隧道防火涂料的研究及其施工技術(shù)
摘要：介紹了一種可在潮濕環(huán)境中使用、火災(zāi)發(fā)生時無有害氣體產(chǎn)生的隧道防火涂料的研制，按 ISO 834 曲線升溫，涂層厚度 13 mm 時，耐火極限就達(dá)到 3 ． 5 h ，按碳?xì)淝€升溫，涂層厚度20 mm 時，耐火極限達(dá)到 3 ． 0 h 。還介紹了該涂料的施工技術(shù)。
關(guān)鍵詞：隧道；防火涂料；施工
前言
隧道是指建造在山嶺、河道、海峽及城市地面以下，供車輛、行人、水流、管線等通過，或供采掘礦藏、軍事工程等使用的地下建筑物和構(gòu)筑物。發(fā)生在隧道中的火災(zāi)通常危害巨大，隧道中有限的逃生路徑以及消防隊員難以進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的事實(shí)將 造成重大人員傷亡以及對隧道結(jié)構(gòu)造成巨大破壞。 而隧道防火涂料就是噴涂在隧道內(nèi)拱頂和側(cè)壁的表面，起防火隔熱保護(hù)作用的一種隧道防火保護(hù)材料，使用它可防止隧道內(nèi)鋼材混凝土在火災(zāi)中迅速升溫而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，避免混凝土炸裂、襯內(nèi)鋼筋破壞失去支撐能力而導(dǎo)致隧道垮塌。基于隧道火災(zāi)的嚴(yán)峻形式、隧道消防設(shè)計要求及我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況， 2003 年四川省科委將“隧道防火涂料的研究”列入了科技公關(guān)計劃。
1 試驗(yàn)部分
1 ． 1 配方選取原則
在研制隧道防火涂料時，應(yīng)根據(jù)涂料的應(yīng)用環(huán)境從兩個方面考慮。一方面要考慮該防火涂料能經(jīng) 受汽油類高溫火焰長時間灼燒，因?yàn)樗淼阑馂?zāi)多由 汽車撞擊引起，燃燒物為汽油等有機(jī)物質(zhì)，火災(zāi)強(qiáng)度 100 MW 以上，溫度可達(dá) 1 200 ℃ ，是一般建筑火災(zāi)強(qiáng)度的十倍，屬于典型的烴類火災(zāi)，因此涂層應(yīng)具有良好的耐熱沖擊能力 (10min 升至 1 000 ℃ ) 和較高的耐火極限，還應(yīng)具有干燥快、耐潮、耐水、耐 凍的特點(diǎn)，火災(zāi)時不龜裂，不脫落；另一方面要從 環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，該防火涂料所選用的原料應(yīng)豐富易得，無毒、無氣味、無環(huán)境污染、火災(zāi)時基本不產(chǎn)生濃煙和有毒氣體等。
從國內(nèi)外各類防火涂料的文獻(xiàn)專利可看出，用 于保護(hù)不燃性建筑結(jié)構(gòu)的涂料包括有機(jī)膨脹型厚漿涂料和輕體無機(jī)防火涂料兩類。在火災(zāi)溫度下， 有機(jī)膨脹涂料的碳質(zhì)泡沫層易逐漸消失而降低防 火隔熱作用，即使是最好的涂料，涂層增至 4 ． 7 mm 時，耐火極限也只有 1 h 。而無機(jī)涂料，由于密度輕，熱導(dǎo)率小，耐火性能好，隨涂層厚度不同，可滿足 1 2 h 甚至更長時間的耐火要求。但純粹的無機(jī)物 構(gòu)成的涂料，容易出現(xiàn)硬而脆產(chǎn)生龜裂脫落等不利 情況。因此，在隧道防火涂料的研究中，一般應(yīng)采用非膨脹型的、無污染的水性有機(jī)一無機(jī)復(fù)合涂料的研究技術(shù)路線。
1 ． 2 試驗(yàn)方法
(1) 將涂料及界面劑混合均勻后。涂覆在 300 mm × 300 mm × 5 mm 的鋼板上，在常溫下養(yǎng)護(hù) 28 d 后，在小型耐火試驗(yàn)爐上按標(biāo)準(zhǔn)碳?xì)淝€升溫，每分鐘記錄一次鋼板背火面溫度，直至溫度達(dá)到 250 ℃ ( 混凝土強(qiáng)度開始下降的溫度 ) 所需時間。由 于鋼板背火面溫度與耐火極限存在著一定的關(guān)系：達(dá)到相同的溫度所需的時間越長，涂料的耐火極限越高。因此可根據(jù)鋼板背火面溫度，大致推斷涂料的耐火極限。
