基于正交試驗的新型隧道防火涂料配方優化及其應用

景宏君，景宏彬，孫明東，艾 濤

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710054;2.陜西省水務集團有限公司，陜西西安 710068;3.安康公路管理局，陜西安康 725000;4.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安 710064)

基于正交試驗的新型隧道防火涂料配方優化及其應用

景宏君1，景宏彬2，孫明東3，艾 濤4

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710054;2.陜西省水務集團有限公司，陜西西安 710068;3.安康公路管理局，陜西安康 725000;4.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安 710064)

為了客觀評價自制新型隧道防火涂料的各項性能，選用水性環氧樹脂、有機硅高分子、水鎂石纖維和聚磷酸胺(APP)等原材料，用熱分析法確定出各組分的合適比例，通過耐火試驗、熱重分析等試驗，應用正交優化原理獲得隧道表層和基層防火涂料的最優配方組合，研究開發出抗污耐水性能優良、質優價廉的新型隧道表層和基層防火涂料。經過測試，其各項性能優于現有相關技術規范指標要求。

隧道工程;正交試驗;防火涂料;配方優化

本研究開發的抗污耐水型隧道防火涂料由外層和基層防火涂料構成。外層為膨脹型隧道防火涂料，承擔著抗污和耐水的功能，還具有可裝飾性;基層為地質聚合物非膨脹型防火涂料，具有高黏結性、強耐火性，還可根據不同隧道防火性能要求變化其厚度和功能層，實現多樣化、多層可選。

1 方案優化

為了實現新型隧道防火涂料的多功能化，必須設計一種多功能復合涂層?？刮酆湍退饕槍λ淼婪阑鹜苛媳砻?，要求表面既可抵抗隧道內油煙污染，又可耐受隧道內壁定期的高壓水清洗;基層防護涂料則要求具有高黏結性、強耐火性和薄涂層［6-7］。本研究對配方中的重要功能組分進行多次優化試驗，通過抗污試驗和接觸角測試，最終確定多功能防火涂料配方方案。經過專業測試，材料各項指標均超過預定標準。

1．1 涂料配方優化

抗污耐水型隧道防火涂料是一種復合型防火涂料，由表面層涂料和基層涂料構成，前者為以水性環氧樹脂為主體的有機涂料，主要起抗污、耐水作用;后者由粉煤灰地質聚合物防火涂料組成，主要起防火作用［8-10］。這種涂料可由表面層與不同厚度和結構的地質聚合物防火涂料構成，每種組合都有著不同的耐水性能，可滿足不同防火等級隧道的要求。

1．1．1 表面防火涂料的最優化

抗污耐水表面層是由水性環氧樹脂、阻燃體系、抗污耐水交聯組元組成。具體配方為:環氧樹脂40%、聚磷酸銨15%、季戊四醇7．5%、三聚氰胺7.5%、聚醚胺3%、納米二氧化硅3%、無機礦物纖維3%、納米二氧化鈦5%、有機硅交聯劑5%、錫酸鋅10%。

為了進一步研究抗污組元納米二氧化硅、納米二氧鈦和有機硅交聯劑對涂料抗污性能的影響，本研究設計了一個不考慮交互影響的三因素三水平正交試驗，即L9(34)。根據上述方法進行編程計算，并測試接觸角，結果如表1所示。由表1可知，有機硅偶聯劑KH550及納米粉體用量對涂料的親水性有較大影響。挑選接觸角從小到大的5個配方進行抗污試驗，結果見表2。由表2可知，防火涂料親水性隨其與水的接觸角的增大而下降，涂料抗污性能在接觸角為40°時達到最好，但隨著親水性的下降，涂料的抗污性能先下降后又提高。這說明涂料抗污性能與其親水程度有一定關系，親水性在某個范圍時，涂料抗污性能達到最佳，這可能與納米粒子的雙親性及有機硅偶聯作用有關［11-12］。

表1 不同配方接觸角測試結果

本次抗污試驗的污染源為特殊處理的粉煤灰，呈親油性，與隧道中污染物(如尾氣、煤粉塵)性質相近，因此抗污試驗結果具有非常高的參考價值。

1．1．2 基層防火涂料的最優化

地質聚合物隧道防火涂料基層分為2層，即底層與上層。底層為5 mm厚的不發泡地聚合物防火涂料，旨在提高地質聚合物與混凝土的黏結性能，其中激發劑、可分散性膠粉、粉煤灰、高鋁水泥、珍珠巖、海泡石、蛭石、塑化劑、滲透結晶母粒的比例為44∶3∶80∶20∶4∶2∶10∶1∶3。

表2 典型配方抗粘污性能測試結果

上層為發泡層，其中激發劑、可分散性膠粉、粉煤灰、高鋁水泥、二氧化硅氣凝膠、珍珠巖、海泡石、蛭石、發泡劑、引氣劑、塑化劑、滲透結晶母粒的比例為44 ∶3 ∶80 ∶20 ∶0．03 ∶4 ∶2 ∶10 ∶10 ∶0．1 ∶1 ∶3。

