建筑钢结构防火涂料的防火性能及发展趋势

摘要：在建筑领域，钢结构因有着轻质高强的特性而得到广泛应用，不过其耐火性能方面的不足却构成了重大安全隐患。作为关键防护手段的防火涂料，借助膨胀隔热或者非膨胀吸热等机理来对钢材温升起到延缓作用，进而为人员的疏散以及消防救援争取到时间。当下的诸多研究大多把关注点放在涂层厚度、阻燃剂配比以及施工工艺给耐火极限所带来的影响上，然而在环保性、耐久性以及智能化这些方向依旧存在着技术瓶颈。在未来，有必要突破传统配方的限制，去开发出具有低污染、自修复以及能适应多种场景特点的产品，以此推动防火体系从被动防护朝着主动预警的方向实现升级，使其能够契合绿色建筑与智慧城市发展的需求。

关键词：建筑钢结构；防火涂料；防火性能；发展趋势

一、引言

近年来，超高层以及大跨度钢结构建筑数量激增的状况下，在保障建筑安全方面，防火涂料的战略地位愈发凸显出来。对于钢材而言，其温度在550℃以上时就会出现强度骤降的情况，而在标准火灾当中，裸露的钢结构仅仅15分钟便能达到临界温度。传统的防火涂料虽说能够形成隔热屏障，可普遍存在着诸如有机挥发物排放、耐候性差这类问题。国内外的学者借助纳米插层技术对膨胀炭层结构加以改良，进而使得耐火时间突破了3小时，不过在高温环境下，涂层开裂剥落的状况依旧对防护效果起到了制约作用。检测手段也从单一的耐火试验转变成了热重 - 红外联用分析的方式，以此来揭示分解气体成分和阻燃效率之间的关联机制。在面对城市更新以及双碳目标的双重压力之时，怎样在防护效能与环境负荷之间达成平衡，这将会成为技术革新的核心命题所在。

二、防火涂料的作用机理及影响因素

对于建筑钢结构防火涂料而言，其是通过物理与化学的双重机制来达成延缓钢材温升这一效果的。就膨胀型涂料来讲，在处于高温的状况下，它会形成多孔炭层，而此炭层所具有的闭孔结构能够对热量传递起到有效阻隔的作用，其中，膨胀倍率以及炭层强度这两个因素会直接对隔热效率产生决定性影响；至于非膨胀型涂料，它主要是依靠高熔点的无机填料来实现吸热分解，以此持续消耗火焰的能量，进而促使基材温度得以降低。涂层的性能会受到多种因素的影响，像是基料树脂的热稳定性、阻燃剂的协同效应以及颜填料的粒径分布等，而采用有机 - 无机杂化体系则能够对膨胀炭层的致密度起到优化的作用。在施工环节方面，基材预处理的质量情况、涂覆的均匀程度以及环境湿度的控制状况，这些都会直接关系到界面粘结强度以及耐火时效。从当前的研究情况来看，通过纳米蒙脱土插层改性的方式，能够使炭层的抗裂性得到提升，并且引入硅氧烷偶联剂还可以增强涂层的耐候性，不过，有机挥发物的排放问题以及长期老化性能方面的不足，依旧对该项技术的迭代形成了制约。

三、建筑钢结构常用的防火涂料及其分类

建筑钢结构防火涂料依据作用机理与涂层厚度可分为膨胀型、非膨胀型及复合型三类。膨胀型涂料以氨基树脂为基体，遇火发泡形成蜂窝状炭化层，其隔热效率取决于磷酸盐阻燃剂与季戊四醇的协同碳化反应，适用于轻量化钢结构防护。非膨胀型涂料依托蛭石、珍珠岩等无机骨料的吸热分解特性，通过硅酸盐粘结剂构建致密陶瓷层，多用于重型工业厂房耐火设计。复合型涂料融合纳米勃姆石与石墨烯增强相，在高温下触发梯度相变，兼顾膨胀隔热与结构补强功能。近年水性环氧树脂基涂料因低挥发性有机物排放，逐步替代溶剂型产品；无机矿物涂料凭借耐候性与抗老化优势，在露天管廊领域应用拓展。涂层厚度从超薄型1毫米至厚型50毫米不等，选择时需平衡耐火时效与建筑荷载限制。