(2) 調(diào)整涂料及界面劑的配方、工藝參數(shù)，選出適合于工業(yè)化生產(chǎn)的最佳配方和最佳工藝條件。
1 ． 3 試驗(yàn)材料
(1) 粘結(jié)劑：苯丙、醋丙、 EVA 、 582 樹脂、水玻璃、耐火水泥均是較好的粘結(jié)劑，由于粘結(jié)劑的用量較多，選擇粘結(jié)劑時，需考慮材料的價格、燃燒性能及火災(zāi)時的煙氣情況，水玻璃和耐火水泥是無機(jī)粘結(jié)劑，價格低，是較好的粘結(jié)材料，由于水玻璃和耐火水泥在一起時凝結(jié)時間太快，兩者不能同時存在，本課題選用耐火水泥等材料作為粘結(jié)劑。
(2) 無機(jī)隔熱填料：海泡石、膨脹珍珠巖、輕質(zhì)碳酸鈣、礦渣棉、超細(xì)硅酸鋁均是良好的無機(jī)輕質(zhì)隔熱填料，本課題采用由海泡石、膨脹珍珠巖、 輕質(zhì)碳酸鈣、超細(xì)硅酸鋁混合后組成的復(fù)合無機(jī)隔 熱填料。
(3) 發(fā)泡材料：發(fā)泡材料可以在涂料受熱時膨脹，填滿涂層填料間的細(xì)小空間，減慢熱量傳遞速度。蛭石、重鉻酸銨為無機(jī)發(fā)泡材料，三聚氰胺， 季戊四醇，聚磷酸銨是成熟的有機(jī)發(fā)泡體系，多在 薄型或超薄型防火涂料中使用。本課題采用由三聚氰胺、季戊四醇及聚磷酸銨與蛭石、重鉻酸銨 ( 質(zhì)量比為 3 ： 2 ： 2 ： 6 ： 1) 組成的復(fù)合發(fā)泡材料。 (4) 助劑：氫氧化鋁，氫氧化鎂都是無鹵材料，在高溫下分解，產(chǎn)生水蒸氣并吸收大量的熱量，氫氧化鋁的熱值 ( - 1 960 J ／ g) 比氫氧化鎂 ( - 1 600 J ／ g) 低，但氫氧化鎂的價格遠(yuǎn)比氫氧化鋁低，氧化錫、硼酸鋅、硼酸銨也是較好的助劑材料。本課題選用氫氧化鎂、氧化錫為助劑。
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2 結(jié)果與分析
2 ． 1 耐火極限及粘結(jié)性能
隧道防火涂料最重要的指標(biāo)是涂料的耐火極限、粘結(jié)性能和安全毒性，在確定了原料后，通過改變原料的比例，研究了上述 4 類材料對涂料耐火 極限、粘結(jié)性能的影響，每個因素上選取 3 個水平， 采用 L9(3 4) 正交試驗(yàn)設(shè)計方案 ( 參見表 1) 。
表 1 因素水平表
正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表 2 、表 3 和表 4 。
表 2 試驗(yàn)結(jié)果
表 3 耐火極限的極差
表 4 粘結(jié)強(qiáng)度的 極差
由正交試驗(yàn)結(jié)果可見，發(fā)泡材料對耐火極限影響最大，其次是粘結(jié)劑，助劑，復(fù)合材料，在粘結(jié)劑量一定的條件下，增加發(fā)泡材料、復(fù)合填料及助劑，均可提高涂料的耐火極限。
粘結(jié)劑和復(fù)合填料對粘結(jié)強(qiáng)度影響最大，增加粘結(jié)劑可以增加粘結(jié)強(qiáng)度，隔熱填料多為輕質(zhì)材 料，增加低密度的隔熱填料，單位體積的涂料中粘 結(jié)劑含量減少，致使粘結(jié)強(qiáng)度降低。
2.3 涂料配方及工藝
經(jīng)過大量的試驗(yàn)。確定了涂料的配方 ( 質(zhì)量比 ) ：
粘結(jié)劑： 55 ～ 65
復(fù)合填料： 45 ～ 50
發(fā)泡材料： 8 ～ 1O
助劑： 18 ～ 22
生產(chǎn)工藝流程見圖 1
圖 l 隧道防火涂料生產(chǎn)工藝流程圖
2 ． 4 性能測試結(jié)果
