流通过管道输送到喷嘴口，与雾化水混合喷到需要保护的基材上形成护层。该护层可满足防火保护的基本要求，并有以下优点：
    1．有很好的附着力。
    2．导热率低。
    3．质量轻。
    4．在高温火场中，厚度没有显然变化，护层不熔化、不脱落，能够使被保护构件达到5 h以上的耐火极限。
    5．产品经济，包括材料费、生产费和施工费的总费用低。
    6．耐候性好，能长时间经受昼夜温差和四季温差以及紫外线的侵袭。
    7．能依据用户需要做外观装饰。
    正是由于以上特点，喷射无机纤维防火护层材料在国外已经得到了广泛的应用。例如芝加哥的西尔斯大厦、布鲁塞尔的欧盟办公大厦、欧洲议会大厦、摩根银行大厦、法国巴黎DESIMPOTS饭店、世界阿拉伯学院大楼、法国财政部大楼等。另外，该材料还可以用于特别的防火场合，如核电站、一些有或者可能有碳氢易燃物存在的地方、机场及船舶的防火隔热吸声施工等，以国际上最大的从事喷射无机纤维防火护层材料生产的CAFCO集团为例，其产品的工程施工面积已达到5亿平方米。
    由于喷射无机纤维防火护层材料的制造工艺及设备较为复杂，施工必须使用专用的设备——喷射机，这些设备目前在我国尚无制造厂家，而引进国外的生产施工设备，价格非常昂贵，使得该材料在我国的推广举步为艰。

    我所最新研制成功的喷射无机纤维防火护层材料的生产设备和专用喷射机将填补国内空白。喷射机采纳干料输送方式，输送管内只是空气和干料，因此管道轻，不会产生堵料，物料输送速度可达到6 kg/min，距离可达百米，施工迅速，一次喷射厚度可达20 mm，特别适用于大面积和异形面上施工作业，每次施工后不用清洗管道，材料浪费少。
    喷射无机纤维防火保护技术在国外已非常成熟，已应用二十多年，说明了它的耐火性能有着显然的优势。该材料与我国目前市面上的厚涂型钢结构防火涂料、薄涂型钢结构防火涂料、超薄膨胀型防火涂料在防火性能和理化性能上有着显然的差别。
    厚涂型钢结构防火涂料通常用无机高温粘结剂配以粉煤灰空心微球、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等耐火绝热材料和化学助剂加水配制而成。该涂料分为粘结料和干粉料两部分，在施工现场调配使用。具有容重轻、热导率低、不腐蚀钢材等特点，喷涂10～40mm的厚度，可达1—3h的耐火极限。厚型涂料是通过增加涂层的厚度来提升耐火极限，涂层过厚，就会出现开裂、脱落。如在深圳的某大厦，施用厚型涂料二三年以后出现大面积的脱落，不仅为整幢大楼带来了安全隐患，也使整个消防成本有所增加。该涂料的附着力也存在问题，往往还需用钢丝网加固，这给施工带来了一定的难度。在施工中，由于受到环境影响或施工水平参差不齐，涂层厚度不均匀，致使实际耐火极限下降，最后很可能达不到制定的耐火极限。如该涂料采纳水玻璃作粘结剂，在高温下会出现熔化和滴落，因而难以达到高耐火极限。喷射无机纤维防火护层材料主要成分是无机纤维，其最大特点就是容重轻、热导率低、不腐蚀钢材。施工时通过喷射机的喷射打击，使得粒状棉牢固附着在基材表面，再加上无机粘结剂，粒状棉之间紧密结合形成一体，这样形成的护层粘结性能比较好，不需再用钢丝网加固，减少了施工成本。
    薄涂型钢结构防火涂料是以无机物和有机物复合，磷—氮—炭阻燃体系和硅酸铝等耐火材料匹配，合成树脂作粘结剂，水为溶剂和分散介质，按独特的配方工艺制成，分为面层涂料和底层涂料。具有涂层薄、粘结力强、抗震、抗弯性好、易施工、操作简单等优点。由于该涂料采纳合成树脂作粘结剂，随着时间的推移，涂料的理化性能降低，防火性能下降，致使使用年限减少。 该涂料遇热后膨胀发泡生成磷—炭泡沫，随着火场温度的升高，当磷—炭泡沫的温度达到596度时磷会升华，以后炭也会被烧毁，起阻火隔热作用的泡沫将不再存在，后期起防火保护作用的主要是靠白色残余物来反射热量，因此耐火极限很难突破2小时。
    超薄膨胀型防火涂料以合成树脂为基料，采纳有机溶剂，单组分包装。其优点为涂层薄，表面平整平滑，适用于体育场馆等装饰效果要求相对较高的建筑物。从防火机理来讲，该涂料利用涂层的膨胀发泡来起防火作用，任何影响涂料炭化膨胀性质的因素都将影响其最终的防火性能。由于该涂料是靠有机成分的物理化学反应而起作用的，其中有些成分对湿度、光照敏感，如长期暴露在空气中，特别是潮湿或者长期受阳光直射的环境下，还会出现盐析、分解、降解的现象，导致涂层开裂、脱落等老化失效问题，最终导致膨胀能下降，防火性能也因此降低。而且涂层在高温下产生的炭化层强度有限，通常耐火极限在2小时以内。
    喷射无机纤维防火护层材料不会出现其他防火材料暴露的问题。因为该材料不含有机成分，不会出现任何的盐析、分解、降解反应，就不会带来与之相关的开裂、脱落等老化失效问题，而占主要成分的无机纤维本身就可以作为炉衬材料在火场中起隔热保温的作用。由此可见，利用其优秀的耐火性能作防火材料将进一步提升建筑物的耐火极限。
    喷射无机纤维防火护层材料在进行钢结构耐火试验中，护层厚度为33.8mm，耐火时间达5 h而未到极限，钢梁的挠度变形仅为40.7mm。该材料不仅可满足任何超高层钢结构建筑的耐火极限要求，而且关于相同厚度的厚型钢结构防火涂料来讲，在耐火时间上有着充分的余量，为火灾中的人员疏散和建筑抢险提供了更多的时间。
    随着经济和技术的发展，人们对火灾安全的要求越来越高，对火灾的防范工作日益重视。其中，改变材料的耐火性能，使材料本身能够阻止火灾的发生或蔓延，是防火材料研究和发展的重点。喷射无机纤维防火护层材料开发的最终目的就是为了寻求一种性能可靠、高耐火极限、低廉的护层材料及经济高效的施工技术。该产品的面市，将使我国的钢结构保护技术更上一个崭新的台阶。