隧道防火涂料研究綜述

孫厚超，劉晶，楊建明

（鹽城工學院土木工程學院，江蘇 鹽城 224051）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，各種鐵路、公路隧道以及城市地下鐵道的大量建設(shè)，道路交通狀況發(fā)生明顯改善。但隨著道路交通流量的增加，運輸車輛和運輸物品變化很大，不僅增加交通隧道的火災(zāi)風險，而且隧道中一旦發(fā)生火災(zāi)，就會造成經(jīng)濟損失大、搶修難、中斷行車時間長的交通事故[1]。因此，隧道防火成為地下工程研究的重要課題。目前在隧道混凝土結(jié)構(gòu)表面噴抹隧道防火涂料成為一種比較經(jīng)濟可行的防火措施。這種特殊涂層是專門為隧道壁和拱頂設(shè)計的，以避免火災(zāi)中隧道結(jié)構(gòu)的燒損，滿足隧道防火要求，同時也可兼作隧道的內(nèi)部裝飾。

1 隧道防火涂料的歷史

20世紀80年代中期我國隧道結(jié)構(gòu)防火保護工作才起步，少數(shù)隧道使用防火涂料，如上海延安東路的岳江隧道。本世紀初以來，隧道的設(shè)計和建造均依據(jù)最新規(guī)范，逐步普及隧道防火涂料在地下工程中的應(yīng)用。起初用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或混凝土樓板防火涂料代替隧道防護涂料，甚至使用電纜防火涂料。由于涂料種類不同，防護對象不一樣，防火性能有較大差別，特別是電纜防火涂料，耐火極限最多才20min，無法承受隧道火災(zāi)。此外，電纜防火涂料火災(zāi)時會產(chǎn)生大量有害物質(zhì)，厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或混凝土樓板防火涂料耐火性能好，但存在涂層厚、粘結(jié)強度低、耐水性差、涂層毒性研究沒有足夠認識等問題[2]。因此，上述涂料都不能代替隧道防火涂料，研制隧道專用防火涂料已成為需要解決的課題。

2 隧道防火涂料組成與防火機理

2.1 組成

隧道防火涂料主要由粘結(jié)劑、耐火填料、發(fā)泡材料和助劑組成[3-6]。

①粘結(jié)劑：耐火水泥、磷酸鹽等均為較好的粘結(jié)劑。因用量大，需綜合考慮燃燒性能、火災(zāi)時煙氣和價格等選擇粘結(jié)劑。粘結(jié)劑體積含量約為35%～40%。

②耐火填料：具有高溫隔熱和降低熱導率作用，構(gòu)成涂料的骨架。膨脹珍珠巖、輕質(zhì)碳酸鈣等常見的無機輕質(zhì)隔熱填料。約占涂料總體積的35%～38%。

③膨脹劑：約占總體積的8%～10%，具有高溫速膨脹隔熱性能。常用膨脹劑有膨脹蛭石、重鉻酸銨、三聚氰胺等。

④阻燃劑：具有受熱膨脹隔熱阻燃性能，如含結(jié)晶水的硼化物、鋅化物等。約占總體積的12%～15%。

⑤其他助劑：可改善涂料和易性和理化性能，約占涂料總體積的3%～5%。高效減水劑等為常用助劑。

2.2 防火機理

從燃燒條件可以看出，切斷燃燒三個要素中任一因素可阻止燃燒。在可燃材料的表面覆蓋有不可燃或難燃的涂層，以防止與空氣接觸，使可燃材料的表面變成不可燃。例如，當遇到高溫時，涂有硼化物的基材表面玻璃化，可隔離空氣、火焰和熱量；另一方面，硼化物含結(jié)晶水，受熱分解成水蒸氣，稀釋并降低可燃氣體濃度，從而推遲溫升，提高耐火極限，達到防火目的。

從燃燒蔓延方式可看出，防止燃燒蔓延，必須隔離被保護對象的傳熱途徑。在涂料中加入鋁的氫氧化物等無機添加劑，當火災(zāi)達到添加劑分解溫度時，會急劇分解，在脫水過程中吸收部分燃燒熱量，降低系統(tǒng)溫度，同時，大量的水蒸氣也能抑制煙氣的形成。

