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隧道防火涂料的缺陷和发展趋势简要介绍了隧道防火涂料的组成设计原理和存在的主要缺陷重点叙述了近年来隧道

发布时间:2021年07月23日    点击:[2]人次

隧道防火涂料的缺陷和发展趋势,简要介绍了隧道防火涂料的组成、设计原理和存在的主要缺陷,重点叙述了近年来隧道防火涂料的国内外研究进展和隧道防火涂料的发展趋势

随着国民经济的高速发展,城市建设加快,流动人口迅速增加,交通建设及完善显得尤为重要。隧道以其实现目标距离最短、占地面积最少、对自然环境及景观破坏程度最小、造价低的特点受到了规划建设者的青睐。

但是隧道结构一般是由石块和钢筋混凝土垒砌而成,温度升至600 ℃时,混凝土强度损失达50%以上,钢材的屈服应力降到常温下的1/3 以下涂料在线coatingol.com。而隧道发生火灾时,温度一般在1000 ℃以上,隧道砌体难以承受如此高温,严重部分容易烧塌[1- 2],再加上隧道环境相对密闭,人流密度大,一旦发生火灾,疏散和扑救相当困难,容易造成重大人员伤亡和财产损失[3],因此对隧道进行防火处理显得十分重要。

《2005 年中国公路水路交通行业发展统计公报》显示,截止2005 年底,全国已建成公路隧道2889 处,共152.7 万m。其中采用阻燃设计约占1/10,因此对已有隧道防火保护具有较大的市场空间。同时据第三届铁路隧道年会发布的消息,今后6 年我国将新建300 万m 长的铁路隧道,并且随着北京到上海高铁项目的立项,必将带动隧道相关产品的需求量,特别是隧道防火涂料的需求量。

1 隧道防火涂料的组成

隧道防火涂料主要由粘结剂、耐火填料、发泡材料和助剂组成[4- 6]。

1.1 粘接剂

粘接剂约占涂料总体积的35%~40%。苯丙乳液、醋丙乳液、EVA 乳液、582 树脂、水玻璃、耐火水泥、磷酸盐等均为较好的粘结剂。由于粘结剂的用量较多,选择粘结剂时,需考虑其价格、燃烧性能及火灾时的烟气情况。

1.2 耐火填料

耐火填料是隧道防火涂料的骨架成分之一,约占涂料总体积的35%~38%,其主要作用是高温隔热和降低热导率。海泡石、膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙、玻璃空心漂珠、高岭土、矿渣棉、超细硅酸铝等均是良好的无机轻质隔热填料。

1.3 膨胀剂

膨胀剂是隧道防火涂料的另一个主要成分,约占涂料总体积的8%~10%。高温时,涂料成分发生改变,膨胀剂迅速发生膨胀,从而形成多孔的隔热层,阻止热量向隧道砌体的传递。膨胀蛭石、重铬酸铵为无机发泡材料;三聚氰胺、季戊四醇、聚磷酸铵是成熟的有机发泡体系,在薄型或超薄型防火涂料中使用。

1.4 阻燃剂

阻燃剂约占涂料总体积的12%~15%。它受热时吸热失水,协助膨胀隔热。一般选用结晶水较多的硼化物、锌化物及氢氧化铝、氢氧化镁等。

1.5 助剂

主要用于改善涂料的和易性及理化性能,约占涂料总体积的3%~5%。常用的助剂有可再分散乳胶粉、高效减水剂等[7]。

2 现今隧道防火涂料的缺陷

我国对隧道结构进行防火保护工作始于20 世纪80 年代中期,限于当时的技术、经济状况,除了上海延安东路越江隧道等有限的几个隧道喷涂了防火涂料外,其它隧道的结构都没有采取防火措施。真正根据有关隧道设计规范设计、建造隧道,是近几年开始的,而隧道防火涂料的应用则是从2001 年前后开始的,当时一些企业将厚型钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料使用。因此,关于隧道防火涂料研究的基础比较薄弱,产品参差不齐,给隧道防火涂料施工和性能检测带来很大的困难。现今国内隧道防火的主要缺陷有以下几点:

(1)涂层太厚。如按ISO 834 曲线升温, 耐火性能达到3h,一般涂料涂层厚度需20~30 mm;由于涂层较厚,需要多次喷涂, 施工困难。如按碳氢曲线升温,隧道防火涂料不能承受快速升温的热冲击,可能在几分钟内就发生爆裂,不能满足隧道的特殊防火要求。

