环保型隧道防火涂料的研究应用及其前景

BMA004

王新钢，毛朝君    （公安部四川消防研究所，四川都江堰611830)     摘要：介绍的一种环保型的隧道防火涂料是以无机矿物隔热材料为主要成分的环保型的隧道防火涂料，该涂料具有无毒无味、施工简便、涂层附着力强、机械强度高、耐火极限时间长、耐火性能稳定可靠等特点。
    关键词：隧道防火涂料；无机矿物；隔热材料；环保涂料
    1引言
    建筑学中把横截面积超过30m2的地下人工建造的通道定义为隧道。从最近报道来看，我国的铁路隧道已超过6875座，总长度3700多km，公路隧道超过1780座。总长度近800km，均为世界第一。隧道不仅承担着交通运输的任务，还起着光缆、电缆甚至是输油管、输水管通道的功能。虽然作为隧道内主体建筑的钢筋混凝土构件是不燃性材料，但隧道火灾具有燃烧后周围温度升高较快、持续时间长，着火范围较大、消防扑救与进入困难等特点，在火灾发生的短时间内，隧道内着火现场的局部温度会迅速升至1000℃，随着温度的持续升高，混凝土内结合水变成蒸汽膨胀，产生压力，导致混凝土表层发生炸裂，产生大的塌陷，隧道衬砌和结构也受到破坏，加剧了疏散和救援人员的生命危险，其直接损失和间接损失巨大。随着我国长隧道及特长隧道的不断增多，隧道的结构防火保护已经是一个重要的研究课题。
    隧道结构防火保护的目的是：采取一定措施，使隧道的钢筋混凝土结构在火灾发生时保持完整性与稳定性，从而大大减少火灾事故造成的生命财产损失，缩短工程修复时间。在隧道消防技术中，主要有以下结构防火措施：即提供不计入结构剖面的额外混凝土厚度、在混凝土中添加聚丙烯纤维、安装喷淋灭火系统、在隧道衬体上粘贴隧道专用防火板材、在隧道衬体上喷涂防火涂料等。每种措施各有其特点，从性价比和施工的方便性考虑，隧道防火涂料均是隧道防火保护的最佳选择。
    2环保型隧道防火涂料的研制
    2.1主要原材料介绍
    2.1.1黏结剂及耐火隔热材料
    隧道防火涂料宜选用无机黏结剂，如水玻璃（硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等）、磷酸盐、硅溶胶、硅酸盐等，在此选用硅酸盐作主要黏结剂,因硅酸盐黏结剂的密度大，所以再配以其他轻质无机黏结剂和适量有机黏结剂以增加强度和降低干密度。对硅酸盐黏结剂的性能要求是强度高，硬化快，硬化物密度低。
    耐火隔热材料要求具有相对密度低、导热率低、粒径适宜、高温稳定性好等特点。在隧道防火涂料中常用的耐火隔热材料有以下几种。
    (1)膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩是白色或灰白色的多孔状物质，由天然珍珠岩经破碎、预热、瞬时高温(1200℃左右)煅烧，使内部所含的结晶水及挥发性成分急剧挥发而成，具有质轻、绝热、吸音、无毒、不燃、无味等特点，是一种很好的超轻质高效能的隔热保温材料(见表1)。

表 1 膨胀珍珠岩的分类及性能要求

    (2)膨胀蛭石。膨胀蛭石是由金云母或黑云母变质而成的，是一种复杂的铁、镁含水硅酸盐类矿物。外形像云母，但性脆而无弹性，表面光泽差，不能分剥成薄片，每层间含有结晶水，因此加热到850～1000℃时，由于结晶水变成气体，使体积膨胀15～20倍，薄片间形成空气夹层，形成层状碎片，其中有着无数细小的孔隙，是一种良好的无机保温隔热材料(见表2)。

表 2 常见膨胀蛭石的物理性能

(3)岩棉纤维。岩棉是人造轻质硅酸盐非连续的絮状纤维材料，质地松软，密度约为150kg／m3，导热系数在0．07W／(m·k)左右。其化学稳定性好，耐酸，耐碱。岩棉纤维虽细，但不脆，有弹性，经剪断加工成合适长度的纤维后，用来生产防火涂料，可增强涂层的机械强度。