四、建筑钢结构防火涂料的防火性能检测方法

（一）国标规定的检测方法

建筑钢结构防火涂料的国标检测体系以耐火极限验证为核心，依据GB 14907与GB/T 9978等标准构建多层次评价维度。标准耐火试验采用烃类火源模拟建筑火灾场景，通过程序化温升曲线控制炉膛环境，钢构件表面布置热电偶网络实时监测背火面温度变化，耐火极限判定需同时满足540℃临界温度阈值与结构承载力阈值双重条件。涂层厚度检测采用电磁感应测厚仪，依据网格布点法采集截面数据，允许误差范围与设计值偏差控制在±2毫米内确保防护均匀性。粘结强度测试执行划格法或拉拔法，前者借助硬质刀具在涂层表面切割正交网格，观察边缘剥落面积占比；后者采用液压加载装置垂直拉伸试样，量化涂层与钢基材界面在热应力下的失效阈值。炭化层形貌分析结合显微CT扫描技术，三维重构膨胀炭层的闭孔率与孔径梯度分布，揭示磷-碳骨架在高温下的结构演变规律。耐水性、耐冷热循环等理化性能测试模拟极端气候影响，采用盐雾箱与高低温交变箱加速涂层老化过程，评估防护效能的持续性。现行标准虽建立了基础性能评价框架，但未涵盖风振耦合高温、酸雨侵蚀等复杂边界条件，亟待发展多场耦合检测方法提升工程适用性。

（二）国标规定之外的检测方法

国标外的检测方法聚焦于防火涂料在实际复杂环境中的性能演变与微观失效机制。热重-红外联用技术解析涂层热解气体成分，追踪磷-氮阻燃体系的气相-凝聚相协同作用路径，揭示残炭层石墨化程度与隔热性能的关联规律。锥形量热仪量化涂层燃烧过程中的热释放速率与烟密度，评估阻燃剂对燃烧动力学的抑制效能。声发射技术实时捕捉涂层受热开裂的弹性波信号，结合小波变换算法识别裂纹扩展模式，为膨胀炭层抗剥落性提供动态评价依据。微燃烧量热法测定单位质量涂料的热释放容量，精准筛选阻燃剂配比方案。数字图像相关技术通过高温散斑追踪涂层应变场分布，量化热膨胀应力对界面粘结的损伤阈值。工业遗产保护项目中，采用原位光谱反射法监测露天钢结构涂层的紫外线老化进程，建立光氧降解与耐火性能的映射模型。这些方法虽未纳入现行标准，却为智能涂料研发与全寿命周期管理提供了多维数据支撑，其工程价值在海洋腐蚀环境、震动荷载耦合火灾等特殊场景中尤为显著。

五、建筑钢结构防火涂料的发展趋势

建筑钢结构防火涂料正向功能复合化与环境适应性深度演化。纳米羟基磷灰石与层状双氢氧化物杂化技术突破传统阻燃剂迁移瓶颈，在提升炭层热稳定性的同时赋予涂层电磁屏蔽特性。生物基环氧树脂替代石油基黏结剂，配合木质素磺酸钙阻燃体系，推动涂料全生命周期碳足迹降低。自修复微胶囊技术将聚硅氧烷预聚体封装于膨胀炭层内部，实现涂层微裂纹的自主修复，显著延长海洋环境下的服役周期。相变储能材料与防火体系的集成设计，利用石蜡/石墨烯复合相变体在火灾初期的吸热缓冲效应，为人员疏散争取临界时间。智能涂层领域，光致变色示温颜料与无线温度传感节点融合，构建钢结构温升可视化预警系统，已在大型交通枢纽工程中开展验证。喷涂机器人结合BIM模型数据，实现复杂节点涂层厚度的毫米级精度控制，解决人工涂覆导致的防护薄弱区难题。全球环保法规趋严背景下，水性无机富锌涂料的重金属替代方案及低温固化工艺创新，成为工业遗产保护工程的技术焦点。未来涂层体系将更强调耐火时效与建筑美学统一，开发适用于高湿度热带地区的疏水型膨胀涂料，以及适应装配式钢结构快速施工的紫外光固化产品，标志着防火功能向建筑性能多维集成转型。

六、结语

建筑安全理念的深层变革在防火涂料的技术演进中得以折射。钢结构防火的双重防线由膨胀型涂料的多孔炭层设计以及非膨胀型涂料的陶瓷化转变共同构筑而成。现行检测标准存在偏重实验室数据的情况，对复杂服役环境缺乏动态评估，基于此，全生命周期性能预测模型的建立成为了要求之事。灾前预警、灾中控温、灾后自愈的科技雏形已在智能涂层中显现，这是当石墨烯增强相遇见形状记忆树脂，且量子点传感元件嵌入防火基质之时出现的情况。要实现防火体系从量变到质变的跨越，为现代建筑铸就真正的“安全铠甲”，唯有依靠材料科学、结构工程与信息技术协同展开攻关才行。