隧道防火涂料的研制

1 前言
经济的发展,需要便捷的交通,公路、铁路和地铁隧道不断增多。一些隧道不仅承担着交通运输的任务,而且还起着光纤电缆、电力电缆甚至自来水运输通道的功能。由于隧道和地铁建筑结构复杂、环境密闭,加上人员密集,在有限的隧道空间内一旦发生火灾,扑救相当困难,往往会造成重大的人员伤亡和财产损失[1 ] 。所以,加强隧道和地下铁道的防火工作显得非常重要。隧道火灾一般是车辆可燃材料燃烧所致,如座椅、轮胎、聚合物饰物、油桶和车辆运载货物等。根据法国PIARC 和CETU研究,一辆小汽车的释热速率为2. 5 MW,一辆装满可燃货物的大型卡车释热速率为20~30 MW。根据澳大利亚消防委员会(AFAC) 估计,隧道墙壁最高温度可达1000 ℃。因此在对隧道性能进行评估时,澳大利亚将隧道墙体结构是否耐高温作为首要的考虑因素[2 ] 。

2 隧道的防火保护措施
隧道砌体是由钢筋混凝土构成。但是钢筋混凝土是不耐火的,未加保护的裸钢结构的耐火极限约为15 min ,温度达到600 ℃时,材料的屈服应力和极限应力下降到常温下钢材屈服应力和极限应力的1/ 3 以下。混凝土在高温作用下会产生裂纹和强度丧失而破坏。当温度高于300 ℃时,混凝土的强度随着温度升高而降低;当温度升到600 ℃左右时,混凝土的强度下降约50 %。因此,要想提高混凝土的耐火等级,应设法保护混凝土的结构,尽可能地阻止外界的热量向混凝土制品传递。隧道的防火保护措施除设置固定的水喷淋灭火系统、火灾自动报警系统以及配备各类便携式灭火器外,还应加强隧道消防管理和交通管理。但是设置水喷淋、灭火器不仅设备投入大,而且维修费用高。所以对隧道内所用的材料加以规定对保护隧道至关重要。如美国NFPA502《隧道、桥梁、高架桥和天桥等有限通道结构的防火标准》规定:隧道内主体承重构件,耐火极限应为4 h[3 ] 。我国《铁路工程设计防火规范》规定:隧道的建筑材料、主体及附属结构的耐火极限不应小于4. 0 h[4 ] 。在隧道混凝土表面涂抹隧道防火涂料就能达到这方面的防护要求。

3 隧道防火涂料的研制
针对隧道砌体不耐高温的特点,及规范对隧道结构的耐火极限要求,我所成功研制了一种耐潮湿环境的无毒隧道防火涂料。
3. 1 隧道防火涂料的组成
该隧道防火涂料是以无机材料为主的水硬性涂料,高温时无任何有毒气体产生,能经受汽油类高温火焰长时间灼烧。火灾时,涂层不龟裂、不脱落,不仅适用于隧道和地下构筑物,还适用于石化工程和高层钢结构防火保护。其主要成份如下:
(1) 高温粘接剂:约占涂料总体积的35 %~40 %。该粘接剂为无机胶凝材料,可满足隧道所处的潮湿的环境,固化后粘接强度高。高温时该粘接剂强度损失小,且耐冲击、耐冷热循环。
(2) 填料:是隧道防火涂料的骨架成分之一,约占涂料总体积的35 %~38 %。其主要作用是高温隔热和降低热导率。但填料要有一定的级配,使各成份之间填充密实。填料中不能含有碱金属离子,因为碱金属离子K+ 、Na + 等在潮湿的隧道环境中发生迁移,出现返卤现象或使涂料与隧道壁粘接性降低。同时,所用的填料还应考虑施工的方便性。
(3) 膨胀剂:是隧道防火涂料的另一个主要成份,约占涂料总体积的8 %~10 %。高温时,涂料成份发生改变,膨胀剂迅速发生膨胀,从而形成多孔的隔热层,阻止热量向隧道砌体的传递。
(4) 阻燃剂:用于涂料的阻燃,约占涂料总体积的12 %~15 %。它受热时吸热失水,协助膨胀隔热。阻燃剂选用结晶水较多的硼化物和锌化物,同时阻燃剂还有利于涂料的固化。
(5) 防水剂:约占涂料总体积的0. 1 %~1 % ,主要用于促进涂料的固化和提高涂料的早期强度,同时它还吸收涂料中游离的碱金属和碱土金属离子,起防水作用。
(6) 其它助剂:主要改善涂料的和易性,以及施工的方便性,约占涂料总体积的3 %~5 %。