    (4)其他耐火隔热材料。除上述几种耐火隔热材料外，还有海泡石、硅藻土、石棉等。海泡石可作为涂料的增稠剂、触变剂和悬浮剂。硅藻土密度约为500kg／m3，导热系数约为0．17W／(m·k)在防火涂料中可用作悬浮剂，但用量不能太大，否则影响涂料的干密度。石棉因其污染环境和危害人体健康，不推荐采用。
    2．1．2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。
    (1)聚磷酸铵。聚磷酸铵(APP)，又称多聚磷酸铵，是白色(结晶或无定形)粉末，系无分枝的长链聚合物，是一种优质、高效、无毒的发泡材料。
    (2)三聚氰胺。三聚氰胺俗称蜜胺，常用于防火涂料中的发泡组分，由于它不含卤素，无毒，不会污染环境，因此在防火涂料中广泛采用。
    2．1．3助剂
    (1)硅酸盐促固剂。一般情况下，硅酸盐黏结剂固化速度较慢，为满足GB14907—94规定干燥时间的要求，还需要加入适量的促固剂，要求促固剂在涂料粉料未加水混合前，不会造成粉料结团、水泥强度降低或失效。所以常选用不含水的粉状促固剂。
    (2)增稠剂或悬浮剂。由于涂料中分别含有密度较大的微细粉料和密度较小的隔热材料，如不使用增稠剂或悬浮剂，则不易混匀，加水搅拌时易分层以及稠度不适合刷涂要求。
    2．2试验结果及分析
    2．2．1耐火极限及黏结性能
    隧道防火涂料的最重要指标是涂料的耐火极限、黏结性能和安全毒性，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、黏结性能的影响，每个因素上选取3个水平，采用L9(3)正交试验设计方案(见表3)。

表 3 因素水平

2．2．2试验结果与分析

    试验结果与分析见表4。

表 4 试验结果与分析

    由此可见，发泡材料对耐火极限影响最大，其次是黏结剂，主次顺序为：C—A—D—B，在黏结剂量一定的条件下，增加发泡材料、耐火隔热材料及助剂，均可提高涂料的耐火极限。
    黏结剂和耐火隔热材料对黏结强度影响最大，主次顺序为：A—B—D—C，这是由于增加黏结剂可以增加黏结强度，耐火隔热材料多为轻质材料，增加低密度的耐火隔热材料，单位体积的涂料中黏结剂含量减少，致使黏结强度降低。
    2．3生产配方及性能指标
    经过大量的试验，确定了隧道防火涂料的配方(见表5)，具体性能指标见表6。

表 5 隧道防火涂料配方

    2．4生产工艺
    (1)将发泡材料、耐火隔热材料等原料过筛，除去粗颗粒，以避免喷涂施工时粗颗粒堵塞管道、喷枪。

表 6 隧道防火涂料技术要求

    (2)将助剂加入到发泡材料、耐火隔热材料中，在高速搅拌机中充分搅拌，混合均匀。
    (3)在以上混合物中加入黏结剂，充分搅拌，混合均匀。
    (4)产品须防潮，包装时内衬塑料袋，外套编织袋。隧道防火涂料的生产工艺流程见图1。