二氧化硅氣凝膠的添加量對上層地質聚合物非膨脹型隧道防火涂料的防火性能有影響，具體結果見表3。

表3 二氧化硅氣凝膠對隧道防火涂料防火性能的影響

由表3可知，二氧化硅氣凝膠可明顯提高地質聚合物防火涂料的耐火時間，這是由于二氧化硅氣凝膠納米級骨架可減緩固體熱傳導，納米多孔結構可抑制氣體熱傳導和對流傳熱。氣凝膠具有優異的隔熱性能，是目前公認的熱導率最低的固態材料，可作為隧道防火涂料重要的添加材料。

綜上所述，可根據不同隧道安全等級要求添加氣凝膠填料配制地質聚合物涂層，或都換為添加氣凝膠填料的地質聚合物涂層，以保證隧道防火涂料輕薄、抗污、耐水。

1．1．3 隧道防火涂料方案優化組成

由優化試驗結果可確定，抗污耐水型隧道防火涂料由水性環氧樹脂膨脹型防火涂料和添加有氣凝膠的非膨脹型防火涂料組成，具體為:在水泥混凝土試塊上先涂5 mm厚不發泡的地質聚合物防火涂料;待表干后，再涂10 mm厚發泡的地質聚合物防火涂料(5%二氧化硅氣凝膠);自然養護一星期后，再刷涂一層水性環氧樹脂防火涂料，成為最終的抗污耐水型防火涂料，其性能見表4。由表4可知，本文研究開發的抗污耐水型隧道防火涂料性能優良，達到預定技術指標要求。

考慮成本和不同隧道安全等級防火要求，本研究又設計了不同抗污耐水型隧道防火涂料組合，其性能差異如表5所示。

表4 抗污耐水型隧道防火涂料主要性能指標

表5 不同抗污耐水型隧道防火涂料性能

1．2 抗污耐水型隧道防火涂料經濟性分析

根據抗污耐水型隧道防火涂料配方組成，分別計算各層成本，并與國內一些品牌隧道防火涂料進行性能和價格方面的對比，結果見表6。由表6可知，與其他生產廠家的隧道防火涂料相比，本研究自制的抗污耐水型隧道防火涂料性能最優，材料成本低(底層材料成本為3．5元·kg－1，表面抗污層材料成本為27元·kg－1)，經濟效益非常顯著。

表6 不同生產廠家的隧道防火涂料性能價格對比

2 工程應用

2．1 工程概況

本項目依托的抗污耐水型隧道防火涂料示范工程是國道312陜西省咸陽市彬縣境內太峪隧道，該隧道長1238 m、寬8 m。目前，該隧道交通量非常大，多為拉煤重載車，雙向通行，隧道內通風除塵極為不足，洞內尾氣濃度大，灑落煤粉多，揚塵嚴重，能見度極差，隧道內壁吸附大量煙塵，污染情況嚴重。本次防火涂料施工面積3000 m2，隧道全斷面噴涂防火涂料，基層噴涂15 mm厚的隧道防火涂料，表層噴涂淺黃色抗污防火涂料。

2．2 施工組織設計

示范工程施工前，根據事先制定的施工組織方案確定項目管理人員和工作班組，足額準備相應的檢測儀器、設備和材料，要求必須由專業涂料隊伍施工，且施工前施工負責人向班組進行詳細的技術交底。

2．3 基層防火涂料施工

基層的施工質量至關重要，在施工過程中，隧道襯砌基層處理、防火涂料配料、噴涂施工和養護方面都有具體要求。

(1)隧道襯砌基層處理。施工前，用砂紙等清除基層疏松層、浮灰、浮塵、脫模劑、油污和污漬等雜物，并用高壓水沖洗干凈，最后抺涂2 mm厚水泥砂漿層。

(2)防火涂料配料。將水與涂料按100∶90的比例混合并充分攪拌成均勻漿料，涂料隨拌隨用，在2 h內用完;當氣溫高、濕度小或風速大時，宜在30～60 min內用完。

(3)噴涂施工。對隧道壁表面進行除污、除油處理結果檢查，合格后方可開始施工;施工前在隧道壁噴少量水，要求混凝土基體表面不得有明水;采用噴涂法施工。

(4)養護。隧道涂層施工達到設計厚度且終凝后應進行7 d保濕養護，初始宜采用噴霧養護，后期可噴灑清水并自然養護21 d;養護期間應防止碰撞和用水沖刷;洞內配1臺灑水車不定期灑水，以洞內路面保持濕潤狀態為宜。

