钢结构防火保护新技术

钢结构防火保护新技术 公安部上海消防科学研究所 200032 边福利 陈栋梁 商德民 摘要 随着大型钢结构建筑的日益增多 钢结构的防火保护越来越受到 人们的关注 硬硅钙板包敷 钢构件的防火保护方法具有强度高 隔热性能好 施工方便 无环境污染 耐久等优点 是 一种理想的钢结构耐火保护方式 本 文介绍了硬硅钙板的生产工艺 技术性能及施工方法 探讨了这种防护方法的 特点及推广前景 关键词 硬硅钙板钢结构防火施工方法 1 前言 大型钢结构建筑建设工期短 收益快 是建造厂房 库房 商场等首选的 建筑结构形式之一 据 1995 年的统计资料 我国建成的 100 幢超高层建筑中 钢结构占了 7 如北京 156 4 米高 的国贸中心 183 5 米高的京城大厦 上海 365 米高的金贸大厦 深圳 310 米高的地王大厦等 可以预测 随着城市规模 的发展 钢结构在我国建筑业的应用具有非常广阔的前景 钢结构建筑具有耐火性能差的致命弱点 在未进行防火处理的情况下 其 本身虽然不会起火燃烧 但火灾时 强度会迅速下降 一般结构温度达到 350 500 600 时 强度分别下降 1 3 1 2 2 3 据理论计算 在全负 荷情况下 使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为 500 左右 而一般火 场温度达到 800 1000 在这样高的温度下 裸露的钢结构会 很快出现塑性 变形 产生局部破坏 造成钢结构整体倒塌失效 2 钢结构防火保护方法 对于钢结构防火保护材料 无论采取何种方法都应具备以下几点 1 安 全无毒 2 易于与 钢构件结合 3 在预期的耐火极限内可有效地保护钢结构 4 在钢构件受火后发生允许变形时 防火保护材料应不至破坏而仍能保持原有 的保护作用 5 经济合理 2 1 喷涂法 目前 我国在大型钢结构防火工程中常采用喷涂法 这种方法有利于梁柱 结点及桁架的处理 但施工时对环境略有污染 防火涂料包括以无机材料为主 的厚型非膨胀涂料 或以有机材 料为主的薄型 超薄型膨胀涂料 厚型防火涂 料的喷涂厚度一般在 10 40 mm 耐火极限可 达 0 5 3 h 甚至更长时间 由于厚型防火涂料的成分多为无机材料 因此其防火性能稳 定 长期使用效果 较好 但其单位重量较大 涂料组分的颗粒较大 涂层外观不平整 影响 建筑 的整体美观 因此大多用于结构隐蔽工程 而薄型 超薄型防火涂料的喷涂厚 度一般 1 10 mm 耐火极限亦可达 0 5 2 h 有些性能较好的涂料即使很薄 也可达到 1 0 1 5 h 的耐火极限 因此某些结构需要暴露 荷载量要求苛刻的 钢结构建筑常采用薄型 超薄型 防火涂料 但薄型 超薄型防火涂料的耐火极 限不高 对于耐火极限要求超过 2 0 h 的钢构 件 其使用受到限制 而且薄型 防火涂料多属于有机膨胀型 由于有机材料的老化而导致涂 料防火性能的降低 也是一个不容忽视的问题 因此薄型防火涂料长期使用的防火稳定性需进 行深 入的研究 2 2 包敷法 钢结构防火保护技术中用普通粘土砖 混凝土作钢结构防火保护层 因保 护层太厚 增加了 建筑物荷载 目前采用的比较少 国外一些工业发达国家 如英国 丹麦 德国 日本等国 较多采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式 包裹 如石膏板 蛭石板 无石棉硅酸钙隔热 板等 包板的厚度根据耐火极限 的要求而定 这种方法具有施工方便 装修面平整光滑 成 本低 损耗小 无 环境污染 施工周期短 耐老化等优点 推广前景好 是钢结构防火保护 新的 发展方向 我国从 80 年代中期着手研究无石棉硅酸钙制品 目前生产的硅酸钙保温 材料主要有三类 一 类是托背莫来石 5CaO 6SiO 2 6H2O 型硅酸钙保温材料 最高使用温度为 650 另一 类是硬硅酸钙石 6CaO 6SiO 2 H2O 型硅酸钙保 温材料 其最高使用温度为 1100 最 后一类是托背莫来石和硬硅钙石混合 晶型的制品 最高使用温度介于 650 1100 之间 由 于硬硅钙石型硅酸钙保 温材料可以耐 1000 以上的高温 因而使用硬硅钙板对钢构件进行包 敷是一 