環氧防火涂料對鋼殼混凝土結構隧道的防火研究

孫 浩 王良偉 楊昌海 袁亞利

(應急管理部四川消防研究所 成都 610036)

鋼殼混凝土結構隧道與傳統的鋼筋混凝土隧道相比，具有以下優勢：強度高，可抵抗更大載荷，實現更大的斷面；延性好，耐久性更強；施工快捷簡單，可節省支模等工序[1]。近年來，鋼殼混凝土結構隧道在我國得到了飛速發展，并且正朝著大跨度方向發展。在建的舉世矚目的珠江口百年門戶工程深中通道，其海底隧道采用的就是鋼殼混凝土沉管隧道，這是世界上首次大規模采用、國內首次提出采用鋼殼混凝土結構用于修筑海底隧道。

隨著鋼殼混凝土結構隧道的快速發展，隧道火災危險隨之增加。隧道因為空間相對封閉，導致火災時隧道內溫度在短時間內能達到1 000 ℃以上[2]。高溫下鋼材的力學性能急劇變化，當超過300 ℃時，鋼材的力學性能開始下降；當溫度達到430～540 ℃時，鋼材的強度會顯著下降；當溫度達到450～650 ℃時，鋼材強度下降到幾乎失去承載能力[3]。因此，必須對鋼殼混凝土結構隧道進行防火保護。

國內外針對傳統的鋼筋混凝土隧道結構的隧道防火保護進行了大量研究，但針對鋼殼混凝土隧道結構的防火保護措施和評價研究成果較少。傳統的隧道防火保護措施主要適用于鋼殼混凝土隧道結構的被動防火保護，其技術成熟、施工方便的方法有噴涂防火涂料和加裝防火板[4]。李平利等[5]提出了隧道防火涂料存在黏性和耐候性差，以及受火易脫落等問題，防火板存在吸濕率高及受火易開裂等問題，不能對鋼殼混凝土結構隧道進行很好的防火保護。經過調研，環氧防火涂料與其他類型防火涂料相比，具有附著力好、黏結力強，膨脹層致密結實，耐候性良好等優勢，已廣泛應用于環境惡劣的石化等行業[6]。

本文針對鋼殼混凝土隧道結構的特點，采用環氧型鋼結構防火涂料對隧道結構進行防火保護，并通過局部1∶1結構構件的耐火試驗驗證其有效性。

1 耐火試驗

調研國內隧道結構防火保護相關的規范及隧道防火保護材料耐火性能測試相關的國家和行業標準后，發現目前還沒有一個具體可操作的試驗方法來對鋼殼混凝土結構隧道的耐火性能進行測試。鑒于此，本文提出一種鋼殼混凝土結構隧道耐火試驗方案，并通過3組局部1∶1結構構件進行耐火試驗，驗證本方案的可行性。

1.1 試驗工況設計

GB 50016-2014 《建筑設計防火規范》對隧道進行了分類，并規定隧道承重結構體的耐火極限，隧道分類、升溫曲線，以及耐火極限見表1[7]。為驗證環氧型鋼結構防火涂料在極端火災情況下對鋼殼混凝土結構隧道的防火保護效果，以及環氧型鋼結構防火涂料的普遍適用性，采用條件比較苛刻的RABT升溫曲線和HC升溫曲線對試件進行耐火試驗，耐火時間均設定為規范要求的最高時間等級2 h。

表1 GB 50016《建筑設計防火規范》中隧道分類、升溫曲線及耐火極限表

1.2 試驗試件制作

為了更真實地反映隧道在服役時遭受火災的現實狀態，在充分的文獻和現場調研下，根據試驗爐的尺寸和承重條件制作了以下試件。

試件的基材為長1 450 mm、寬1 450 mm的鋼板(材質為Q235B)，鋼板上表面邊長1/2處焊接角鋼，鋼板上表面澆筑混凝土。混凝土為熱惰性材料，溫度在內部影響范圍有限，結構受火面的溫度越高，其內部溫度梯度就越大。但受火表面溫度對于結構內部的影響深度有限。在不考慮混凝土爆裂的前提下，火災對結構的影響深度約為30 cm左右[8-10]，因此本試驗設定混凝土的厚度為30 cm。

實際工程中隧道鋼板的厚度是根據隧道的承載情況和服役條件決定的，不同隧道的鋼板厚度不一樣，同一隧道不同位置的鋼板厚度也不一樣，本次試驗意在研究防火材料保護下的隧道結構耐火性能，僅選擇代表性的鋼板厚度進行試驗。對于鋼板和混凝土整體作為隧道承力結構的隧道，如深中隧道管節內側鋼板厚度為10～30 mm，本次試驗參照深中隧道鋼板厚度選擇中間尺寸鋼板厚度為20 mm，標記為試件1；對于鋼板只作隧道支模作用不作為隧道承力結構的隧道，鋼板的厚度沒有具體的規定，但考慮隧道工程施工等因素，本次試驗鋼板厚度選擇為10 mm，標記為試件2；為模擬隧道頂部呈弧形的隧道結構，在試件1的基礎上將鋼板沿一邊彎曲一定弧度，彎曲弧度半徑ρ=5.2 m，標記為試件3。

1.3 熱電偶布置

熱電偶布置位置示意圖見圖1，Tc1～Tc4表示熱電偶，分布在鋼板與混凝土接觸表面，監測鋼板上的溫度值及溫度變化，Tc5～Tc8為混凝土板內距鋼板上表面25 mm的4支熱電偶，Tc9～Tc12為混凝土板內角鋼上表面的4支熱電偶，監測混凝土內的溫度值及溫度變化。每一個溫度測點布置2個熱電偶，一個用于測溫、一個留作備用。Tc1～Tc4熱電偶用金屬條壓實焊牢在鋼板背面，Tc9～Tc12熱電偶用金屬條壓實焊牢在角鋼上表面；Tc5～Tc8在澆筑混凝土時插入距鋼板25 mm處。

