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何世家

(公安部四川消防研究所，四川都江堰611830)

摘要：研制了一種可在潮濕環(huán)境中使用，環(huán)境友好的膨脹型隧道防火涂料。列出了膨脹型隧道防火涂料的主要生產(chǎn)原料，并將膨脹型隧道防火涂料與傳統(tǒng)隧道防火涂料作了對比，指出膨脹型隧道防火涂料的優(yōu)點(diǎn)是涂層薄、耐火極限高、施工速度快、損耗小、養(yǎng)護(hù)期短。

關(guān)鍵詞：防火涂料；隧道火災(zāi)；防火保護(hù)

0引言

目前我國已成為世界上隧道和地下工程最多、隧道結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、隧道建設(shè)發(fā)展速度最快的國家之一。隧道不僅是交通運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，而且還是光纖電纜、電力電纜、輸油管、輸水管的通道，因此，在各種車輛事故中，隧道火災(zāi)事故經(jīng)濟(jì)損失最大，搶救最難，中斷行車時間最長，并極有可能產(chǎn)生不良的社會、政治影響。對于沉管隧道，火災(zāi)還可能導(dǎo)致隧道接縫和密封結(jié)構(gòu)的破壞，從而造成隧道漏水甚至完全癱瘓。這是因?yàn)樵谒淼纼?nèi)強(qiáng)大的熱流作用下，隧道混凝土襯砌極易爆裂[1]。這不僅損害隧道襯砌結(jié)構(gòu)，而且阻礙隧道內(nèi)救援車輛通行，威脅救援人員的安全。為解決隧道防火問題，世界各國都進(jìn)行了多方面的研究和探索。20世紀(jì)80年代以來，國外對隧道車輛的燃燒特性、隧道襯砌在火災(zāi)中的表現(xiàn)、煙氣中有害成分生成量分析、消防救援方法與策略，特別是駕駛?cè)藛T在隧道內(nèi)的心理與行為、隧道火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)[2]、隧道通風(fēng)及煙氣控制技術(shù)[3-4]等方面做了系統(tǒng)的研究。我國也在隧道煙氣數(shù)值模擬[5]、通風(fēng)仿真[6]、襯砌承載能力可靠性評估[7]、隧道內(nèi)溫度場分布、CO濃度設(shè)計(jì)限值、水消防技術(shù)在隧道中的應(yīng)用及隧道火災(zāi)事故發(fā)生的成因及預(yù)防[8-9]等方面做了大量工作。相對于公路隧道而言，我國在鐵路隧道消防技術(shù)研究方面的工作開展得更具系統(tǒng)性。研究成果在鐵路隧道設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營中發(fā)揮了重要的作用[10]?；谶@些研究成果，國內(nèi)外在隧道防火設(shè)計(jì)方面頒布了一些技術(shù)要求或標(biāo)準(zhǔn)(見表1和表2)。

表1國外有關(guān)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

表1國外有關(guān)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

表2國內(nèi)有關(guān)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

表2國內(nèi)有關(guān)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

構(gòu)建隧道的鋼筋、混凝土雖是不燃體，但其耐火性差。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和測試協(xié)會(NIST)指出，高強(qiáng)混凝土(HSC)在溫度達(dá)到380℃時，強(qiáng)度開始下降；在450℃時，抗壓強(qiáng)度損失達(dá)到40%；當(dāng)溫度達(dá)到600℃時，抗壓強(qiáng)度損失約為75%。隧道結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的目的就是采取一定措施使隧道的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時保持完整性與穩(wěn)定性，從而大大減少維修費(fèi)用，縮短工程修復(fù)時間。目前，隧道結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法主要是在隧道襯砌上噴涂非膨脹型防火涂料，因?yàn)閺男詢r(jià)比方面和施工的方便性方面考慮，隧道防火涂料是隧道防火保護(hù)的最佳選擇[12]。但是，非膨脹型防火涂料難以克服以下問題：首先，非膨脹型防火涂料涂層一般要達(dá)15mm以上，涂層自重較大，若在施工時混凝土基層污染沒有被徹底清除干凈，或者防火涂層與隧道襯砌面接觸不足，或者由于車輛運(yùn)行的強(qiáng)風(fēng)或震動，都易造成防火涂層脫落；其次，脫落的防火涂層碎塊易對隧道內(nèi)高速運(yùn)行的車輛和隧道內(nèi)的人員構(gòu)成威脅；第三，非膨脹型防火涂料施工速度慢，一般需要噴涂3遍以上才能施工完畢；第四，非膨脹型防火涂料養(yǎng)護(hù)期長，因?yàn)榉桥蛎浶头阑鹜苛嫌兴囝愓辰Y(jié)劑，至少需要28天以上的養(yǎng)護(hù)周期；第五，非膨脹型防火涂料中有顆粒狀防火填充料，噴涂時回彈性大，施工時產(chǎn)生較大的損耗。因此，研究出一種涂層薄、施工速度快、施工損耗性小、養(yǎng)護(hù)周期短、耐水好、環(huán)境友好的膨脹型隧道防火涂料，必將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1粘結(jié)劑

