隧道防火涂料的性能测试方法及施工工艺

0 前 言
随着我国经济建设的快速发展,高等级公路隧道日益增多,高速公路网络将在全国迅速形成。作为高速公路的咽喉地段——隧道,其消防安全是一个新的研究课题。高速公路隧道一旦发生火灾事故,施救难度大,可能造成群死群伤的灾难性事故机率高。铁路也在国家基础设施建设、国民经济发展和交通运输体系中肩负重要使命。根据铁道部“科教兴路”的发展战略和铁路长远发展规划的要求,重载、高速已成为当前我国铁路的重要发展方向。但是,从铁路发展的历史、现状和未来趋势着眼,“安全第一”仍然是铁路运输的首要原则。

在各种行业事故中,隧道和地铁中的列车火灾事故抢救最难、中断行车时间最长、经济损失亦大。公路、铁路、城市交通隧道内的防火问题已引起高度重视。隧道初期火灾一旦失去控制,短时间内凶猛的火势和长时间的高温会对内部设施设备造成严重损坏。隧道中型火灾的持续时间在90 min以上,混凝土结构炸裂,产生大的坍塌,侧壁也会失去稳定,危及救火人员生命,造成更大的生命财产损失。由此可见,在不作防火保护的隧道中,其火灾的危险性是非常大的。鉴于中外隧道火灾的惨痛教训和公路隧道的防火需要,对隧道消防技术研究是安全运输的重大课题。其中使用隧道防火涂料是隧道内防火的一种比较理想的方法。隧道防火涂料喷涂在隧道内的拱顶和侧壁的混凝土结构的表面,起防火隔热保护作用。可防止隧道内混凝土结构在火灾中迅速升温而降低强度,避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道内垮塌。由于隧道防火涂料问世不久,因而与其他防火涂料相比,产品产量和生产厂家都较少。但随着对使用隧道防火涂料作隧道内防火保护要求的日益增加,隧道防火涂料的研究、生产及推广应用逐渐进入高峰。

1 隧道防火涂料的防火保护原理、性能测试方法与技术要求
1.1 性能测试方法与技术要求
由于隧道防火涂料从20世纪90年代末才逐步研究和生产,为了给隧道防火涂料的研究开发、推广应用和产品质量监督管理提供全国统一的技术依据,在没有国家标准时其耐火性能是按公安部颁布的公共安全行业标准GA98预应力混凝土楼板防火涂料通用技术条件作为试验依据的。目前则是按国家标准《混凝土结构防火涂料》(报批稿)中的指标要求进行。按标准规定,理化性能试验用底板采用符合JC/T626规定的纤维增强低碱度水泥建筑平板,试验方法类似于钢结构防火涂料。耐火性能试验采用底板为强度等级符合GBJ 107规定的C30混凝土板,其混凝土板的厚度为150 mm,混凝土板的尺寸1 450 mm×1 450 mm,底面钢筋保护层厚度为25 mm。隧道防火涂料按其产品的施涂工艺要求施涂在C30混凝土板的下表面至规定的厚度,然后放置在通风干燥的室内自然环境中养护28 d以上。将制备好的试件置于试验炉上,使其底面一面受火,对于标准升温和HC升温的耐火试验其受火尺寸不小于1 100 mm×1 100mm;对于RABT升温的耐火试验其受火尺寸不小于Ф1 300 mm。标准升温耐火试验条件按GB/T 9978.1建筑构件耐火试验方法的有关规定进行。HC升温耐火试验条件和RABT升温耐火试验条件按GA/T 714-2007构件用防火保护材料快速升温耐火试验方法的有关规定进行。耐火性能以涂覆混凝土板的涂层厚度(mm)和耐火极限(h)来表示。对隧道防火涂料的技术性能要求应符合表1的规定。

注:型式检验时,对于耐火性能可选择一种升温条件进行检验和判定。
1.2 隧道防火涂料防火保护原理
隧道防火涂料涂层本身不燃或难燃,且容重轻、导热系数低、耐火性能好,喷涂在混凝土结构表面,遭遇火灾时,依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性,涂层有效地阻隔火焰和热量,对基材起屏障和防止热辐射作用,降低热量向混凝土及其内部预应力钢筋的传递速度,以推迟其温升和强度变弱的时间。其防火保护原理为:喷涂在隧道内拱顶和侧壁的表面混凝土的一面,遭遇火灾时,由于涂料中加入了硼化物、铝的氧化物等无机添加剂,铝的氧化物一旦发生火灾即能达到它的分解温度,反应如下:

氢氧化铝脱水过程吸收一部分燃烧热,将使体系的温度降低。再则,脱出的水在燃烧温度下变成水蒸气也需吸收热量,大量的水蒸气也可抑制烟气的生成。另外反应产生Al2O3是无机耐火材料,与燃烧形成的其他碳化物一起,可在表面形成保护层,具有很好的防火隔热效果。一方面防火涂料体系中硼化物在高温时可在被保护基材的表面形成玻璃状薄片,而起隔绝空气和隔断火焰和隔热的作用;另一方面硼化物含结晶水,受热时分解而成水蒸气,水汽一方面作为稀释剂降低了可燃气体的浓度;另一方面覆盖在被保护基材的表面也起到隔绝氧气,阻止燃烧的作用。还有大量的结晶水受热时分解成水蒸气,是吸热反应,起到吸热、降温作用,对基材提供有效的、持久的防火隔热保护。使涂层有效地阻隔火焰和热量,降低热量向内传递速度,推迟其温升和强度变弱的时间,从而提高其耐火极限,达到防火保护的目的。