從阻燃原理可知，為了實現(xiàn)涂層本身的阻燃性或不燃性，可在涂層中加入阻燃劑，以提高涂層的阻燃性。還可以將具有阻燃性能的元素與有機高分子分子連接起來，實現(xiàn)成膜材料的阻燃。無機膠粘劑也可用作成膜材料，以達到涂層的不燃性。

3 隧道防火涂料改良方向與試驗方法

為滿足不同環(huán)境和用途需要，對隧道防火涂料進行改進，使其系列化。

3.1 改良方向

①高強抗裂隧道防火涂料：通過改變隧道防火涂料中粘合劑、干燥劑和分散劑的含量，制備出粘結(jié)強度高、抗裂性好的隧道防火涂料。

②防水隧道防火涂料：隧道滲水是至今沒有得到很好解決的難題。因此，隧道防火涂料的研制中還需兼顧涂料耐水性能。

③抗凍性隧道防火涂料：在高緯度、高原和高山地區(qū)的隧道中，對隧道防火涂料的抗凍性要求更高。

④超長耐火極限隧道防火涂料：涂層厚度為20mm的隧道防火涂料的耐火極限為120min，但在如海底隧道等特殊隧道對防火涂料的耐火極限要求更高，因此有必要開發(fā)更高效的阻燃體系。

⑤綠色環(huán)保隧道防火涂料：針對隧道環(huán)境下通風差和疏散難特點，有毒有害氣體釋放量是國標中一項嚴格的指標要求。

3.2 試驗方法

①粘結(jié)強度測試：依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB28375-2012）規(guī)定，按照JG/T24-2000標準，在70mm×70mm×20mm砂漿塊上鋪設(shè)塑料框架，用防火涂料填充40mm×40mm框架，抹平去框后室溫養(yǎng)護14d，并沿試件表面垂直方向放置在拉力試驗機上，按拉伸速度5mm/min測定粘結(jié)強度，每組5個試樣。

②耐火性能測試：將涂料涂覆在200mm×140mm×10mm的水泥石棉板上，涂層厚度10mm。常溫28d養(yǎng)護后，按標準碳氫曲線在GJL-2型小型耐火試驗爐上升溫，對水泥石棉板背火面溫度每隔1min記錄1次，直至溫度達到250℃。由于水泥石棉板背火面溫度與耐火極限存在一定的關(guān)系，即升溫至相同溫度所需的時間越長，涂料耐火極限越高[7]。因此，根據(jù)水泥石棉板背火面溫度，可推斷涂料的耐火極限。

③XRD測試：將水泥燃燒前水化樣品及燃燒后冷卻樣品研細制樣，利用日本理學DMAX-RB型X-射線衍射儀對其進行XRD分析。

4 隧道防火涂料的發(fā)展趨勢

涂料行業(yè)正朝著“五個E”方向發(fā)展，即提高涂料質(zhì)量、施工方便、節(jié)約資源、節(jié)能、生態(tài)環(huán)保[8]。因此，今后隧道防火涂料發(fā)展方向為[9-10]：

①開發(fā)超薄膨脹型或無機輕質(zhì)膨脹型隧道防火涂料，以避免涂料設(shè)計厚度過大的缺陷；

②研制水性和環(huán)保型隧道防火涂料，在生產(chǎn)、施工或燃燒過程中，力求減少或避免環(huán)境污染和人身傷害；

③水性隧道防火涂料初凝時間和粘結(jié)性能受水凍結(jié)的影響，需要進一步完善；

④在涂料中添加高性能增強材料，保證涂層能長期耐火隔熱，膨脹后不脫落，在地下工程防水、裝飾、降低成本等方面不斷發(fā)展；

⑤應(yīng)重視隧道防火涂料性能研究，同時應(yīng)關(guān)注施工工藝的改進；

⑥進一步拓展隧道防火涂料應(yīng)用范圍，例如大型地下停車場、車庫等場所。

5 結(jié)語

與其他防火涂料相比，我國隧道防火涂料研究起步晚，但研制和應(yīng)用價格低廉、防火性能明顯的隧道防火涂料，具有重要意義。開發(fā)適合我國隧道環(huán)境的新型涂料，對提高隧道結(jié)構(gòu)耐火性能和降低火災(zāi)損失起到積極作用，發(fā)揮良好的經(jīng)濟效益和社會效益。