3. 2 隧道防火涂料的生产工艺流程(见图1)

图1 隧道防火涂料生产工艺流程

3. 3 隧道防火涂料的耐火性能
将隧道防火涂料涂于钢梁表面,养护20 d 后,经国家防火建筑材料质量监督检验中心检测,20 mm厚的涂层,耐火极限为3 h ;将隧道防火涂料涂于预应力混凝土楼板表面,再按照标准在楼板上施压,经检测,15 mm厚的该涂料涂层,耐火极限为3 h。

3. 4 隧道防火涂料的技术指标(见表1)

 注: ①为GB 14907 – 94《钢结构防火涂料和技术条件》规定,钢结构防火涂料除耐火性能(不合格属A ,不允许出现) 外,理化性能尚有严重缺陷(B) 和轻微缺陷(C) ,当室内防火涂料的B ≤1 且B + C ≤3 ,室外防火涂料的B ≤2 且B + C ≤4 时,亦可综合判定该产品质量合格,但需在结论中标明缺陷性质和数量。

3. 5 隧道防火涂料的施工
施工前应清除隧道(或钢柱、钢板) 壁上的浮尘或杂物,并用水将隧道壁喷湿,表面微干后待用。若用于钢板或钢柱,可不必洒水。将涂料干料加入适量的自来水中,用搅拌机搅拌均匀,水灰比为0. 75。将搅拌均匀成糊状的涂料喷涂于隧道壁和拱顶,每次喷涂厚度0. 3~0. 8 cm,多次施工至设计要求的厚度,最后一次可按要求手工抹平。每次施工的间隔时间不小于8 h。钢结构的防火保护与此法相同。施工完成后,保持涂层处于润湿状态,若空气干燥,可洒水养护,养护20 d 后方可投入使用。

3. 6 隧道防火涂料的特点
(1) 所用粘接剂为耐高温的无机粘接剂,固化后不溶于水,能够满足所处环境的潮湿条件。
(2) 成本低廉,约为普通厚型钢结构涂料的2/ 3 ,并且可以代替厚型钢结构涂料和预应力混凝土防火涂料。该涂料可按要求调成各种颜色,具有一定的装饰效果。
(3) 该涂料没有添加任何有毒的化学物质,为非燃烧体,火灾发生燃烧时,无任何有毒气体产生,符合环保的要求。而且,该涂料耐候性优良,克服了薄型和超薄型等有机防火涂料耐候性差的缺点。另外,该涂料施工方便,既可机械喷涂,也可手工抹涂。

3. 7 隧道防火涂料在工程中的应用
我所开发的隧道防火涂料,自开发的8 个月时间中,已经应用于厦门尖尾山隧道、昆明至某著名风景区的高速公路隧道、成都人民南路过街隧道和新南门过街隧道。目前该防火涂料正应用于成都某钢框架大楼和南京某大楼的钢结构防火保护。

4 结语
使用隧道防火涂料可以很好地保护隧道砌体在高温时的烧损作用,大大缩短隧道修复时间,加速隧道恢复通行,避免由此带来更大的损失。本课题研制的隧道防火涂料与传统防火涂料相比,在性价比、施工性和性能稳定性等方面都向前跨了一大步,推广前景良好。

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