(2)粘结强度低。隧道防火涂料的粘结强度一般为0.1MPa,车辆在隧道通行时,会产生强风和震动,不能满足隧道的实际需要。

(3)未注重涂层毒性研究,一旦发生火灾,将影响火灾的扑救和隧道的修复。

(4)耐水性较差,涂层长期处于隧道的潮湿环境中,会积水、甚至脱落。

3 隧道防火涂料的设计原则

国内外就隧道防火涂料研究已开展了大量的工作[8- 12]。如国内学者提出一种以硅酸盐为主要粘结剂,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,制取了一种无卤、环保、并具有优良防火性能的物理膨胀型防火涂料。国外学者研制的建筑物表面无机防火涂料[13- 14],由水硬性白水泥、水玻璃、蛭石、膨胀珍珠岩、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、无定型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、玻璃微珠及一些多孔填料组成,粘结剂为水玻璃、波特兰水泥、石膏、磷酸盐类中的一种或几种等等。上述报道的隧道防火涂料的制造均以水玻璃、水泥、白水泥、高铝水泥、磷酸盐类等无机物为粘结料,以膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、微孔硅酸钙、硅藻土、粉煤灰玻璃微珠、海泡石粉、滑石粉等为填充骨料,以玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维等为增强材料,以含结晶水的铝、镁、硼、锌的氧化物等为阻燃剂,以上产品其组分主要由无机材料构成。而从国内外各类防火涂料的文献专利看出,用于保护不燃性建筑结构的涂料包括有机膨胀型厚浆涂料和轻体无机防火喷涂料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 mm 时, 耐火极限也只有1 h。而无机喷涂涂料,由于密度轻,热导率小,耐火性能好,随涂层厚度不同,可满足1~2 h 甚至更长时间的耐火要求。但纯粹的无机物构成的喷涂涂料,容易出现硬而脆、产生龟裂脱落等不利情况。因此,在隧道防火涂料的研究中,一般应采用非膨胀型的、无污染的水性有机- 无机复合涂料的技术路线。

隧道防火涂料的设计原则如下:

(1)燃烧时应无有毒气体产生, 以便于隧道火灾的扑救及隧道的修复,即满足绿色环保的需求。

(2)隧道渗水是一个世界性难题,至今没有彻底解决, 车辆通过时, 会产生强风及震动,因此,在研制隧道防火涂料时,不仅要考虑涂料的耐火性能,还必须重点兼顾涂料的粘接性及耐水性。

(3)隧道工程工期较紧,施工量大,应充分考虑施工的方便性和施工效率,涂料应既可以人工涂抹,又可以机械喷涂。

(4)为使涂料能广泛推广应用,同时又具有较强的市场竞争优势,必须充分考虑产品的价格。

4 隧道防火涂料的发展趋势

隧道防火涂料的发展趋势包括,现有隧道防火涂料的改性和新型隧道防火涂料的研制。按涂料的组分分类,可以将隧道防火涂料分为单组分和双组分隧道防火涂料。采用双组分体系,在实际施工现场会出现各种问题,并且其中液料组分会直接影响防火涂料的用水量,对防火涂料成品的强度、粘结强度、柔性和耐火性能造成很大的影响。同时由于采用分装式包装,既造成了生产、包装、运输方面成本的增加,也给施工增加了一定的工序。单组分体系可以避免双组分体系中存在的缺陷,降低成本,便于生产和施工。因此,单组分可能是隧道防火涂料发展的一个方向。

4.1 隧道防火涂料的改性

隧道防火涂料的改性是产品系列化、满足不同环境和不通用途的需求。(1)高强抗裂隧道防火涂料,改变隧道防火涂料的原材料及配方可以制备出高粘结强度、抗裂的隧道防火涂料。主要是应用在铁路隧道中,预防由于火车震动和火车运动造成的风力剥落等现象。其中主要考虑各组分的膨胀参数和各组分的密度协调。(2)防水隧道防火涂料,隧道渗水是一个世界性难题,因此在研制隧道防火涂料时,不仅要考虑涂料的耐火性能,还必须重点兼顾涂料的粘接性及耐水性。(3)抗冻性隧道防火涂料,由于隧道的分布比较广泛,地理环境也比较复杂,因此也决定了隧道防火涂料的多样性。特别是在高寒、高纬度和高原等地的隧道,对隧道防火涂料的要求也比较严格,抗冻性是隧道防火涂料的一个基本要求。高铁项目的立项,也对隧道防火涂料的多样性提出了更高的要求。(4)超长耐火极限隧道防火涂料,现今规定的隧道防火涂料的耐火极限为120 min(厚度为20 mm),但是在一些特殊要求的隧道,如海底隧道等会对隧道防火涂料的耐火极限提出更高的要求,因此,必须探寻更好的、效率更高的阻燃体系。其中主要考虑各组分的导热系数和阻燃体系的匹配问题。(5)绿色环保隧道防火涂料,由于隧道特殊的环境要求,通风较差,疏散较为困难,因此,对隧道防火涂料中产生的有毒气体提出了更高的要求。国标中也在考虑将有毒气体的释放量作为一技术性能指标。

4.2 隧道防火涂料的创新研发

隧道防火涂料是由厚浆型钢结构防火涂料发展而来,这也说明隧道防火涂料的研发没有摆脱传统钢结构防火涂料的束缚,能否换个角度重新审视隧道防火涂料成为创新性研发的关键。(1)薄型、超薄型隧道防火涂料的研制,由于隧道防火涂料主要应用在人们注意力较分散的地方,因此对隧道防火涂料的装饰性没有很高的要求,但是由于现今地铁将成为城市交通的主力,因此人们对隧道防火涂料的装饰性有了更高的要求。能否克服隧道防火涂料以无机填料为主的整体思路,成了新型隧道防火涂料的研发的内容之一。(2)超长耐火极限隧道防火涂料,主要是对阻燃体系的改性。传统的隧道防火涂料采用无机材料为主,而阻燃领域发展的趋势是阻燃体系的复配,这样更能提高阻燃效率,采用新型的阻燃体系也是隧道防火涂料创新的方向。

5 结语

隧道防火涂料是近几年研发的产品,与其它防火涂料相比,其产品产量和生产厂家都较少。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。随着国家标准的进一步完善和人们安全意识的进一步加强,对新型隧道防火涂料的研究将日益引起人们的关注,隧道防火涂料也将走向良性发展的轨道。

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