隧道內(nèi)空間狹小，結(jié)構(gòu)密閉，不能使用有機(jī)溶劑稀釋的樹脂。易于漿化的樹脂是最佳選擇，如苯丙乳液膠粉、醋丙膠粉、EVA膠粉、糊精粉、可再分散乳膠粉、PVA膠粉等均是較好的粘結(jié)劑。本文選用上述膠粉的混合物作為粘結(jié)劑。

1.1.2阻燃劑

隧道空間有限，鹵素阻燃劑高溫分解產(chǎn)生的鹵化氫，有機(jī)膦類阻燃劑常溫時揮發(fā)的有機(jī)膦和高溫分解產(chǎn)生的有機(jī)膦毒性較大，嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)行人和救援人員的安全。本文選用在高溫下分解產(chǎn)生水蒸氣并吸收大量的熱量的氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑。

1.1.3膨脹材料

本文采用對水較穩(wěn)定的超高相對分子質(zhì)量聚磷酸銨、蛭石、珍珠巖、微膠囊水合硅酸鈉組成的復(fù)合膨脹材料。

1.1.4顏填料

高溫后，防火涂層中所有的有機(jī)材料都要受熱分解，此時，殘留下的顏填料成為防火涂層的耐火泡沫層，因此，顏填料必須達(dá)到耐高溫的要求。常用的顏填料有：海泡石、硅藻土、輕質(zhì)碳酸鈣、礦渣棉、超細(xì)硅酸鋁、粉煤灰、炭黑和白炭黑。本文采用由海泡石、炭黑、白炭黑、膨脹珍珠巖細(xì)粉、輕質(zhì)碳酸鈣、超細(xì)硅酸鋁混合后組成的復(fù)合顏填料。

1.2試驗(yàn)方法

首先，在70～80℃溫度下，將固體粘結(jié)劑干燥24h，再置于氯化鈣干燥箱中冷卻至室溫。將干燥的粘接劑用ACM磨粉機(jī)或破碎機(jī)粉碎至120目以上。磨粉機(jī)或粉碎機(jī)的溫度不能超過200℃，以防粘結(jié)劑熱熔結(jié)塊。將粉碎后的粘結(jié)劑、阻燃劑、膨脹材料和顏填料稱量后，置于干粉混合機(jī)上充分混合，制成流動性粉末。制備300mm×300mm×15mm的混凝土板若干塊，并在所有混凝土板表面正中央預(yù)埋一支熱電偶，養(yǎng)護(hù)28天，以備試驗(yàn)?；炷涟屦B(yǎng)護(hù)期滿后，稱取上述混合物300g，加入240g自來水后，充分?jǐn)嚢璩珊隣钗?，再將其涂覆在預(yù)埋有熱電偶一面的混凝土板上。在常溫下養(yǎng)護(hù)3天后，在小型耐火試驗(yàn)爐上按標(biāo)準(zhǔn)碳?xì)淝€升溫，每1min記錄一次混凝土板表面的熱電偶溫度，記錄混凝土板背火面溫度達(dá)到380℃所需時間。同樣，稱取106-2型隧道防火涂料1300g，加入106隧道防火涂料界面劑135g、自來水1145g，充分?jǐn)嚢璩蓾{狀物，按同樣方法涂覆在預(yù)填有熱電偶的300mm×300mm×15mm的混凝土板上，制成20mm厚的防火涂層，室溫條件下養(yǎng)護(hù)28天后，在小型耐火試驗(yàn)爐上按標(biāo)準(zhǔn)碳?xì)淝€升溫，每1min記錄一次混凝土板表面的熱電偶溫度，記錄混凝土板背火面溫度達(dá)到380℃所需時間。

