建构筑物被动防火材料解决方案及其性能测试

建构筑物被动防火材料解决方案及其性能测试

摘要

在建筑物和土木工程结构中，使用主动和被动防火。主动防火包括自动火灾探测和灭火系统，而被动的消防保护的主要目的是试图遏制火灾或减缓他们的蔓延。本文介绍了被动防火材料的解决方案，并阐述了它们的作用方式。从隔热屏障出发，吸热型建筑材料，包括混凝土和石膏，以及基于碱激活的粘合剂的新的解决方案。混凝土被认为是防火的，在结构的几种火灾已造成混凝土构件的剥落，危及结构稳定性。在这种特定的情况下，将聚丙烯纤维（聚丙烯）添加到混凝土可作为一个被动保护系统。另一组被动防火材料，在本文档中描述的，是膨胀和烧蚀的钢结构防护材料。目前的手稿介绍了在火灾条件下的被动防火测试技术。

1介绍 在建筑物和土木工程结构，如隧道，包括主动和被动防火保护。主动防火包括自动火灾探测和灭火系统，而被动的消防保护的主要目的是试图遏制火灾或减缓他们的蔓延。消防系统使用的目的是保持建筑构件的温度（钢结构件、电气安装）在有限的时间内控制波纹管的临界温度。

用于此目的的被动防火材料解决方案如下

I ）隔热屏障

II ）吸热建筑材料，包括混凝土和石膏

Ⅲ）基于碱激活粘合剂的新的解决方案。

在这个清单中的材料是消防保护材料。建筑物和隧道的火灾已造成混凝

土构件的剥落，危及结构稳定性。在这种特定的情况下，聚丙烯纤维（聚丙烯）添加到混凝土配合比作为一个被动保护系统。顾名思义，被动防火在系统中处于不活动状态，直到发生火灾才作用，在混凝土中的聚丙烯纤维也一样。 另一组被动防火材料，在本文档中描述的，是膨胀和烧蚀的钢结构防护材料。钢是非常敏感的，550°C 被认为是结构钢的临界温度。因此，如被动保护系统的措施，必须采取延迟钢结构过热，通过钢和火之间的一层隔膜。本手稿描述了在火灾条件下的被动防火系统的测试技术。

2. 被动防火材料解决方案

2.1. 隔热屏障 有各种各样的隔热材料可用于隔热。然而，在测试防火热绝缘体，可以发现只有很少的材料可以实际抵抗火灾。矿物棉、膨胀集料和纤维素是耐火材料的代表。

矿物羊毛，也被称为岩羊毛或矿渣棉是最古老的类型的绝缘组成的不可燃物，天然耐火石羊毛。它可以承受温度1000°C 。超过1000°C 开始融化。矿棉可用于夹芯板耐火芯，钢结构构件的防火屏障（图一），并作为工业管道防火罩等。精心设计和紧密内置的绝缘屏障，因此是一个有效的被动防火保护材料。 其他矿物材料有膨胀珍珠岩、页岩、粘土、板岩和蛭石。非可燃性结合高的热绝缘提供了固有的结构完整性。发生火灾后，它成为建筑施工的被动保护的首要选择。高度多孔的聚集体不同程度地吸收水分，这取决于它的类型。在火灾试验中的总水分的存在扩展了火灾持续时间的时

间，当水分变成蒸汽，并从材料蒸发。 最后，纤维素绝缘是一个松散的形式。像再生纸，报纸，纸板或其他类似的材料，它被看作是一个环境友好的保温材料。虽然材料的成分与高易燃性相关，化学处理的硫酸铵和硼酸为不燃性。更重要的是，因为一个高致密的纤维素，从而可以最大限度地减少火灾的蔓延。由于纤维素绝缘是一种松散的材料，它只能作为填充的屋顶，地板和墙壁空间，所以外部结构的一部分是直接受到火灾。

2.2. 混凝土和石膏等吸热建筑材料 混凝土俗称防火不燃材料，因此它已被用来作为一种基本耐火材料。混凝土本身含有自由水，而且水泥浆体是由大量的水合晶体制成的，所以它含有大量的结合水。在火灾情况下，自由水从热暴露的表面蒸发，并以这种方式吸收了很大一部分热量，从而导致结构构件内部的温度最小化。在下一步中，CSH 凝胶的脱水过程发生，以及氢氧化钙分解当混凝土被加热到500–550°过程的吸热反应。 然而，最近的技术发展和高强度结构的需求的增加，也引起了混凝土技术的发展。在钢筋混凝土结构中，用普通混凝土保护钢筋，它提供了预期的抗火性能。另一方面，如喷涂料，用于钢结构构件的防火保护（梁、柱）不推荐因为剥落的风险，在钢筋与混凝土之间的接触层开裂或剥离。石膏（硫酸钙）是一种在沉积岩中发现的结晶形成的矿物，能够去除烟气二氧化硫。石膏墙板是一种有效的被动防火保护。由于石膏含有约20%的化学液体，它在火灾的情况下可以蒸发，并尽量保护内部结构，减少蔓延的火灾。如前所述。此外，石膏板是完全不燃材料，即使水全

部蒸发，它仍然是一个隔热屏障。

石膏板生产商提供各种各样的产品及其应用范围，包括：组装在墙壁和天花板表面，墙板，以及在电梯竖井内等等。石膏板也可以用于构建两地区之间的防火分隔，提供耐火层。然而，在石膏防火板，密封涂料是最重要的。

2.3基于碱激活粘合剂的新型溶液

如前所述，波特兰水泥基混凝土不燃烧，它是吸热的，然而一些混凝土，特别是像活性粉末混凝土这样的低水灰比，由于其高密度、低透气性特别容易受到火灾爆裂。波特兰水泥的替代粘合剂是最近开发的碱激发胶凝材料（聚合物）。他们是无机的，环保的粘合剂。