种理想的钢结构防火保护新技术 3 硬硅钙板的生产工艺及性能 3 1 生产工艺 硬硅钙板的原料主要有硅质原料和钙质原料 可用作硅质原料的有粉状石 英砂 硅藻土 硅 灰 膨润土 稻壳灰等 钙质原料包括生石灰 消石灰及电 石渣等 生产硬硅钙板 一般先将硅质原料和钙质原料在高温 200 高压 2MPa 条 件下经过动态 水热反应制备成硬硅钙石活性浆料 反应过程为 6SiO 2 6Ca OH 2 6CaO 6SiO2 H2O 5H2O 然后在料浆中加入耐碱玻璃纤维 棉纸浆纤维等增强材料 搅拌均匀后压滤成 型 再将成型 后的湿坯烘干 制成容重小 导热系数低的硬硅钙板 硬硅钙 板的生产工艺路线如下 3 2 国内外主要产品的技术性能 硬硅钙板技术性能指标 国内外主要产品的技术性能 从上表可见 目前国内生产的硬硅钙板已达到国际先进水平 可满足钢结 构防火保护的要求 4 钢构件的防火保护结构 根据钢构件种类 外形 安装部位 防火要求的不同 需要有不同的设计 结构和施工方法 科学 合理地设计安装结构 对耐候性能有很大的影响 即 使同一种板材 保护相同的钢构件 设计结构不同 会得到迥然不同的结果 科学的钢结构防火保护会大大提高钢结构的耐 候性能 一般用板材保护钢构件的典型结构如图所示 4 1 钢梁的保护结构 硬硅钙板 15 mm 厚 硬硅钙板 20 mm 厚 结合缝条 自攻螺丝 钢梁 图 1 图 1 是用硬硅钙板保护钢梁的示意图 内衬 100 mm 宽 25 mm 厚的结合 缝条 硬硅钙板通过自攻螺丝固定在结合缝条上 硬硅钙板厚 15 mm 和 20 mm 钢构件耐火极限 2 0 h 下列图 2 图 5 是不同安装部位的钢梁的包敷方 式 4 2 钢柱的保护结构 钢柱 硬硅钙板 15 mm 厚 硬硅钙板 20 mm 厚 结合缝条 自攻螺丝 图 6 图 7 安装方法 见图 6 安装方法 见图 7 直接包敷钢柱 D 12 mm 包敷在轻钢 龙骨上 图 6 是硬硅钙板直接包敷钢柱的结构示意图 板材通过自攻螺丝固定 板 材厚度 15 mm 和 20 mm 钢构件耐火极限 2 0 h 图 7 是硬硅钙板包敷在轻钢龙骨上的结构示意图 轻钢龙骨规格为 40 20 0 6mm 或以上 板材通过自攻螺丝固定在轻钢龙骨上 板材厚度 15 mm 和 20 mm 钢构件 耐火极限 2 0 h 下列图 8 图 10 是不同形状钢柱的包敷方式 图 8 图 9 图 10 构件的耐候性能和施工性是评价耐火保护结构设计是否先进 科学合理的 主要考核指标 好的耐火保护结构应具有施工方便 快捷 高效和耐候性能好 等优点 在具体施工过程中应根据现场施工要求和条件选择合适的施工方式 5 结论 硬硅钙板是代表 90 年代国际先进水平的理想钢结构耐火保护新型装饰防 火板材 特别适用于 高层 超高层 高级写字楼 高级宾馆 大型商业中心 娱 乐中心 计算机房 大型工业厂房 库房等钢结构建筑及防火重点区域的防火 保护和装饰工程 硬硅钙板以 CaO 和 SiO2为主要原料 经高温高压水热反应 配以增强纤 维压制成型 具有质轻 强度高 隔热性能好 尺寸稳定等特点 可任意锯 钉 钻 削 刨等加工 可直接在工厂或现场锯裁 现场拼接组装 施工方便 该板材无毒 不含石棉 在高温或发生火灾时不产生有害气体 其主要成分为 硬硅钙石 理化性能稳定 可长期使用 为半永久性材料 可确保耐火性能几 十年基本不变 它的耐候性能是钢结构防火涂料所无法比拟的 用硬硅钙板保护钢结构具有施工方便 损耗少 效率高 不受季节和气候 影响 无环境污染 施工费用低 耐久等优点 必将成为设计部门 施工单位 和用户的首选方案之一 推广应用前景看好 参考文献 1 袁凤林 孙永生 硅钙板用于钢结构防火保护的技术研究 新型建筑材 料 32 35 1999 9 2 余志伟 粉石英在微孔硅酸钙保温材料中的应用研究 华东地质学院学报 233 23 7 1997 9 3 倪文 邹一民 硬硅钙石活性料浆反应机理研究 新型建筑材料 31 33 1998 1 4 毛仲佳 超轻型硅酸钙保温材料的研究 硅酸盐通报 50 54 1997 1 5 ARAI Y et al Gypsm Lime 248 1994 17 6 US 5 468 290