2結(jié)果與分析

隧道防火涂料最重要的指標(biāo)是涂料的耐火極限、粘結(jié)強(qiáng)度。表3是本文研究的膨脹型隧道防火涂料與非膨脹型隧道防火涂料的耐火性能和粘結(jié)性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表3隧道防火涂料試驗(yàn)結(jié)果

表3隧道防火涂料試驗(yàn)結(jié)果

由表3試驗(yàn)結(jié)果可看出，膨脹型隧道粘結(jié)強(qiáng)度和耐火極限均比非膨脹型防火涂料高得多。非膨脹型隧道防火涂料是一種主要由無機(jī)材料組成的防火涂料，涂料自身密度大，脆性大，在強(qiáng)風(fēng)和震動的環(huán)境中涂層極易脫落。曾出現(xiàn)隧道防火涂層從隧道內(nèi)襯脫落的問題。從國內(nèi)隧道防火涂料的施工實(shí)例來看，涂層超過20mm的施工案例很少。即使有涂層達(dá)到或超過20mm的工程，都需要加鋼絲網(wǎng)加以保護(hù)，以保證涂層不脫落。這是因?yàn)?0mm非膨脹型隧道防火涂料涂層每平方米自重將達(dá)13～15kg，防火涂層有豐富的孔隙，易于吸收隧道內(nèi)的濕汽，吸濕或吸潮的涂層非常重。這么重的脫落涂層一旦脫落，砸到隧道內(nèi)高速運(yùn)行的車輛，將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。而且，隧道潮濕或滲水是一個世界難題，鋼絲在濕氣作用下易銹蝕，銹蝕鋼絲網(wǎng)的抗拉強(qiáng)度和張力就會降低，一旦鋼絲網(wǎng)因銹蝕失去牽扯作用時，涂層也可能脫落，此時極可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。3.0mm厚的膨脹型隧道防火涂層每平方米自重僅300g左右。而且該涂層韌性大，與隧道內(nèi)襯表面粘接牢靠，在強(qiáng)風(fēng)或震動環(huán)境中也不會脫落。這么薄的涂層即使脫落，也不會對行人和車輛構(gòu)成大的威脅。其次，非膨脹型隧道防火涂料由于加有水泥類粘結(jié)劑，養(yǎng)護(hù)期至少要達(dá)28天才能使用，而膨脹型隧道防火涂料加入了乳膠類膠粉，1天左右就可完全固化，養(yǎng)護(hù)期僅為3天，養(yǎng)護(hù)期滿后即可投入使用。這大大縮短了工程工期，加快了工程進(jìn)度。第三，膨脹型隧道防火涂料，由于涂層薄，施工量少，僅需要一遍就可施工完畢，既減少了施工量，又節(jié)約了施工費(fèi)用。第四，非膨脹型隧道防火涂料由于含有大量的顆粒狀填充物，施工時，顆粒狀填充料回彈極其嚴(yán)重；而膨脹型隧道防火涂料是一種流動性的細(xì)粉末，加水后成為黏稠漿料，噴涂時涂料回彈很少，因此噴涂時的損耗也少。第五，在相同的施工面積和相同的耐火條件下，膨脹型隧道防火涂料用量約為非膨脹型隧道防火涂料用量的四分之一，這大大節(jié)約了防火涂料的生產(chǎn)運(yùn)輸成本、包裝費(fèi)用和施工費(fèi)用。

3結(jié)語

隧道防火涂料是一種具有市場前途的產(chǎn)品。自2001年國內(nèi)研制出型號為106-2的隧道防火涂料以來，至今已有近7年的時間。膨脹型隧道防火涂料是非膨脹型隧道防火涂料必要的、有益的補(bǔ)充。因?yàn)榕蛎浶退淼婪阑鹜苛吓c非膨脹型隧道防火涂料相比，用量少、涂層薄、耐火極限高、粘結(jié)強(qiáng)度高、施工效率高、養(yǎng)護(hù)期短、生產(chǎn)費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和施工費(fèi)用低，更重要的是克服了長期以來非膨脹型隧道防火涂料易開裂、脫落的危險(xiǎn)。