1-50 mm×25 mm×10 mm角鋼；2-混凝土板；3-鋼板

1.4 防火涂料的施工

防火涂料的施工質量直接關系到涂料在受火時的耐火性能，因此嚴格按照環氧型鋼結構防火涂料的使用說明書進行涂料的施工。施工時，鋼板表面除銹處理級別不得低于Sa2.5等級，為保證涂料黏結牢固，需在總涂層厚度約一半處安裝增強網。涂刷完成后在規定的環境條件下養護直至涂層完全凝固。總涂層厚度的允許偏差應為設計厚度的±5%，防火涂層不得漏涂，涂層應閉合無脫層、空鼓、粉化松散、浮漿和明顯裂紋等外觀缺陷。此前未有相關試驗數據作為涂層厚度的參考，本次試驗根據提供涂料的生產企業經驗設計涂層厚度。此試驗中試件1的涂料涂層設計厚度為20 mm；試件2和3的涂料涂層設計厚度為10 mm。

1.5 耐火試驗評價

通過調研發現，目前國內還沒有頒布對鋼殼混凝土結構隧道耐火極限進行評價的標準或規范。GB 50016-2014對傳統的鋼筋混凝土結構隧道的耐火極限判定進行了規定，對鋼殼混凝土結構隧道的耐火極限判定沒有相應規定；NFPA 502規定了隧道鋼的極限溫度不能超過300 ℃[11]，距離混凝土底表面25 mm處鋼筋的溫度不能超過250 ℃。

因此本試驗方法對鋼殼混凝土結構隧道耐火極限判定條件為：對鋼殼的耐火極限溫度判定標準為300 ℃，對混凝土內耐火極限溫度判定標準均為250 ℃。

2 試驗結果分析

按照上述試驗方案對3個試件進行了耐火試驗，3個試件所對應的試件試驗工況對照見表2。

表2 試件試驗工況對照表

試件1的溫度時間曲線圖見圖2。

圖2 試件1鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

由圖2可見，試件溫度隨受火時間的增加先升后降，在前120 min升溫階段中，溫度隨著時間增加而增加，在降溫階段溫度隨時間先升后降。鋼板上表面最高溫度發生在試驗188～202 min時間段，最高溫度為92 ℃；混凝土內距鋼板上表面25 mm處最高溫度發生在試驗205～219 min時間段，最高溫度為80 ℃；混凝土內角鋼上表面最高溫度發生在試驗218～229 min時間段，最高溫度為77 ℃。

試件2的溫度時間曲線圖見圖3。由圖3可見，試件溫度隨受火時間的增加而增加。鋼板上表面溫度最高達到141 ℃，混凝土內距鋼板上表面25 mm處溫度最高達到103 ℃，混凝土內角鋼上表面溫度最高達到104 ℃。

圖3 試件2鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

試件3的溫度時間曲線圖見圖4。

圖4 試件3鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

由圖4可見，試件溫度隨受火時間的增加先升后降，在前120 min升溫階段中，溫度隨著時間增加而增加，在降溫階段溫度隨時間先升后降。鋼板上表面最高溫度發生在試驗139～143 min時間段，最高溫度為142 ℃；混凝土內距鋼板上表面25 mm處最高溫度發生在試驗171～182 min時間段，最高溫度為110 ℃；混凝土內角鋼上表面最高溫度發生在試驗183～194 min時間段，最高溫度為104 ℃。

以上3組試驗中，鋼板上表面最高溫度，試件1為92 ℃、試件2為141 ℃、試件3為142 ℃，均未超過規定的耐火極限溫度值300 ℃；混凝土內距鋼板上表面25 mm處以及混凝土內角鋼上表面溫度試件1分別為80 ℃和77 ℃、試件2分別為103 ℃和104 ℃、試件3分別為110 ℃和104 ℃均未超過規定的耐火極限溫度值250 ℃。3個試件中鋼板上的溫度明顯高于混凝土板和角鋼上的溫度，可以看出沿著試件厚度方向，溫度是逐漸降低的。在試驗的前120 min內，試件1、2、3的各測點的溫度都隨著時間的增加而增加，試件2在第120 min各個測溫點溫度達到最高。試件1和3中，最高溫度發生在RABT溫升的降溫階段，此時爐內的溫度不是處于最高溫度且逐漸下降，這是因為在降溫階段雖然爐內溫度逐漸呈線性下降，但是依舊高于試件內溫度，試件中的混凝土從爐內吸收熱量大于散發的熱量導致，因此在RABT溫升火災中，火在熄滅的過程中對隧道結構的危害尤為值得關注。

試件受火后涂層程黑褐色，涂層發泡均勻且密實，發泡涂層無脫層、脫落、掉渣等現象，僅試件2涂層有少許裂紋。

3 結論

鋼殼混凝土結構隧道在面臨火災的危害時，必須采取相應的防火保護措施，以保證隧道結構滿足規定的耐火性能要求，本文設計的鋼殼混凝土結構隧道防火保護材料耐火試驗方案能在HC和RABT火災升溫曲線工況下，對多種結構類型的鋼殼混凝土結構隧道的防火保護措施進行耐火性能驗證。通過3組局部1∶1結構構件試驗表明，環氧型鋼結構防火涂料能對鋼殼混凝土結構隧道起到很好的防火保護作用，且在RABT和CH升溫曲線下，能保證鋼殼混凝土結構隧道達到不小于2 h的耐火性能。