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油漆与防火涂料在钢结构设计中的选用

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：文花平1 赵春亮2

[导读] 摘要：钢结构的防腐油漆与防火涂料设计时的选择往往被广大设计师所忽视，广大设计师对防腐规范熟悉和理解不够，对于底漆、中间漆、面漆的由于不熟悉，导致选择上比较迷茫，本文通过与国内一些大型油漆涂装厂家进行交流沟通，给出油漆涂装的一些常规做法及建议。

        1杭州千城建筑设计集团股份有限公司浙江杭州 310053；
        2浙江中南建设集团钢结构有限公司浙江杭州 310051
        摘要：钢结构的防腐油漆与防火涂料设计时的选择往往被广大设计师所忽视，广大设计师对防腐规范熟悉和理解不够，对于底漆、中间漆、面漆的由于不熟悉，导致选择上比较迷茫，本文通过与国内一些大型油漆涂装厂家进行交流沟通，给出油漆涂装的一些常规做法及建议。广大设计师对于防火涂料的设计，以前往往只是根据建筑确定的耐火等级，设计说明中只是标注主要构件的耐火时间要求，对防火涂料的性能要求并未明确，随着《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017的执行，涂料厚度必须依据GB51249 按耐火承载力验算得到，防火设计已是结构问题，需结构工程师验算确定。
        关键词：无机富锌底漆；表面粗糙度；非膨胀型防火涂料；膨胀型防火涂料；
        Key words：inorganic zinc rich primer；surface roughness；non intumescent fire retardant coating；intumescent fire retardant coating；
        1钢材腐蚀原理
        钢材的锈蚀是一种“电化腐蚀”。防腐蚀的原理是微电池的两极间流动的电流尽可能减少。为此可采用概念性方法有：1）使金属表面的性质尽量均匀，以减少各部分的电位差；2）抑制微电池两极中任一级的反应；3）使金属表面钝化；4）通过在金属表面上覆盖一层电阻高的物质，即在微电池间加入高的电阻，达到使电流变小的防锈效果。其中，与1）项相应的方法是进行金属表面预处理，除去钢材表面上的锈和轧制氧化皮，以及将它们化合成保护膜方法。与2）、3）项相应的方法是涂装防锈的方法，其中与2）相应的方法是采用包含大量像锌粉那样的比铁电位低的金属颜料作的涂料来涂装金属表面。与3）项相应的方法是采用含有碱性铅颜料作涂料，由于这种可溶性铅化物的作用，铁显示出较一般速度小得多的腐蚀速度。与4）项相应的方法，一般是采用金属覆盖的方法，例如电镀、化学镀、溶化镀和金属喷镀等。
        2常用防腐做法选择
        1）常规防腐方案：低防腐要求的轻钢厂房，钢结构建筑。
        醇酸防锈底漆：2道，颜色（铁红/中灰），干膜厚度70μm，丙烯酸防腐面漆：2道，颜色（各色），干膜厚度80μm，总干膜厚度150μm；使用说明：①适用于ISO9223-2012规定的C1-C2腐蚀环境，不适用海洋大气环境和具有一定酸碱腐蚀的环境。②可满足户外5年以上防腐，室内8年以上防腐。③具有优异的户外耐候性能，保色性好。④醇酸漆是一种链状结构，年限较低，一般用于厂房，价格比较便宜。
        2）钢结构长效防腐方案：高层钢构、桥梁、场馆、大型厂房。
        环氧富锌底漆：2道，颜色（灰色），膜厚度60μm，环氧云铁中间漆：2道，颜色（灰色），干膜厚度100μm，聚氨酯面漆：2道，颜色（各色），干膜厚度60μm，总干膜厚度不低于220μm；使用说明：①适用于ISO9223-2012规定的C3-C5腐蚀环境中至重腐蚀环境中的钢结构表面防腐，比如，海洋大气环境，酸碱腐蚀环境。②可满足户外10年以上防腐，室内20年以上防腐。③环氧富锌漆的机理是环状结构，对钢材表面要求不高，单价较无机富锌漆略高，现在比较常用；