2．4 表層防火涂料施工

當基層防火涂層硬化7 d后，方可進行表面防火涂料施工。施工前，先對基層表面進行檢查，若發現表面不平整則用砂紙打平;按抗污涂料與固化劑的比例為100∶3進行配比，并攪拌至均勻;配制好后，用輥涂和噴涂相結合的方法使抗污防火涂料黏附在防火基層表面。

2．5 施工質量控制要點

為了保證良好的施工質量，要求襯砌基面處理到位，增強其界面黏結性;嚴格控制施工現場隧道涂裝涂料配比及涂層厚度。

2．6 安全及文明施工措施

施工期間嚴格按照公路安全施工規范設置相應的警示標牌，并指定專人進行維護;腳手架的搭建方案須經技術認可后方可使用，確保安全可靠;嚴格遵守施工現場安全管理規定，服從現場統一管理，做好交叉作業的協調工作。

2．7 環境保護措施

由于現場噴涂易引起周圍環境的變化，要求在施工過程中配備專用灑水車，對施工現場和運輸道路進行反復灑水濕潤，減少揚塵;同時對于報廢材料或施工中返工的挖除材料等應及時收集清理，以保護自然環境不受到破壞。

2．8 質量要求及檢驗

隧道防火涂層質量應符合下列要求。

(1)隧道涂料涂層與基層黏結牢固，墻裙(墻高4 m以下)平整光滑，其余部位表面應為平整毛面，噴涂均勻，無空鼓、無流墜、無漏涂，無裂縫、起層、掉塊、氣砂等缺陷，表面平整度偏差不大于2 mm［13］。

(2)隧道防火涂層平均厚度不得小于設計規定厚度，最小厚度不得小于設計厚度的85%。測量方法可用針刺法或割取20 mm×20 mm的實樣測量［14］。

3 結 語

(1)采用正交試驗法優化確定了抗污耐水型隧道防火涂料配方組成，包括膨脹型防火表層涂料和非膨脹型地聚合物基層防火涂料層，前者厚度小于0．05 mm，具有抗污、耐水和可裝飾性功能，后者厚度約15 mm，具有高耐火性能，耐火極限時間可達150 min以上。該防火涂料結構層各項性能優良，達到預定指標。實踐中可根據隧道等級的不同選擇相應耐火極限的防火涂料組合。

(2)確定了抗污耐水型隧道防火涂料的制備工藝和現場施工工藝，并成功在太峪隧道中進行應用。結果表明，自制的抗污耐水型隧道防火涂料制備和施工工藝合理，達到了預期目標。經濟效益分析表明，與國內隧道防火涂料的主流品牌產品相比，自制的抗污耐水型隧道防火涂料性能價格比最高。

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Optimization and Application of Formulation of New Tunnel Fireproof Coating Based on Orthogonal Experiment

JING Hong-jun1，JING Hong-bin2，SUN Ming-dong3，AI Tao4
(1．School of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，Shaanxi，China;2．Shaanxi Water Affair Group Co．，Ltd．，Xi'an 710068，Shaanxi，China;3．Ankang Highway Administration，Ankang 725000，Shaanxi，China;4．School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to objectively evaluate the performance of self-made new tunnel fireproof coating，water-based epoxy resin，organic silicon polymer，brucite fiber and ammonium polyphosphate(APP)and other raw materials were used to determine the appropriate proportion of each component by thermal analysis．Through the physical and chemical tests such as fire resistance test and thermogravimetric analysis，the optimal formula combination of fireproof coating for tunnel surface and base layer was obtained by orthogonal test．The new fireproof coating with excellent performance of stain and water resistance，which also has good quality and low price，was developed and successfully applied in tunnel projects．The test results show that its performance is superior to the requirements of existing technical specifications．

tunnel engineering;orthogonal experiment;fireproof coating;formulation optimization

U457．4

B

1000-033X(2017)09-0076-05

0 引 言

隧道空間相對密閉，一旦發生火災，極易造成重大生命與財產損失;因此，要把災害損失降到最低，隧道防火顯得尤為重要［1-3］。從性價比方面考慮，隧道防火涂料是隧道防火的最佳選擇，而其性能優劣直接反映隧道防火安全等級。國內外目前研究成果均存在涂層厚、黏結強度低、耐水性差、抗污性和裝飾性差、未注重涂層毒性研究等問題［4-5］。本項目基于這種現狀，開發出一種復合功能型抗污耐水隧道防火涂料，以滿足公路隧道不同安全等級要求，對于制定隧道防火涂料國家標準，具有極大的推動作用和實際意義。它既符合國家新材料開發的產業政策，又能提高隧道安全防火性能，擴大隧道防火涂料的應用范圍。

2017-03-15

國家自然科學基金項目(51608041);交通運輸部西部交通建設科技項目(20113188121720)

景宏君(1974-)，男，陜西吳堡人，教授級高級工程師，工學博士，從事土木工程方面的教學與研究工作。

［責任編輯:王玉玲］