Sơn là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để bảo vệ kết cấu thép khỏi sự ăn mòn và hư hại do điều kiện môi trường khắc nghiệt gây ra. Trong thực tiễn, bên cạnh các ứng dụng bảo vệ chống ăn mòn, kéo dài tuổi thọ công trình, các nghiên cứu mới đã phát triển ra dòng sơn ứng dụng như một phương tiện phòng cháy chữa cháy – “Sơn chống cháy”. Các loại “Sơn Chống cháy  – Intumescent coating” được sử dụng như một giải pháp bảo vệ công trình kết cấu thép khi có hỏa hoạn xảy ra, phù hợp với các quy định về phòng cháy chữa cháy.

Tầm quan trọng của bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép

Kết cấu thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng nhờ tính chịu lực cao, độ bền và khả năng thi công nhanh. Tuy nhiên, trong các đám cháy, chỉ trong một khoảng thời gian ngắn (10-15 phút), nhiệt độ đám cháy có thể đạt mức nhiệt 800^oC (đám cháy cellulose – ISO 834) thậm chí  1000^oC (đám cháy Hydro cacbon – EN 1363-2). Nhiệt độ cao là một trong những yếu tố gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu thép, theo tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn Eurocode 3 – EN 1993-1-2 ở nhiệt độ 500 độ C thép mất đi 40% khả năng chịu lực, ở nhiệt  độ 800^oC mất khi 80% khả năng chịu lực, khi đó, công trình có nguy cơ bị sụp đổ gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản.

Phòng cháy chữa cháy cho công trình xây dựng luôn luôn là một quyết định quan trọng và nên được xem xét một cách cẩn thận ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu. Ở nước ta, theo luật 55/2024/QH15 và QCVN03/2022:BXD thì việc sử dụng các vật liệu chống cháy làm tăng giới hạn chịu lửa cho cấu kiện xây dựng càng được chú trọng. Sơn chống cháy cho kết cấu thép là một giải pháp hiệu quả nhằm tăng giới hạn chịu lửa cho cấu kiện, đáp ứng được các yêu cầu về phòng cháy cháy cho các công trình sử dụng kết cấu thép và ngày càng được ưa chuộng.

Vai trò của sơn chống cháy trong bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép

Như đã đề cập bên trên, kết cấu thép mặc dù có khả năng chịu lực rất tốt ở điều kiện thường, nhưng lại mất nhanh độ bền khi gặp nhiệt độ cao, đặc biệt trong các vụ hỏa hoạn. Việc sử dụng sơn chống cháy cho kết cấu thép là cực kỳ quan trọng, đặc biệt trong các công trình nhà cao tầng, nhà xưởng, trung tâm thương mại, và những nơi yêu cầu an toàn phòng cháy chữa cháy cao.

Lớp sơn chống cháy được sử dụng nhằm mục đích:

• Giúp duy trì độ bền cơ học của thép trong một khoảng thời gian nhất định (30, 60, 90, đến 120 phút) bằng các phản ứng tạo lớp xốp cách nhiệt khi gặp ngọn lửa, phù hợp các tiêu chuẩn về PCCC.
• Khoảng thời gian này cực kỳ quý giá để sơ tán người, dập tắt đám cháy và giảm thiểu thiệt hại.
• Sơn chống cháy là giải pháp dễ thi công, không làm tăng tải trọng kết cấu, và được chấp thuận rộng rãi trong kiểm định PCCC.
• Sơn chống cháy có thể được thi công như các lớp sơn thông thường, đảm bảo thẩm mỹ kiến trúc.

Thành phần hoạt động của sơn chống cháy

• Về nguyên tắc sơn chống cháy (Intumescent paint) cũng sẽ bao gồm các thành phần cơ bản của sơn: dung môi, chất tạo màng, pigment, các loại phu gia.
• Tuy nhiên, đối với Sơn chống cháy, chúng ta sẽ quan tâm đến các thành phần tạo ra khả năng chống cháy cho sơn bao gồm 3 thành phần chính: nguồn tạo axit, tạo than và tác nhân tạo khí.
• Nguồn tạo axit có thể là axit khoáng hoặc các nguyên liệu có thể sinh ra axit khi bị gia nhiệt điển hình là các Amonipoly phosphate (APP).
• Chất tạo than tro là các hợp chất polyhydric giàu carbon có nhiều vị trí có khả năng este hóa (thường là các nhóm hydroxyl), có thể tạo liên kết ngang với các hợp chất có tính axit thông qua phản ứng este hóa, để tạo ra các hỗn hợp este điển hình là pentaerythritol.
• Sự trương phồng của hỗn hợp xảy ra bởi sự thoát khí không cháy của tác nhân tạo khí điển hình là melamine.
• Sự phối hợp chính xác giữa nguồn tạo axit, sự este hóa và khí thoát ra (cũng như giảm độ nhớt của lớp phủ) là tối quan trọng cho sự hình thành lớp tro. 
• Tuy nhiên, lớp tro được hình thành từ 3 chất cơ bản này dễ bị phá hủy bởi môi trường nhiễu động mạnh của đám cháy. Bởi vậy, để cải thiện các tính chất chịu lửa (như độ giãn nở, hình thái lớp tro, độ bền nhiệt và cơ học) của lớp tro được hình thành, người ta thường đưa vào công thức các chất bổ sung có chức năng khác nhau như TiO2, axit boric, cao lanh, và montmorillonite với các hàm lượng khác nhau.