        3）钢结构长效防腐方案：高层钢构、桥梁、场馆、大型厂房。
        无机富锌底漆：2道，颜色（灰色），膜厚度60μm，环氧云铁中间漆：2道，颜色（灰色），干膜厚度100μm，聚氨酯面漆：2道，颜色（各色），干膜厚度60μm，总干膜厚度不低于220μm；使用说明：①适用于ISO9223-2012规定的C3-C5腐蚀环境中至重腐蚀环境中的钢结构表面防腐，比如，海洋大气环境，酸碱腐蚀环境。②可满足户外10年以上防腐，室内20年以上防腐。③无机富锌漆对抛丸的处理要求高，钢材表面除锈等级要求≥Sa2.5，且底漆与钢材表面留有足够的化学反应时间24h以上，故无机富锌漆对加工要求高；
        4）钢结构超长效防腐方案：高层钢构、桥梁、场馆、大型厂房。
        环氧富锌底漆（80%）：2道，颜色（灰色），膜厚度80μm，环氧云铁中间漆：2道，颜色（灰色），干膜厚度150μm，聚氨酯面漆：2道，颜色（各色），干膜厚度80μm，总干膜厚度不低于310μm；使用说明：①适用于适合新建的高层建筑、桥梁、场馆、大型厂房等。②具有超强的防腐性能，耐盐雾，耐老化时间2000小时以上。③中度腐蚀环境，户外防护25年，室内防护 40-50年。
        3常用防腐涂料施工注意事项
        丙烯酸/醇酸防锈底漆、环氧富锌底漆、水性环氧底漆配套环氧中间漆、面漆。在每道漆表干之后即可进行覆涂，最长覆涂时间不要超过7天，以免影响层间附着力。无机富锌底漆则比较特殊，要求底漆实干之后才可进行中间漆和面漆的覆涂，否则会造成底漆与中间漆附着力不好的情况（专门的施工规范）。无机富锌涂料属化学固化型涂料，依靠化学反应固化成膜。因此要保证无机富锌底漆与钢材表面有足够的化学反应时间。
        表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度增大了钢材与涂层的接触面积，提高了涂层对底材的附着力。但表面粗糙度不能过大，否则在波峰处往往引起厚度不足，引起早期点蚀，而在波谷凹坑里截留气泡，成为涂层的鼓泡的根源。建议表面粗糙度控制在40~ 75μm范围内。
        施工场所应保持良好的通风，如在相对密闭的场所施工，应采取有效的辅助设施，如工业风机、风扇等，加强施工场所的空气流通。环境温度不低于5℃，基材表面温度应高于露点温度3℃以上。相对湿度应小于80%，如连续阴雨、相对湿度超多80%，建议停止施工，或采用辅助的通风设备，加强空气流通，确保正常干燥。雨、雪、露天气不能在户外施工。如构件已施工且漆膜未实干，应采取篷布遮挡的方法保护漆膜，或构件移至室内保护。
        构件表面采用抛丸或喷砂的方法除锈，达到GB/T8923.1-2011中规定的Sa2.5级，表面粗糙度应控制在40-70μm。构件表面的油脂等污垢，推荐用具有中度碱性的水性清洁剂清除油污，然后用清水冲洗干净。喷涂前，可采用干燥洁净的压缩空气，将构件表面吹扫干净。构件表面处理后6小时内完成喷涂工序，如遇潮湿天气，时间应缩短至4小时内。
        4钢结构防火保护的原因
        在发生火灾15分钟后，烟气温度达到700度左右，钢构件达到500度，钢材强度和弹性模量衰减45~60%；30分钟后会衰减80%左右，此时，构件会因其承载力或刚度不足，发生强度或稳定破坏，乃至整体倒塌。在火灾发生时，建筑发生破坏前也应留有足够的时间给人员逃生和消防救援。因此，如何控制钢结构在火灾下的升温速度和升高温度，经受足够长时间的火灾高温，是钢结构防火设计的核心。统计表明：未做防火保护的钢结构建筑，在火灾发生后20分钟左右就会发生整体倒塌。
        5高温下防火涂料的特性