2 隧道防火涂料的施工工艺及应用
2.1 隧道防火涂料的施工工艺
隧道防火涂料施工工艺包括工艺程序和流程、工艺条件和参数、操作方法和使用设备以及施工环境条件和操作管理等内容。隧道防火涂料的涂装质量直接影响涂膜的质量和涂装的效果。隧道防火涂料为水性涂料,可使隧道结构表面与涂层之间有良好的结合力,形成涂层的坚实基础,并且提高整个涂层的保护性能。因此施工前首先应将隧道表面的油污、杂质彻底清除干净,然后再喷涂隧道防火涂料。由于隧道防火涂料固体含量较高,较易沉淀,使用前应充分搅匀。双组分包装的防火涂料,要根据产品说明书上规定的比例在现场进行调配,并充分搅匀,单组分装的涂料也应充分搅拌。由于隧道防火涂料的粒度比较大,黏度比较稠,不适宜采用刷涂法和滚筒刷涂法,因而选用喷涂施工。使用压缩空气及喷枪使涂料雾化的施工方法,它的特点是喷涂后的涂层厚度均匀,生产效率高。隧道防火涂料一般采用的是空气喷涂法。空气喷涂法是将防火涂料由喷涂器的喷嘴中喷出,由高速气流将涂料冲散成微粒射向隧道表面。空气喷涂的关键设备是喷枪。由于涂料一般较粗糙,为了获得光滑平整的理想涂层,喷涂时应采用重力式(或喷斗式)喷枪,喷嘴直径Ф4~6 mm,空气压力0.4~0.6 MPa。喷嘴与隧道表面的距离,一般以200~300 mm为宜。喷出涂料流的方向应尽量垂直于隧道物体表面。为了获得均匀的涂层,操作时每一喷涂条带的边缘应当重叠在前一已喷好的条带边缘上(以重叠1/3为宜)。喷枪的运动速度应保持均匀一致,不可时快时慢。
喷涂施工前应将隧道防火涂料搅拌均匀才能使用,搅拌好的涂料若太稠可加适量自来水稀释以便于施工,稀释标准以喷涂时不发生流淌和下坠现象为宜。对不需喷涂的设备,管道、墙面要遮蔽保护,否则喷上该涂料固化后难以清洗干净。一般每次喷涂厚度为5 mm左右,每隔24 h喷涂一次,达到所需厚度为止。必须在前一遍干燥后,再喷涂下一遍,喷涂时应确保涂层均匀平整。操作者要携带涂层测厚仪进行厚度检测,确保喷涂达到设计规定的厚度。如设计要求涂层表面平整光滑,则应对最后一遍涂层作抹平处理,以保证外表面平整。隧道防火涂料施工的气候条件为:在施工过程中和施工后至涂层干燥固化之前,环境温度宜在5~50℃,相对湿度不大于90%,空气应流通。若温度过低或温度太高或风速在5 m/s(四级)以上或隧道结构表面有结露时,都不利于防火涂料施工。
2.2 隧道防火涂料的应用
隧道防火涂料,在现场搅拌均匀使用。它是由高效隔热骨料(如玻璃纤维、氢氧化铝)、黏结剂(硅酸盐等)、轻质材料(如膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、三硅酸镁等)和化学助剂搅拌混合而成,具有容重轻、热导率低、阻燃隔热效果显著、无味无毒、耐水等优点。有良好的耐候性和耐水性,施工方便,属于非膨胀型防火涂料。该类涂料主要适用于公路隧道、铁路隧道的防火,以及石化工程、高层建筑、地下车库的预应力混凝土楼板的防火需要。也可喷涂在钢筋混凝土楼板、梁等部位起防火隔热保护作用,还可用于提高普通混凝土结构的耐火隔热性能。
混凝土表面碱性很强,且吸水率高,为避免影响涂层的黏结,在施工前必须进行表面处理。钢筋混凝土基层在施工前应尽量干燥,含水率一般应小于8%,pH值应小于8,一般干燥30~60 d后进行施工。施工前对混凝土表面的尘土、浮粉、污物应彻底清除清洁,混凝土表面要打磨平整,对表面的蜂窝、麻面应修补,做到表面平整、立面垂直。该隧道防火涂料应在0 ℃以上施工,15~30 ℃效果更佳。由于防火涂料固体含量较大,较易沉淀,使用前应充分搅匀,如防火涂料太稠,可在涂料中加入适量的水进行稀释,调整到规定的施工黏度便于施工,黏度调整到施工时不发生流淌和下坠现象为宜。一般一次喷6 mm,每隔8 h喷涂一次,涂后一道涂料时,必须在前一道干燥后。由于该防火涂料一般较粗糙,宜采用压送式/重力式(或喷斗式)喷枪、喷涂机喷涂,空气压力0.4~0.6MPa,喷枪口直径宜为6~10 mm。为使喷涂后的涂层均匀平整,最后一道施工应采用抹涂工艺。局部修补和小面积施工,可用喷涂、刮涂或抹涂。喷涂施工用具应及时用水清洗干净。喷涂后的涂层应均匀平整、黏结牢、无开裂、无空鼓和脱落。该防火涂料贮运与普通水性涂料相同,有效贮存期为:在5~35 ℃的环境下贮存1 a,贮、运时严禁日晒雨淋。

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