图l隧道防火涂料生产工艺流程

3隧道防火涂料的应用及施工

    隧道防火涂料主要适用于公路隧道、铁路隧道的防火，还适用于石化工程、高层建筑、钢结构、地下车库的防火需要。
    3．1施工方法
    隧道防火涂料的施工一般采用分层间隔性施工工艺，分基层(防火层)和表层(颜色层)施工。施工期间及施工后的24h内，环境温度不得低于4℃，以防止遭受冻害。在极度干燥和炎热条件下，应创造必要的养护条件，防止涂层失水过快。
    3．1．1施工机具
    施工机具：砂浆搅拌机、专用喷涂设备(挤压式灰浆泵、空压机)、涂抹灰浆专用铁板、清洗用具、运输工具等。
    3．1．2施工准备
    (1)将隧道砼表面的浮尘、油污等清洗干净，并洒水润湿；
    (2)修补凹凸不平的地方，确保隧道砼表面的平整；同时对砼表面特别光滑的地方，要求用砂浆抹面；
    (3)漏水的地方一定要补漏止水。
    3．1．3基层施工
    (1)水和涂料以(0．70～0．75)：1的比例混合，用搅拌机搅拌20min(一定要确保搅拌时间，涂料要随拌随用)，成稠浆状；
    (2)用少量的浆料做间距为2．5m的横条状厚度标志，作为喷涂施工的参照物；
    (3)用喷涂机从隧道的腰部向顶部(从下而上)进行喷涂，每次喷涂厚度3～8mm；
    (4)待第一次喷涂基本干透后，继续喷涂第二次，如此循环，直至喷涂到设计厚度；
    (5)因喷涂表面不够光滑，所以在最后一次喷涂后，要立即用料浆进行手工补填找平、修整，使涂层表面平整光滑，并确保涂层达到设计厚度；
    (6)基层完工后，要求涂层表面平整、光滑、洁净。
    3．1．4表层施工
    在基层基本干透成型后(约需3d)，方可进行表层施工(对要求较高的工程，如市政工程等，在表层施工前最好在基层表面刮一层腻子)。表层可以用喷枪、羊毛刷、辊筒等机具进行施工。喷刷要求均匀、平滑、无色差。不同颜色的分界线要求平直、清晰。
3．2养护
    常规自然养护28d，养护条件与普通混凝土相同。涂层如有损伤，应及时修补。
    3．3施工注意事项
    (1)搅拌时浆料太干，可适当增大水灰比，以适宜施工为准；
    (2)在搅拌、喷涂、涂抹过程中，散落、反弹的浆料可及时收回利用；被污染的和超过2h的不能再用；
    (3)涂料包装袋一经打开应立即使用，受潮结块的涂不得使用；
    (4)施工工艺可根据涂层的设计厚度和施工条件，
    进行适当调整。
    4隧道防火涂料的发展前景
    国内外就隧道防火涂料的研究已开展了大量的工作。如国内学者提出一种以硅酸盐为主要黏结剂，以氢氧化铝、膨胀蛭石、三硅酸镁等为填充料，四硼酸钠为防火助剂的隧道防火涂料；针对隧道砌体不耐高温的特点，研制了一种以无机胶凝材料为主的耐潮湿环境的水硬性隧道防火涂料，该涂料可同时应用于钢结构和混凝土的防火保护；开发了一种新型的物理膨胀阻燃剂，以可膨胀石墨为主，制备了一种无卤素、环保、并具有优良防火性能的物理膨胀型防火涂料。而国外学者研制出建筑物表面的无机防火涂料，由水硬性白水泥、水玻璃、蛭石、膨胀珍珠岩、无机玻璃纤维等组成；推出了以海泡石、钙硅石、增强纤维、高铝水泥、无定形硅石为主要组成的防火涂料，该涂料具有很好的绝热性和防爆裂性，可应用于建筑物外墙、隧道等；可用于金属和混凝土表面的防火涂料，由膨润土、硅酸铝、硅灰石、硅酸镁、玻璃微珠及一些多孑L填料组成，黏结剂为水玻璃、波特兰水泥、石膏、磷酸盐类中的一种或几种等。
    从国内外各类防火涂料的文献专利看出，用于保护建筑结构的不燃性涂料包括有机膨胀型厚浆涂料和轻体无机防火涂料2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4．7mm时，耐火极限也只有1h。而无机涂料，由于密度小、热导率小、耐火性能好，随涂层厚度不同，可满足1～2h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，一般应采用有机一无机复合涂料的技术路线，其今后的发展方向为：①发展超薄型膨胀隧道防火涂料和无机轻质膨胀型隧道防火涂料等，避免现在的隧道防火涂料涂层过厚的缺陷；②发展水性和环保型隧道防火涂料，尽量减少或避免因生产、施工或燃烧造成的环境污染和人身伤害；③寻求在涂料中使用的高性能增强材料，以确保涂层膨胀后能长时间耐火隔热而不致脱落，并在隧道防火涂料的耐水性、装饰性、降低成本等方面不断发展；④既要重视防火性、理化性能和使用性能的研究，也要重视提高施工技术水平，以保证产品和涂层的品质。
    5结语
    隧道防火涂料是近几年才研究出来的产品，因此与其他防火涂料相比，其产品产量和生产厂家相对较少。但是隧道防火涂料作为一种价格低廉、对隧道结构保护作用明显、适合我国目前经济发展水平的新型涂料，在预防隧道火灾、提高隧道结构的耐火极限方面将起到积极的作用，并在降低外部火灾带来的损失和缩减修复成本方面，将产生潜在的、巨大的经济效益和社会效益。由于中外隧道火灾的惨痛教训，隧道结构防火已引起国内外有关部门的高度重视，各部门对使用隧道防火涂料作为隧道结构防火保护的要求也日益增加，因而隧道防火涂料的研究、生产和推广应用正在逐渐步入高潮。目前全国很多厂家、研究单位正在对隧道防火涂料的研究和应用开展积极的工作，随着这些工作的推进，将会有更多更好的隧道防火涂料产品问世，以满足社会的需要，由此可以推动隧道防火涂料的发展及高性能防火助剂的开发，使隧道防火涂料走向良好的发展轨道。