        钢结构在火灾高温下的极限变形是L/20 ，称为耐火承载力极限状态（详GB14907）。这个高温状态极限变形值远超过正常使用状态构件变形限值，如挠度限值1/400、1/250和位移限值1/500、1/800等。因此，防火涂料除了首先要具备优异的“隔热性能”外，更要具备在高温大变形发展时同步变形的能力，称之为“耐热性能”或“工作性能”。燃烧时间越长，火场温度越高，构件变形越大，防火涂料越要能完整、完好的附着在钢材上而不被拉裂、不被脱落，简单说就是涂料不能被烧坏。因此，防火涂料不但是导热性低的隔热材料，更是粘性好韧性好的耐热材料，隔热性和耐热性是防火涂料的防火性能“二要素”，缺一不可。所以，结构设计文件必需对性能“二要素”作出明确要求，即GB51249第3.1.4条规定的“性能指标—干密度、粘结强度和抗压强度”。
        6防火涂料与建筑材料的区别
        防火涂料在钢构件发生L/20大变形过程中，不开裂的“大变形性”和不脱落的“高粘结性”，是防火涂料区别于普通建筑材料最重要的不同点，也是防火涂料最重要的特性，更是区分防火涂料性能高低、品质优劣的关键要素。对防火涂料有磕碰、外挂重物等额外性能要求时，应综合考虑涂料的三个理化指标。应明确防火涂料采用石膏基还是水泥基，水性还是溶剂型，原因详见后文。类似设计应明确选用钢材是碳素钢、低合金钢还是高建钢的情况。
        7常用防火设计数据
        1）、结构设计师应根据建筑类型、功能、重要性，对钢构件进行防火等级分类。
        2）、耐火极限应根据构件在竖向荷载作用下的受力重要级和传力次序级，和不低于被支承构件耐火极限的原则，按照《建筑设计防火规范》GB50016之第5.1.2、5.1.4条规定来确定。
        3）、非膨胀型的等效热传导系数数值范围：0.07～0.11；膨胀型等效热阻数值范围：0.2～0.5。
        4）、附录：公安部消防局“建筑高度大于250米民用建筑防火加强性技术要求”规定：
        ① 承重柱（包括斜撑）、转换梁、结构加强层桁架的耐火极限不应低于4.00h；
        ② 梁以及与梁结构功能类似构件的耐火极限不应低于3.00h；
        ③ 楼板和屋顶承重构件的耐火极限不应低于2.50h；
        ④ 核心筒外围墙体的耐火极限不应低于3.00h；
        ⑤ 电缆井、管道井等竖井井壁的耐火极限不应低于2.00h；
        ⑥ 房间隔墙的耐火极限不应低于1.50h、疏散走道两侧隔墙的耐火极限不应低于2.00h；
        ⑦ 当采用防火涂料进行防火保护时，应采用厚涂型钢结构防火涂料。
        8防火涂装技术要求
        1）、防火涂料应满足国家应急部等法规要求的产品进入市场的各项准入规定。同时，应具备通过GB14907-2018 新版标准的型式检验报告以及自愿性认证证书。
        2）、防火涂料不应含有石棉和玻璃纤维等有害物质，严禁采用苯类溶剂类产品。应通过烟气无毒检测评估，不低于AQ2 级别。
        3）、采用防火涂料保护的涂层厚度不应低于：非膨胀型15mm，膨胀型1.5mm。
        4）、防火涂料应具有很好的韧性和粘结性，施工工艺应确保其附着力和抗裂性能，严禁涂层空鼓、开裂、脱层和脱落。大面积施工前应对施工工艺进行样板检验。
        5）、应提供具备资质的机构出具的等效导热系数或等效热阻的测试报告。
        6）、防腐中间漆或面层腻子、面漆等涂覆物与防火涂料应具有很好的物化和耐火相容性，具有相容性报告。
        7）、防火涂料耐久年限应不低于 30 年。施工环境温度5～35 度，湿度小于85%，严禁高温和冬季施工。
        8）、防火涂料的干密度、粘接强度、抗压强度和等效导热系数或等效热阻不满足设计要求时，必须进行防火设计变更，重新计算涂层厚度。
