超薄膨脹型隧道防火涂料的研制

王軍委，賀少鵬，賀軍會(huì)，張玲，賀曉輝，何世家

（1.寶雞市鐵軍化工防腐安裝有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721303；2.公安部四川消防研究所，四川都江堰 611830）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，城市建設(shè)腳步加快，高速公路、鐵路隧道日益增多，截至2015年，我國公路、鐵路交通網(wǎng)絡(luò)隧道總長度已超過12 000 km。隧道不僅是交通運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃彩禽旊婋娎|和輸水、輸油管的通道，一旦發(fā)生火災(zāi)，著火點(diǎn)周圍溫度上升極快，短時(shí)間內(nèi)會(huì)聚集大量有毒有害氣體，兇猛

[收稿日期] 2017-09-25

[作者簡介] 王軍委，男，工程師，主要從事功能性涂料和工業(yè)重防腐涂料的研發(fā)和應(yīng)用工作，擁有發(fā)明專利2項(xiàng)，發(fā)表專業(yè)論文15篇。的火勢以及長時(shí)間的高溫對隧道內(nèi)部設(shè)施、設(shè)備的破壞極其嚴(yán)重，實(shí)踐證明，隧道中火災(zāi)持續(xù)時(shí)間超過60 min，就會(huì)使得隧道混凝土結(jié)構(gòu)炸裂，產(chǎn)生塌陷，危及行人和救火人員的生命安全，造成極大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此隧道火災(zāi)事故是搶救最難、經(jīng)濟(jì)損失最大的事故之一［1］。為此，國內(nèi)外在隧道防火方面頒布了一系列技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和要求，我國相關(guān)隧道規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有GB 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》、GB 14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》、GBJ 16—1987《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、JPJ 026—1990《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等［2］。

隧道內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然不是燃體，但是其耐火性較差，鋼筋混凝土在溫度380 ℃時(shí)強(qiáng)度開始下降，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，其抗壓強(qiáng)度損失達(dá)75%，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)坍塌，采用隧道防火涂料對隧道進(jìn)行保護(hù)，確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，減少災(zāi)害損失和維修費(fèi)用，縮短修復(fù)時(shí)間，是一種最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。

本研究制備了一種超薄膨脹型隧道防火涂料，適用于公路和鐵路隧道、各種地下工程等有防火要求設(shè)施的涂裝保護(hù)，與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)比較，其具有防火性能優(yōu)異、涂層薄、粘結(jié)強(qiáng)度高、施工簡單方便，養(yǎng)護(hù)周期短等特點(diǎn)。

1 隧道防火涂料的技術(shù)要求和現(xiàn)狀

隧道多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除了要防止烴類火災(zāi)之外，同時(shí)要考慮到隧道內(nèi)部濕度大，溫度變化大，行車造成震動(dòng)強(qiáng)烈，煙氣、灰塵不易散發(fā)，隧道內(nèi)噪音大等特點(diǎn)［3］，因此隧道防火涂料應(yīng)具備以下技術(shù)要求：

（1） 符合環(huán)保要求。涂料在高溫下不會(huì)分解釋放出有毒、有害氣體，產(chǎn)煙毒性達(dá)到ZA-1級，符合國標(biāo)的要求。

（2） 具有優(yōu)異的耐火性能和優(yōu)良的耐水、耐堿、耐凍融、耐濕熱性，高寒地區(qū)的隧道防火涂料還應(yīng)具有防凍性。

（3） 在潮濕環(huán)境下凝固干燥快，與混凝土具有良好的粘結(jié)力，自重輕，不易脫落，施工方便，效率高，養(yǎng)護(hù)周期短。

目前隧道防火涂料以非膨脹厚型防火涂料為主，一般涂層厚度達(dá)15～20 mm，涂層自身重。隧道內(nèi)行車產(chǎn)生的風(fēng)速和震動(dòng)容易造成防火涂層脫落，對高速運(yùn)行的車輛和車內(nèi)人員的安全構(gòu)成威脅；非膨脹厚型隧道防火涂料以水泥為主要粘結(jié)劑，施工時(shí)需要3～4道才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，消耗資源多，施工速度慢，效率低，施工完成后養(yǎng)護(hù)周期長達(dá)28 d。因此研制一種涂層薄、自重輕、耐火性能好、施工養(yǎng)護(hù)周期短的超薄膨脹型隧道防火涂料勢在必行［4］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 粘結(jié)劑

以可再分散膠粉、PVA（聚乙烯醇）膠粉、EVA（乙烯-乙酸乙烯酯共聚物）膠粉混合物為粘結(jié)劑，同時(shí)加入一定量的滲透性結(jié)晶活性母料，對超薄膨脹型隧道防火涂料的耐水性、抗?jié)B透性和耐久性有很大的提高。

2.1.2 阻燃劑

隧道空間狹小，其結(jié)構(gòu)是密封的，鹵素在高溫下分解生成的有機(jī)磷等毒性較大，嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)行人和救援人員的生命安全。本研究選用氫氧化鋁和氫氧化鎂作為阻燃劑，一旦發(fā)生火災(zāi)，達(dá)到氫氧化鋁的分解溫度，其脫水過程中會(huì)吸收部分燃燒熱量；再則，脫出的水在燃燒溫度下變成水蒸氣也會(huì)吸收熱量，大量的水蒸氣還能抑制煙氣的生成［5］。另外高溫反應(yīng)生成的Al2O3是無機(jī)耐火材料，與燃燒形成的其他碳化合物一起，可在表面形成保護(hù)層，達(dá)到優(yōu)異的防火隔熱效果。

