随着我国经济建设的快速发展,钢结构建筑因其强度高、承载能力强、自质轻、制造与安装方便、结构美观、施工快捷、抗震性及稳定性好等优点,越来越多地应用于各类工业、公共建筑及民用建筑。钢结构本身为不燃材料,但其屈服应力和抗拉强度在600 ℃以上时急剧减少为原来的50% ~ 60%,耐火极限仅为15 min,无法满足耐火极限设计要求。钢结构防火的主要途径是涂刷防火涂料[2]中国机械网okmao.com。
目前使用的钢结构防火涂料以溶剂型为主,随着环保法规日益完善,人们对环境污染及人身健康日益重视,溶剂型涂料的使用受到越来越严格的限制。但是,水性涂料存在生产废液、粉尘等污染源,有不同程度的污染和危险性; 涂层易产生各种缺陷,装饰性差。为此,本研究制备了一种环保、高效防火的超薄型钢结构防火卷材,促进钢结构防火材料产业向高效、环境友好型发展。
1 实验部分
1. 1 主要原料
P 树脂: 热塑性丙烯酸树脂,工业级,杜邦公司;聚磷酸铵: Ⅱ型,山东世安化工有限公司; 季戊四醇:工业级,保定市国秀化工有限公司; 三聚氰胺: 工业级,山东舜天化工集团有限公司; 钛白粉: Z 型,A 型,河南佰利联化工有限公司; 短切玻璃纤维: 3 ~ 6 mm,郑州祺瑞保温材料有限公司; 双组分热固性聚氨酯胶粘剂: 自制。
1. 2 制备方法
采用聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺制备P-C-N膨胀型阻燃剂,将阻燃剂、增强填料等与树脂混合; 将混合料加入密炼机中混炼20 min; 将混炼料输送入单螺杆挤出机,挤出坯板; 将坯板通过压延机延压成型;切割收卷; 分别制备2. 0 mm、1. 5 mm、1. 0 mm 厚度的钢结构防火卷材。参考配方如表1。
钢结构防火卷材参考配方
1. 3 测试方法
采用6 mm 厚Q235 钢材作底材,1. 5 mm 厚卷材为理化性能待测样品,以聚氨酯胶进行粘结贴覆。测试试件的制备、养护均应在5 ~ 35 ℃,相对湿度50%~80%条件下进行; 试验前,试件在温度( 23±2) ℃、相对湿度( 50 ± 5) % 的环境下调节24 h。以GB14907—2002 作为测试参考标准。
理化性能测试按照表2 所列方法进行。
钢结构防火卷材理化性能测试方法
膨胀性: 试样直径48 ~ 50 mm,放入内径为50 mm,高度为100 mm 的钢制容器中,置于温度为( 540±10) ℃的电阻炉中,恒温30 min 后取出冷却后测量膨胀倍率。
柔韧性测试: 采用GB 1731—1993,观察片材绕轴棒弯曲后是否开裂。
小型耐火性能测试: 采用GB 14907—2002,附加耐火性能测试方法,以平均温度538 ℃,最高温度649 ℃为试验终止条件。
大型耐火性能测试: 由国家建筑防火产品安全质量监督检验中心,按照GB 14907—2002 中6. 5 耐火性能的要求进行检测。
2 结果与讨论
2. 1 树脂含量对钢结构防火卷材性能的影响
P 树脂含量对钢结构防火卷材性能的影响见表3,不同树脂含量的钢结构防火卷材小钢梁耐火极限测试结果见图1。
P 树脂含量对钢结构防火卷材性能影响
不同树脂含量的钢结构防火卷材小钢梁的耐火极限
为保证钢结构防火卷材的使用性能,必须要求其具有一定的柔韧性,树脂含量直接影响卷材的柔韧性,增加树脂含量可以提高防火卷材的耐弯折性能。由表3 可以看到,随着树脂含量的提高,一方面炭层膨胀倍率降低,另一方面炭层熔融下垂程度增加。
由图1 可以看出,树脂含量较高时,钢梁内部温度较高,并且20 min 以后,40%树脂含量的卷材内部温度开始飙升,短时间内即达到测试结束温度,而20%与25%含量则缓慢上升。结合表3 与图1 可知,当树脂含量较高时,炭层膨胀倍率低,卷材的防火隔热性能低,导致内部温度较高;
并且当树脂含量较高,炭层在高温下熔融,当底层强度不能承受上方炭层质量时,膨胀炭层出现下垂,严重时甚至会导致炭层大面积脱落,失去保护作用,导致温度飙升。因此树脂含量以20%~ 25%为宜。同时添加短切玻璃纤维,以增强基层树脂在高温下的强度,抑制炭层熔垂。
2. 2 二氧化钛对钢结构防火卷材耐火极限的影响
二氧化钛是一种重要的颜料,能够增强防火膨胀炭层的强度。本研究分别采用了两种不同晶型的Z、A 二氧化钛进行了膨胀倍率测试与小钢梁耐火极限测试。图2 为不同二氧化钛增强钢结构防火卷材小钢梁耐火极限的测试结果。
不同二氧化钛增强钢结构防火卷材小钢梁的耐火极限
测试发现,添加10% Z 型二氧化钛,膨胀倍率约为35 倍,而10% A 型二氧化钛的膨胀倍率约为45倍。由图2 可以看到,Z 型二氧化钛在进行小钢梁耐火极限测试时,内部温升明显低于A 型。这是由于Z型二氧化钛对炭层增强较大,使炭层较致密坚硬,而A 型尽管膨胀倍率高,但是内部炭层疏松,导致隔热性不好,同时炭层的抗烧蚀能力差。因此,Z 型二氧化钛的增强作用好于A 型。
2. 3 配方优化与检测
针对上述测试结果进行配方优化,获得表4 优化配方及表5 理化性能检测结果。对照GB 14907—2002 中超薄型钢结构防火涂料的技术要求,本研究中钢结构防火卷材的各项理化性能优良,可以达到防火涂料的使用规定。分别对2. 0 mm、3. 0 mm( 2. 0 mm+1. 0 mm) 的钢结构防火卷材进行大型钢梁实烧,升温曲线如图3所示。
钢结构防火卷材优化配方
钢结构防火卷材理化性能测试结果
钢结构防火卷材大型钢梁烧测温度曲线
当钢结构防火卷材的厚度为2. 0 mm 时,在107 min时,钢梁最大挠度达到L/20,失去承载能力,试验终止,耐火极限为107 min; 当钢结构防火卷材的厚度为3. 0 mm 时,在127 min 时,钢梁最大挠度达到L/20,失去承载能力,试验终止,耐火极限为127 min。
3 结语
采用P 树脂、聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、Z 型二氧化钛等,通过挤出压延成型制备了超薄型钢结构防火卷材。其耐火性能与各项理化性能达到超薄型钢结构防火材料的要求,卷材厚度2. 0 mm 时,耐火时限达107 min; 厚度为3. 0 mm 时,耐火极限可达127 min。同时,该防火卷材的生产与使用过程完全环保安全,产品施工便捷,具备优异的装饰性与功能性,是一种环境友好、高效防火、发展潜力巨大的钢结构防火材料,市场发展前景广阔。
致谢:
本项目得到了北京市财政局与北京市科委共同组织实施的" 首都科技创新券" 资助。
张安振1,张建春1,孔祥荣2,3,李亚南2( 1. 精碳伟业( 北京) 科技有限公司,北京100023; 2. 北京建筑材料检验研究院有限公司,北京100041; 3. 国家建筑防火产品安全质量监督检验中心,北京100041)