由于我國隧道防火涂料從 20 世紀(jì) 90 年代末才逐步研究和生產(chǎn)，目前還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，有些廠家制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其耐火性能是按公安部頒布的公 共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GA 98《預(yù)應(yīng)力混凝土樓板防火涂 料通用技術(shù)條件》進(jìn)行試驗(yàn)的?，F(xiàn)在 GA 98 正在修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)名稱擬改為 GA 98《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》，將新增隧道防火涂料的試驗(yàn)方法和性 能要求。
隧道防火涂料理化性能試驗(yàn)的基材采用石棉水泥板，試驗(yàn)方法類似于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。耐火 性能試驗(yàn)的基材采用 GB 14040 規(guī)定的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。如型號為 Y — KB366 — 2 的多孔板，該板 標(biāo)志長度為 3 ． 6 m ，標(biāo)志寬度為 600 mm ，荷載等級為 2 級。將待測的防火涂料均勻地噴涂在預(yù)應(yīng)力板 配力筋一面上到規(guī)定的厚度，并干燥養(yǎng)護(hù) 15 d 以 上，安裝于臥式爐上，按設(shè)計荷載均布加載，對于 Y — KB366 — 2 型多孔板。加壓荷載為 400 kg ／ m2 。根據(jù) GB ／ T 9978( 建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行耐火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以防火涂層厚度 (mil1) 和涂覆試板耐火極限 (h) 表示。本課題研制的隧道防火涂料由四川省公安廳消防產(chǎn)品行業(yè)管理辦公室 抽樣，送國家防火建材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，檢 測結(jié)果見表 5 。
表 5 隧道防火涂料主要性能指標(biāo)
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該隧道防火涂料不僅防火效果顯著，還具有以 下特點(diǎn)：
(1) 涂料為堿性材料，對混凝土的附著力強(qiáng)，使用方便，人工機(jī)械均可使用；
(2) 涂料顏色多樣，施工效果美觀大方，在燈 光的照射下，可獲得色彩斑斕的外觀效果，有效地降低駕駛員的視覺疲勞，提高行車安全性；
(3) 減少通風(fēng)阻力，提高通風(fēng)效果；
(4) 在中長隧道里，因?yàn)橥苛蠟榈腿葜夭牧希?所以能達(dá)到明顯的消音效果；
(5) 涂層耐沖洗，有利于保持洞內(nèi)整潔；
(6) 涂料對人體無毒無害，在溫度急劇變化的高溫火焰沖擊的情況下，性能同樣穩(wěn)定。
(7) 主要適用于公路隧道，鐵路隧道的防火，還適用于石化工程、高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)、地下車庫的防火需要。
3 隧道防火涂料的施工
3 ． 1 施工方法
隧道防火涂料的施工一般采用分層間隔性施工工藝，分基層 ( 防火層 ) 和表層 ( 顏色層 ) 施工。施工期間及施工后的 24 h 內(nèi)，環(huán)境溫度不得低于 4oC ，以防止遭受凍害。在極度干燥和炎熱條件下，應(yīng)該創(chuàng)造必要養(yǎng)護(hù)條件，防止涂層失水過快。
3 ． 1 ． 1 施工機(jī)具
(1) 砂漿攪拌機(jī)；
(2) 專用噴涂設(shè)備 ( 擠壓式灰漿泵、空壓機(jī) ) ；
(3) 涂抹灰漿專用鐵板；
(4) 清洗用具；
(5) 運(yùn)輸工具等。
