隧道防火涂料的研究及其施工技术

   摘要：介绍了一种可在潮湿环境中使用、火灾发生时无有害气体产生的隧道防火涂料的研制，按 ISO 834 曲线升温，涂层厚度 13 mm 时，耐火极限就达到 3 ． 5 h ，按碳氢曲线升温，涂层厚度20 mm 时，耐火极限达到 3 ． 0 h 。还介绍了该涂料的施工技术。

    关键词：隧道；防火涂料；施工

    前言

    隧道是指建造在山岭、河道、海峡及城市地面以下，供车辆、行人、水流、管线等通过，或供采掘矿藏、军事工程等使用的地下建筑物和构筑物。发生在隧道中的火灾通常危害巨大，隧道中有限的逃生路径以及消防队员难以进入火灾现场的事实将 造成重大人员伤亡以及对隧道结构造成巨大破坏。 而隧道防火涂料就是喷涂在隧道内拱顶和侧壁的表面，起防火隔热保护作用的一种隧道防火保护材料，使用它可防止隧道内钢材混凝土在火灾中迅速升温而导致强度降低，避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道垮塌。基于隧道火灾的严峻形式、隧道消防设计要求及我国经济发展的具体情况， 2003 年四川省科委将“隧道防火涂料的研究”列入了科技公关计划。

    1 试验部分

    1 ． 1 配方选取原则

    在研制隧道防火涂料时，应根据涂料的应用环境从两个方面考虑。一方面要考虑该防火涂料能经 受汽油类高温火焰长时间灼烧，因为隧道火灾多由 汽车撞击引起，燃烧物为汽油等有机物质，火灾强度 100 MW 以上，温度可达 1 200 ℃ ，是一般建筑火灾强度的十倍，属于典型的烃类火灾，因此涂层应具有良好的耐热冲击能力 (10min 升至 1 000 ℃ ) 和较高的耐火极限，还应具有干燥快、耐潮、耐水、耐 冻的特点，火灾时不龟裂，不脱落；另一方面要从 环保和经济效益角度出发，该防火涂料所选用的原料应丰富易得，无毒、无气味、无环境污染、火灾时基本不产生浓烟和有毒气体等。

    从国内外各类防火涂料的文献专利可看出，用 于保护不燃性建筑结构的涂料包括有机膨胀型厚浆涂料和轻体无机防火涂料两类。在火灾温度下， 有机膨胀涂料的碳质泡沫层易逐渐消失而降低防 火隔热作用，即使是最好的涂料，涂层增至 4 ． 7 mm 时，耐火极限也只有 1 h 。而无机涂料，由于密度轻，热导率小，耐火性能好，随涂层厚度不同，可满足 1 2 h 甚至更长时间的耐火要求。但纯粹的无机物 构成的涂料，容易出现硬而脆产生龟裂脱落等不利 情况。因此，在隧道防火涂料的研究中，一般应采用非膨胀型的、无污染的水性有机一无机复合涂料的研究技术路线。

    1 ． 2 试验方法

    (1) 将涂料及界面剂混合均匀后。涂覆在 300 mm × 300 mm × 5 mm 的钢板上，在常温下养护 28 d 后，在小型耐火试验炉上按标准碳氢曲线升温，每分钟记录一次钢板背火面温度，直至温度达到 250 ℃ ( 混凝土强度开始下降的温度 ) 所需时间。由 于钢板背火面温度与耐火极限存在着一定的关系：达到相同的温度所需的时间越长，涂料的耐火极限越高。因此可根据钢板背火面温度，大致推断涂料的耐火极限。

    (2) 调整涂料及界面剂的配方、工艺参数，选出适合于工业化生产的最佳配方和最佳工艺条件。

    1 ． 3 试验材料

    (1) 粘结剂：苯丙、醋丙、 EVA 、 582 树脂、水玻璃、耐火水泥均是较好的粘结剂，由于粘结剂的用量较多，选择粘结剂时，需考虑材料的价格、燃烧性能及火灾时的烟气情况，水玻璃和耐火水泥是无机粘结剂，价格低，是较好的粘结材料，由于水玻璃和耐火水泥在一起时凝结时间太快，两者不能同时存在，本课题选用耐火水泥等材料作为粘结剂。