        9）、非膨胀室内型防火涂料尚应满足如下要求：
        9.1 采用低碳节能、绿色环保、轻质高效的石膏基质防火涂料，用于室内钢构件和涂料外侧有包覆做法的非裸露室外钢构件。
        9.2 防火涂料的粘结强度应>=0.10 MPa，抗压强度应>=0.3 MPa 且<=0.65 MPa，干密度应<=400 Kg/m3。（注：防火涂料指标是防火设计的重要内容，也是保证涂料耐火性能的重要参数，应依据设计情况来确定。不应写成“满足GB14907指标要求”之类描述，因为进入市场的产品都是达到GB14907规要求的。）
        9.3 采用机械喷涂工艺施工，涂层厚度不大于45mm 时，连续喷涂，一次成型。
        10）、非膨胀室外型防火涂料尚应满足如下要求：
        10.1 采用无玻璃纤维的水泥基质防火涂料，用于涂料完全裸露的室外钢构件。
        10.2 防火涂料的粘接强度应>=0.2 MPa，抗压强度应>=0.5 MPa 且<=2.0MPa，干
        密度应<=620kg/m3。
        10.3 防火涂料采用机械喷涂或人工抹涂工艺，分3～5 层施工，第一层厚度3～5mm，逐层增加厚度，前一层完全干燥后方可进行后一层施工。
        11）、膨胀型防火涂料尚应满足如下要求：
        11.1 防火涂料不应含卤素，VOC 含量应满足国家相关标准。
        11.2 防火涂料的粘结强度应>=0.5 MPa，任何耐火极限下的涂层厚度均不能低1.5mm；最大涂层厚度与对应等效热阻见下表：

        注释：对于计算得到的不同等效热阻值，设计师可以限定涂层的最大允许厚度。
        膨胀型涂料的膨胀率至少30倍，建筑构造设计必须要给涂料预留足够的膨胀空间。
        11.3 建筑设计构造做法中应给涂料膨胀预留足够的空间，涂料膨胀后厚度等于膨
        胀倍率*涂层干膜厚度。
        11.4 防火涂料表面上的面漆对涂料膨胀不应产生约束围箍效应，应具有证明或试验报告。严禁面漆过厚过硬，限制防火涂料的膨胀；防腐漆与防火涂料组成的配套系统应通过循环腐蚀测试。
        11.5 耐久年限应不低于15 年，材料不分解、不粉化，耐火性能不降低。
        11.6 体积固体分应不低于60%，即干膜厚度与湿膜厚度的比值。
        结语
        通过以上与防腐、防火涂料厂家的技术交流，及查阅国内外相关规范及资料，对于钢结构防腐、防火设计上的一些常规做法进行归纳总结，对于施工中的一些注意事项进行列举，供广大设计师参考选用。
        参考文献：
        [1]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（第四版）[M].中国建筑工业出版社，2019.2.
        [2]《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017）[s].北京：中国计划出版社，2018
        [3]《建筑设计防火规范》（JGJ99-2015）.北京：中国建筑工业出版社，2015。
        [4]《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）[S].北京：中国建筑工业出版社，2018
        [5]《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046）
        [6]《钢结构防火涂料》（GB 14907）北京：中国计划出版社，2002.
        [7]李国强等.钢结构防火计算与设计.北京：中国建筑工业出版社，1995.