木结构古建筑中的饰面型防火涂料研究进展与趋势董兴睿

木结构古建筑中的饰面型防火涂料研究进展与趋势董兴睿
发布时间：2023-05-29T13:36:17.119Z 来源：《建筑实践》2023年6期作者：董兴睿
[导读] 随着时代的快速发展，古建筑以木结构为主，在历史上曾多次遭受火灾。

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摘要：随着时代的快速发展，古建筑以木结构为主，在历史上曾多次遭受火灾。

古代工匠积累了丰富的防火智慧，形成了特殊的防火文化信仰。

从木材是世界上四大材料之一，用木材建造房屋的历史非常悠久，早在距今七千年的新石器时代，我国长江流域一带就出现了一种桩上建筑的建筑形式。

木材作为人类最早应用于建筑及装饰装修的建筑材料，具有许多其他材料不可替代的优良特性，它是一种天然、健康且具有亲和性的材料，木结构建筑被称为“会呼吸的房子”，自身重量轻而有弹性，有着优越的抗震性能，还能节省大量能源，施工简单，工期短，经久耐用，是公认的可再生绿色无污染建材，至今仍然活跃在建筑装饰装修领域并占有极其重要的地位。

关键词：木结构古建筑；饰面型防火涂料；研究进展；趋势
引言
我国古建筑大多采用木结构形式，历经千百年岁月发展，保存下来的木质材料往往受到不同程度的风干作用，含水量较低，尤其是枯朽木材，由于质地疏松，干燥气候下极易燃烧起火，引发火灾。

在木材着火时，若能将火源与古建筑木构件进行隔离，则能避免木构件受热起火，起到保护古建筑的作用。

长期以来，木结构古建筑的防火方法研究一直是学术界讨论的重点和热点。

有不少学者提出各种防火措施，主要思路大多为饰面防火或木材防火，前者包括黏土饰面、钢丝抹灰饰面等，后者有粉刷水泥砂浆、包裹防火板材等。

上述相关防火方法虽能起到一定程度的防火作用，但也存在不少缺陷，其防火效果和实际适用性始终难以达到预期。

目前，防火涂料发展迅速，为古建筑防火保护工作提供了一种思路。

研究显示，在物体表面涂刷防火涂料后，在遭遇火灾时，由于涂膜本身具有不燃或难燃特性，因此能有效保护基材，起到隔离作用。

而将防火涂料应用于古建筑木构件中，同样可以发挥防火功能，为灭火工作争取更多的时间。

采用防火涂料实现木构件保护的途径主要为表面涂覆法，通过表面阻燃处理，延缓起燃速度，最终减少火灾损失。

1土木结构古建筑火灾分析
1.1木结构古建筑的构造特点
我国古建筑大多采用的是木构架结构形式，其与目前常见的建筑框架结构类似，具有较好的弹性能力。

木构架可有效地将承载体系与围护体系隔开。

木柱、木梁作为古建筑主要的支承构件，承担屋顶的荷载，外墙起到遮阳、防寒等作业，而内墙则用于分隔内部空间。

由于墙壁只承受自身荷载，类似于填充墙，故而木构架体系赋予了古建筑内部空间极大的设计灵活性。

同时，木构架中的斗栱与卯等均具有一定的伸缩尺度，可减少地震作用引起的危害。

1.2木结构古建筑的火灾特点
（1）燃烧猛烈。

古建筑大多为木构件，表面积大，存在较多拼接缝隙或裂缝，发生火灾时不利于火苗控制。

同时，木构件为易燃物质，火焰传播能力强，故火势极易迅速发展。

另外，古建筑屋盖通常封闭得较为严密，发生火灾后内部烟雾与热气不易发散，导致温度不断积聚，最终形成“轰燃”现象，对古建筑而言，极易引发立体燃烧。

木结构建筑的火灾荷载远超国家标准，危险性极大，防控难度大。

（2）防火间距小。

古建筑的平面布局大多采用基于单体建筑相连而形成组群模式，组合单位一般为庭院。

这种布局方式下的古建筑间廊道相连，缺乏必要的防火分隔或安全距离，一旦某单体建筑的火势未能得到控制，则毗连的木结构建筑也不可避免地将遭受火焰吞噬。

同时，古建筑跨度大，高位窗口众多，火灾发生后易产生“烟囱”效应，进一步增加了火势控制难度。

2饰面型防火涂料及其阻燃机理
2.1组成
饰面型防火涂料主要成分为基料与阻燃剂，为改善性能或便于使用，往往还添加有助剂、溶剂或颜填料等。

将聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、氯化石蜡、钛白粉、滑石粉、黄土、羟乙基纤维素水溶液和自来水混合，用高速研磨分散机分散搅拌20～40min。