3 ． 1 ． 2 施工準(zhǔn)備
(1) 將隧道砼表面的浮塵、油污等清洗干凈． 并灑水潤濕；
(2) 修補(bǔ)凹凸不平的地方，確保隧道砼表面的平整；同時對砼表面特別光滑的地方，要求用砂漿抹面；
(3) 漏水的地方一定要止水補(bǔ)漏。
3 ． 13 基層施工
(1) 水和涂料以 0 ． 7 — 0 ． 75 的比例，用攪拌機(jī)攪拌 20 min( 一定要確保攪拌時間，涂料要隨拌隨 用 ) ，成稠漿狀；
(2) 用少量的料漿做間距為 2 ． 5 m 的橫條狀厚度標(biāo)志，作為噴涂施工的參照物；
(3) 用噴涂機(jī)從隧道的腰部向頂部 ( 從下而上 ) 進(jìn)行噴涂，每次噴涂 3 8 min 厚；
(4) 待第 1 次噴涂基本干透后，繼續(xù)噴涂第 2 次，如此循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)計厚度；
(5) 因噴涂表面不夠光滑，所以在最后一次噴 涂后，要立即用料漿進(jìn)行手工補(bǔ)填找平、修整，使 涂層表面平整光滑，并確保涂層達(dá)到設(shè)計厚度；
(6) 基層完工后，要求涂層表面平整、光滑、 潔凈。
3 ． 1 ． 4 表 層施工
在基層基本干透成型后 ( 約需 3 d) ，方可進(jìn)行表層施工 ( 對要求較高的工程，如市政工程等，在表層施工前最好在基層表面刮一層膩?zhàn)?) 。表層可以用噴槍、羊毛刷、輥筒等機(jī)具進(jìn)行施工。噴刷要求均勻、平滑、無色差。不同顏色的分界線要求平 直、清晰。
3 ． 2 養(yǎng)護(hù)
常規(guī)自然養(yǎng)護(hù) 28 d ，養(yǎng)護(hù)條件與普通混凝土相同。涂層如有損傷，應(yīng)及時修補(bǔ)。
3 ． 3 施工注意事項
(1) 攪拌時料漿太千，可適當(dāng)增大水灰比。以 適宜施工為準(zhǔn)；
(2) 在攪拌、噴涂、涂抹過程中，散落、反彈 的料漿可及時收回利用；被污染的和超過 2 h 的不 能再用；
(3) 涂料包裝袋一經(jīng)打開應(yīng)立即使用，受潮結(jié)塊的涂料不得使用；
(4) 施工工藝可根據(jù)涂層的設(shè)計厚度和施工條件，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
4 結(jié)語
隧道防火涂料是近幾年才研究出來的產(chǎn)品，因此與其它防火涂料相比，其產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)廠家都 要少些。但是隧道防火涂料作為一種價格低廉、對隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)作用明顯、適合我國目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的新型涂料，在預(yù)防隧道火災(zāi)、提高隧道結(jié)構(gòu)的耐火極限方面將起到積極的作用，并在降低外部火 災(zāi)帶來的損失和縮減修復(fù)成本方面，將產(chǎn)生潛在的、巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。由于中外隧道火災(zāi)的慘痛教訓(xùn)，隧道結(jié)構(gòu)防火已引起國內(nèi)外有關(guān)部門的高度重視，各部門對使用隧道防火涂料作為隧道結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的要求也日益增加，因而隧道防火涂料的研究、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用正在逐漸步人高潮。 目前全國很多廠家、研究單位正在對隧道防火涂料 的研究和應(yīng)用開展積極的工作，隨著這些工作的推進(jìn)，將會有更多更好的隧道防火涂料產(chǎn)品問世，以滿足社會的需要。
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