    (2) 无机隔热填料：海泡石、膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙、矿渣棉、超细硅酸铝均是良好的无机轻质隔热填料，本课题采用由海泡石、膨胀珍珠岩、 轻质碳酸钙、超细硅酸铝混合后组成的复合无机隔 热填料。

    (3) 发泡材料：发泡材料可以在涂料受热时膨胀，填满涂层填料间的细小空间，减慢热量传递速度。蛭石、重铬酸铵为无机发泡材料，三聚氰胺， 季戊四醇，聚磷酸铵是成熟的有机发泡体系，多在 薄型或超薄型防火涂料中使用。本课题采用由三聚氰胺、季戊四醇及聚磷酸铵与蛭石、重铬酸铵 ( 质量比为 3 ： 2 ： 2 ： 6 ： 1) 组成的复合发泡材料。 (4) 助剂：氢氧化铝，氢氧化镁都是无卤材料，在高温下分解，产生水蒸气并吸收大量的热量，氢氧化铝的热值 ( - 1 960 J ／ g) 比氢氧化镁 ( - 1 600 J ／ g) 低，但氢氧化镁的价格远比氢氧化铝低，氧化锡、硼酸锌、硼酸铵也是较好的助剂材料。本课题选用氢氧化镁、氧化锡为助剂。

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   2 结果与分析

    2 ． 1 耐火极限及粘结性能

    隧道防火涂料最重要的指标是涂料的耐火极限、粘结性能和安全毒性，在确定了原料后，通过改变原料的比例，研究了上述 4 类材料对涂料耐火 极限、粘结性能的影响，每个因素上选取 3 个水平， 采用 L9(3 4) 正交试验设计方案 ( 参见表 1) 。

    表 1 因素水平表

    正交试验结果与分析见表 2 、表 3 和表 4 。

    表 2 试验结果

    表 3 耐火极限的极差

    表 4 粘结强度的 极差

    由正交试验结果可见，发泡材料对耐火极限影响最大，其次是粘结剂，助剂，复合材料，在粘结剂量一定的条件下，增加发泡材料、复合填料及助剂，均可提高涂料的耐火极限。

    粘结剂和复合填料对粘结强度影响最大，增加粘结剂可以增加粘结强度，隔热填料多为轻质材 料，增加低密度的隔热填料，单位体积的涂料中粘 结剂含量减少，致使粘结强度降低。

    2.3 涂料配方及工艺

    经过大量的试验。确定了涂料的配方 ( 质量比 ) ：

    粘结剂： 55 ～ 65

    复合填料： 45 ～ 50

    发泡材料： 8 ～ 1O

    助剂： 18 ～ 22

    生产工艺流程见图 1

    图 l 隧道防火涂料生产工艺流程图

    2 ． 4 性能测试结果

    由于我国隧道防火涂料从 20 世纪 90 年代末才逐步研究和生产，目前还没有国家标准，有些厂家制定了企业标准，其耐火性能是按公安部颁布的公 共安全行业标准 GA 98《预应力混凝土楼板防火涂 料通用技术条件》进行试验的。现在 GA 98 正在修订，修订后的标准名称拟改为 GA 98《混凝土结构防火涂料》，将新增隧道防火涂料的试验方法和性 能要求。

    隧道防火涂料理化性能试验的基材采用石棉水泥板，试验方法类似于钢结构防火涂料。耐火 性能试验的基材采用 GB 14040 规定的预应力混凝土空心板。如型号为 Y — KB366 — 2 的多孔板，该板 标志长度为 3 ． 6 m ，标志宽度为 600 mm ，荷载等级为 2 级。将待测的防火涂料均匀地喷涂在预应力板 配力筋一面上到规定的厚度，并干燥养护 15 d 以 上，安装于卧式炉上，按设计荷载均布加载，对于 Y — KB366 — 2 型多孔板。加压荷载为 400 kg ／ m2 。根据 GB ／ T 9978( 建筑构件耐火试验方法》的有关规定进行耐火试验，试验结果以防火涂层厚度 (mil1) 和涂覆试板耐火极限 (h) 表示。本课题研制的隧道防火涂料由四川省公安厅消防产品行业管理办公室 抽样，送国家防火建材质量监督检验中心检测，检 测结果见表 5 。

    表 5 隧道防火涂料主要性能指标