分散结束后将浆料与硅丙乳液在低速状态下进行混合，搅拌10min左右，即可制得黄土基膨胀型防火涂料。

2.2阻燃机理
膨胀型防火涂料发挥阻燃作用的主要原因是阻燃体系的存在。

阻燃体系通常分为三部分：酸源、碳源、气源。

酸源一般为无机酸或加热时能产生无机酸的化合物，比如磷酸、硫酸及各种磷酸铵盐、硼酸盐等；碳源一般都是富碳的多羟基化合物，如淀粉、季戊四醇及其二聚物、三聚物等，它是防火涂料形成泡沫炭化层的重要物质；气源也叫发泡源，多为胺或酰胺类化合物，如三聚氰胺、双氰胺、聚磷酸胺等。

试验的阻燃体系由聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺组成。

聚磷酸铵，无机高分子聚合物，简称APP，在200℃受热分解放出NH3和生成
H3PO4，氨气可以稀释空气中氧的浓度，磷酸在300℃以上时极不稳定，进一步脱水形成聚磷酸或聚偏磷酸，生成的水蒸气可以降低被保护基材表面的温度和基材的燃点。

3基于新型材料的古建筑木结构修复方法
3.1古建筑木结构性能分析
在修复之前，需要对古建筑木结构损害程度进行评定。

通过对古建筑木结构力学和物理性能分析，确定古建筑木结构中损坏部件数量和部位。

根据古建筑木材的强度值，可了解到当前古建筑的力学性能，对相关数据进行记录，结合建筑情况，将力学性能较差的古建筑木材构件作为修复对象，按照梁、柱和枋对修复构件进行编号和标记。

3.2糟朽剔补
古建筑木结构修复的目的是通过处理木材病害，增强和加固古建筑木结构。

糟朽是木结构常见的病害之一。

在温湿的环境中昆虫和木腐菌快速繁殖对木材造成损害，这种病害主要出现在古建筑的木桩构件中，利用墩接法对木桩糟朽部分进行剔补处理。

4饰面型防火涂料研究进展
4.1理化、抑烟、阻燃性能研究
以三聚氰胺改性脲醛树脂为基料，结合相关的成炭剂与催化剂，成功制备一种透明饰面膨胀型水性防火涂料，涂料中掺入了抑烟辅助成分——磷酸脒基脲。

通过性能研究，得到以下结果：（1）基于国家规范进行的表征显示，涂料贮藏稳定性优，理化性能良好；（2）通过锥形量热仪测试，验证该涂料板材的烟热、CO、CO2释放量等均比传统的阻燃板和成膜树脂板等更低，表明具有优异的阻燃抑烟作用；（3）由SEM扫描电镜可知，涂层组分有序排列，炭层表面结构致密，阻燃性能良好。

4.2表观特征测量、表征测试、轴压性能研究
将某古建筑的6根杉木构件作为试件，通过涂覆各种透明饰面水性防火涂料，开展了性能效果评价，试验结论包括：（1）磷-氮类阻燃剂对木料的表观特征影响最小，最适合各类古建筑的防火保护；（2）鱗-氮类阻燃剂喷涂于木材表面后没有产生晶体堆积，相比有机磷杂环阻燃剂的表面微观形貌更好；（3）通过40mm×30mm×100mm的木构件轴压试验，发现喷涂阻燃剂后的木构件抗压性能相比未处理试件均更优，其中，喷涂磷-氮类阻燃剂的木构件抗压强度提高幅度最大。

结语
随着环保意识增强和工业技术水平的进步，涂料的主要发展趋势是“5E”，即经济、节能、环保、便于施工以及高性能。

对于木结构古建筑而言，开发性能优良的透明饰面型防火涂料是主流方向。

防火涂料应用于古建筑时，不仅要考虑涂料对木材阻燃性能的影响，还需兼顾木构件的耐火极限以及剩余承载力等力学指标，这方面已有相关试验工作展开，但仍为初级阶段，未来尚需要从更多方面进行探索和研究。

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