Cơ chế hoạt động của sơn chống cháy

Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, lớp sơn chống cháy sẽ xảy ra các phản ứng hóa học làm phân hủy các hợp chất trong sơn như ammonium polyphosphate, pentaerythritol và melamine. Phản ứng này tạo ra khí không cháy và một lớp cacbon xốp (char) bao phủ bề mặt kim loại, giúp làm chậm quá trình truyền nhiệt và bảo vệ cấu trúc bên dưới.

Quá trình trương phồng màng sơn bắt đầu xảy ra khi nhiệt độ gia tăng theo các trình tự chính sau:

• Nhựa trong thành phần màng sơn chảy mềm tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học xảy ra
• Trong khoảng nhiệt độ từ 180°C đến 280°C, APP (Amoni polyphosphate) phân hủy tạo ra các sản phẩm orthophosphat, PO4³¯, và axit phosphoric, (HPO₃)n.
• Các sản phẩm phân hủy của APP phản ứng thông qua quá trình este hóa với các nhóm hydroxyl của pentaerythritol, tạo thành các hỗn hợp este.
• Ở nhiệt độ cao hơn từ 280°C đến 350C° các este này tiếp tục bị chuyển hóa thành khối carbon thông qua quá trình khử nước và than hóa. Khối carbon được thổi phồng lên bằng các khí thoát ra từ sự phân hủy melamine.
• Ở nhiệt độ trên 350°C, xảy ra hiện tượng keo tụ và đông cứng hỗn hợp giãn nở, tạo ra lớp tro đa tầng với độ dẫn nhiệt thấp. Lớp xốp được tạo ra trong quá trình giãn nở hình thành một màng cách nhiệt, làm chậm quá trình gia tăng nhiệt của kết cấu.

Khả năng bảo vệ chịu lửa của sơn chống cháy đối với các kết cấu thép

Đối với kết cấu thép, khả năng bảo vệ của sơn chống cháy được đánh giá là khả năng bảo toàn của các kết cấu chịu lực khi có nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định. Thời gian này gọi là giới hạn chịu lửa theo chỉ tiêu R (theo QCVN 06:2020/BXD).

Thiết kế bảo vệ chịu lửa của sơn chống cháy cho công trình phụ thuộc và nhiều yếu tố: bậc chịu lửa, hệ số tiết diện, chiều dày lớp sơn, khả năng chịu tải,…

Trên thị trường, các loại sơn chống cháy được sử dụng trong các thiết kế chịu lửa của công trình phải được thử nghiệm khả năng chịu lửa theo TCVN 9311:2012 (tương đương ISO 834).

Thử nghiệm ảnh hưởng chiều dày lớp sơn chống cháy đến thời gian bảo vệ chịu lửa của kết cấu thép

Chiều dày lớp sơn chống cháy là một trong những yếu tố ảnh hưởng rõ nét đến khả năng bảo vệ của lớp sơn với kết cấu thép.

Thử nghiệm cháy trong công nghiệp của các lớp phủ trương phồng thường tuân theo các ngọn lửa tiêu chuẩn được áp đặt trong mối quan hệ nhiệt độ-thời gian. Tùy thuộc vào nguồn “nhiên liệu”, người ta phân ra 2 loại là: ngọn lửa cellulose (theo ISO 834) và ngọn lửa hydrocarbon (theo UL 1709). Trong phạm vi của thử nghiệm này, lò đốt sử dụng có khả năng tạo ra ngọn lửa cellulose, nhiệt độ trong lò phát triển theo đường cong nhiệt độ – thời gian tuân theo tiêu chuẩn TCVN 9311:2012 tương đương ISO-834, các cấu kiện đốt không chịu lực.

Thông tin lò đốt

Thông tin mẫu thử

Lưu ý: Thông tin về mẫu thử trong mục này chỉ có giá trị tham khảo và mang tính chất nghiên cứu, không phải là kết quả chính thức trong quy trình thiết kế chống cháy. Mục này nhằm giúp người đọc hiểu rõ hơn về các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chống cháy của sơn.

• Loại sơn thử nghiệm: Sơn chống cháy
• Số lượng mẫu thử: 2 mẫu
• Chiều dày lớp chống cháy: Mẫu 1: 500µm, Mẫu 2: 1500 µm
• Kích thước mẫu: 360x170x1000 mm

Ta có thể nhận thấy rằng, với cùng tiết diện, các mẫu có chiều dày sơn chống cháy lớn hơn có tốc độ tăng nhiệt chậm hơn. Chiều dày lớp sơn chống cháy là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chống cháy của công trình.

Trong thực tế, thiết kế chịu lửa của nhà và công trình sử dụng sơn chống cháy sẽ dựa vào bảng cơ sở dữ liệu liên quan giữa các thông số chiều dày màng sơn, hệ số tiết diện, và giới hạn chịu lửa.

Sản phẩm Sơn chống cháy  từ Công Ty TNHH Sơn Hải Vân là một sản phẩm tiêu biểu trên thị trường có khả năng chịu được giới hạn chịu lửa lên đến R120 theo tiêu chuẩn ngọn lửa cellulose (ISO 834).

Kết luận

Sơn chống cháy là một giải pháp hiệu quả giúp nâng cao khả năng chịu lửa của kết cấu thép, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho công trình và con người khi xảy ra hỏa hoạn. Việc tăng cường ứng dụng sơn chống cháy trong thiết kế và thi công các công trình hiện đại tại Việt Nam là xu thế tất yếu, phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững và an toàn.