2.1.3 膨脹劑

本研究采用的膨脹材料有膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、水合硅酸鈉和聚磷酸銨。膨脹蛭石是一種充滿細(xì)小孔隙的優(yōu)良絕熱材料。膨脹珍珠巖是一種天然酸性玻璃質(zhì)火山熔巖非金屬礦產(chǎn)品，具有優(yōu)良的耐熱性和吸音性。兩者皆具有容重輕、熱導(dǎo)率低、阻燃隔熱效果顯著、無味無毒、耐水等優(yōu)點(diǎn)。聚磷酸銨是一種優(yōu)良的膨脹阻燃劑［6］，具有低煙、無毒、水溶性低等優(yōu)點(diǎn)，其含磷、含氮量高，熱穩(wěn)定性好。本研究選用的超高相對分子質(zhì)量的聚磷酸銨，聚合度＞1 500。

2.1.4 顏填料

經(jīng)過高溫燃燒后，防火涂層中所有的有機(jī)材料都會(huì)受熱而分解，殘留的顏填料成為防火涂層的耐火泡沫層，因此，顏填料必須達(dá)到耐高溫的要求。顏填料既能提高涂料的防火阻燃性能又能降低生產(chǎn)成本，更重要的是能改善防火涂料的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能，提高涂層的耐熱性并抵抗氣流的沖擊。

本研究采用的顏填料有鈦白粉、輕質(zhì)碳酸鈣、空心微珠、海泡石、煅燒高嶺土、滑石粉和云母粉等?？招奈⒅槭且环N陶瓷粉末材料，具有極好的抗壓強(qiáng)度和低導(dǎo)熱系數(shù)，可提高涂料的孔隙率和耐火隔熱性能［7］。

2.2 基礎(chǔ)配方

以GB 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)，通過大量試驗(yàn)，最終優(yōu)選出超薄膨脹型隧道防火涂料的基礎(chǔ)配方，見表1。

表1 超薄膨脹型隧道防火涂料的基礎(chǔ)配方Table 1 The basic formula of ultra-thin intumescent fire retardant coatings for tunnel

2.3 生產(chǎn)工藝

首先把粘結(jié)劑用破碎機(jī)粉碎研磨至粒徑96 μm以下，粉碎時(shí)溫度不能超過150 ℃，以防止粘結(jié)劑受到高溫?zé)崛劢Y(jié)塊。

將粉碎后的粘結(jié)劑與阻燃劑、膨脹劑和顏填料按照配方量稱量后置于干粉混合機(jī)內(nèi)充分分散混合，得到均勻的流動(dòng)性粉末。

2.4 樣板制作

按照GB 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》標(biāo)準(zhǔn)要求制作樣板，耐火性能試驗(yàn)采用地板強(qiáng)度等級符合GBJ 107—1987《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的C30混凝土板，其規(guī)格為1 450 mm×1 450 mm×150 mm，地面鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm。稱取超薄膨脹型隧道防火涂料6 kg，加入適量的潔凈自來水，充分?jǐn)嚢璩珊隣钗锖笸扛苍诨炷翗影灞砻?，常溫養(yǎng)護(hù)7 d后，按照GB 28375—2012要求進(jìn)行耐火試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 耐火性能

隧道防火涂料最重要的檢測指標(biāo)是耐火性能，超薄膨脹型隧道防火涂料的耐火性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 超薄膨脹型隧道防火涂料的耐火性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The fire resistance test results of ultra-thin expansion fire retardant coatings for tunnel

由表2可見，研制的超薄膨脹型隧道防火涂料的耐火時(shí)間和粘結(jié)強(qiáng)度比GB 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》中要求的技術(shù)指標(biāo)高得多，且其每平方米自重≤3 kg，涂層柔韌性好，與隧道內(nèi)砼表面粘結(jié)牢固，在車流的震動(dòng)和外力的作用下，涂層穩(wěn)定性好，不易脫落，極大地提高了行車安全性［8］。

3.2 施工性

非膨脹型隧道防火涂料由于以水泥等為粘結(jié)劑，養(yǎng)護(hù)期要28 d，而超薄膨脹型隧道防火涂料以可再分散膠粉等為主要粘結(jié)劑，一般施工1道，1 d即可完全固化，養(yǎng)護(hù)7 d就可以投入使用，大大縮短了工期，加快了工程進(jìn)度。超薄膨脹型隧道防火涂料涂層薄，在相同的施工面積和耐火條件下，充分節(jié)約資源，降低了生產(chǎn)運(yùn)輸成本和施工費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高［9-10］。

3.3 物化性能

經(jīng)四川省都江堰國家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，研制的超薄膨脹型隧道防火涂料的物化性能見表3。

表3 超薄膨脹型隧道防火涂料的物化性能Table 3 The physical and chemical properties of ultra-thinintumescent fire retardant coatings for tunnel

4 結(jié)語

我國隧道用防火涂料是從20世紀(jì)90年代末才逐步開始研究和生產(chǎn)的，多以非膨脹型為主，與其他防火涂料相比，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家相對較少，但隨著我國隧道建設(shè)日益增多，隧道內(nèi)部防火要求越來越高，其防火涂料的研究、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用逐漸進(jìn)入高峰。本研究制備的超薄膨脹型隧道防火涂料涂層薄、用量少、養(yǎng)護(hù)周期短，施工效率高，且具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度和優(yōu)異的耐火性能，市場應(yīng)用前景十分廣闊［11］。

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