根据[ 1 ]水泥进行测试（Na 、Ca ）- Poly（铝硅酸盐）和（k ，Ca ）聚（铝硅酸盐）是描述一个类似的初始结构性能的高性能的波特兰水泥。这些材料的初始抗压强度分别为90兆帕和100兆帕。在与火负载接触，碱激活粘合剂保持其机械性能高达1200°C 的温度，而波特兰粘合剂提出了一个在约400°C 的性能退化，如图2。

可以看出，碱活化后的粘结剂材料暴露于高温后的强度。当温度升高时。我们可以从对聚合物材料的结果看出波特兰水泥混凝土损失比低得多。 作为一种被动的防火，碱激活粘合剂法同样吸热建筑材料。化学键合的水从暴露的表面蒸发，并以这种方式吸收了很大一部分热量，从而导致结构构件内部温度的最小化。

他们是比较具体的被动保护，碱激活粘合剂的特点在火灾持续时间的长期负荷承载能力，并可能获得更高的机械性能。此外，聚合物可以通过

防火提供优良的燃烧，是不燃烧气体，不是有毒气体和烟雾，所以他们可以预防火灾。

三. 聚丙烯纤维作为混凝土的被动防护 使用一个有效的和众所周知的技术以防止和减少波特兰水泥混凝土的剥落，包括使用聚丙烯（聚丙烯）纤维。即使在标准中，人们可以找到有关聚丙烯纤维的剂量，使能防止和减少剥落发生的建议。

在温度约170ºC 、PP 纤维开始融化。此外，聚丙烯纤维的热膨胀系数是混凝土热应变的8.5倍以上。这种特征导致的拉应力和混凝土的渗透性增加，从而降低了在材料孔隙中的水蒸气压力。

在科学界，聚丙烯纤维可以在一定程度上降低剥落风险。在HPC （高性能混凝土）和非常严重的火灾场所，剥落可以观察到。因此，旨在了解影响剥落的关键因素的进一步研究是非常必要的。

4。膨胀和烧蚀材料

防火屏障，创建防火分隔防止火灾蔓延。较大的建筑物分离成更小的防火隔室，增加了建筑人员的安全性。有效的防火隔屏障密封所有的开口，如电气服务。电气服务传输功率的电缆放在电缆桥架或电缆槽。在传输线的情况下，电缆本身的防火保护是最高的价值。为了分离场所火灾，膨胀材料开口往往密封，通常被用来作为保护漆像电缆保护涂层。

4.1。膨胀材料

膨胀材料包括水溶剂，油漆涂料或环氧基等。它经历了复杂的化学反应，在200℃到250°C 其体积显著膨胀，降低其密度和膨胀层导热系数。膨胀材料可以分为两个主要类型：薄膜和厚膜涂料。

超薄型钢结构防火涂料包含了约1–3毫米厚的水或溶剂的漆层。复层通常是由三个独立的部分组成：底漆层、基础层，防火和密封提供的密封涂层。下面要提到：在特定的温度下，丙烯酸树脂软化，发泡剂分解，同时熔化的丙烯酸树脂产生大量的可燃气体。这些气体包括二氧化碳、氨和水蒸气。由于大量的游离气体的存在，这样的膨胀层可以承受一个甚至120分钟的火灾负荷。这种涂料可应用于钢结构。关闭侧的应用程序是更昂贵的，但涂层和外观的密封性更准确。薄膜涂料通常用于保护工业和商业建筑中发生的纤维素型火灾。

厚膜型材料在烃类火灾的风险比纤维素的更严重，主要是在高层建筑和隧道发生。它是环氧基，而不是水或溶剂，从与水接触的钢件的腐蚀提供额外的保护。厚膜涂料可用于喷雾剂，用镘刀或采用铸造，加工成高质量的、坚硬、光滑的表面。这种涂料的特点是比薄膜更高的膜厚度。然而，在火灾条件下的工作原理是相同的，所描述的薄膜涂层，在这种情况下的膨胀比达到5倍的初始值。由于对水环境具有较高的抗水性，这些涂料经常被用于离岸结构，以钢免元素受腐蚀并保护海洋环境。

5。被动保护测试

一般来说，被动保护测试是根据标准中描述的具体的指导方针和程序来进行的。在火的被动保护试验，材料应归类为不可燃或易燃。此外，大多数的标准和准则需要通过测量材料的传热和火焰持续时间内的材料的火焰传播。另外，在试验报告中应注意到烟雾和有毒气体的产生。 火灾试验不单独考虑材料。一个完整的系统定义了压力条件下加热制度的测试方法，确定火灾电阻和仪器仪表的测试设置标准。

一般情况下，在火灾试验中，我们可以区分几个类型的时间-温度曲线，其次是研究人员，以反映预期的火灾条件（图3）。在工业区或商业区的被动保护测试，ISO 834-1曲线用纤维素火。它反映了一般建筑材料的燃烧率。在燃烧的汽车、油罐车、危险建筑、汽油或其他化学品船发展更快，温度超过ISO 834-1曲线。在这种情况下，应使用碳氢化合物（HC ）曲线。 在被动保护测试的情况下，如果绝缘标准不再满足，没有必要继续测试更长的时间。此外，只要它是所需的设计目的，要确定被动保护的有效性，测试就应该持续。测试的持续时间取决于电阻R ，这是标准的定义：R15、R20、R30，R45，R60，R90，60min ，R180，r240，那里的数字意味着短时间的几分钟内，其结构应能承受在火灾荷载。 如果在规定的时间内，受保护的结构不暴露于火灾，而且测试系统的结构部件的承载性能不下降，那这样的被动保护被认为是有效的。