基于正交试验的新型隧道防火涂料配方优化及其应用

景宏君，景宏彬，孙明东，艾 涛

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054;2.陕西省水务集团有限公司，陕西西安 710068;3.安康公路管理局，陕西安康 725000;4.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710064)

基于正交试验的新型隧道防火涂料配方优化及其应用

景宏君1，景宏彬2，孙明东3，艾 涛4

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054;2.陕西省水务集团有限公司，陕西西安 710068;3.安康公路管理局，陕西安康 725000;4.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710064)

为了客观评价自制新型隧道防火涂料的各项性能，选用水性环氧树脂、有机硅高分子、水镁石纤维和聚磷酸胺(APP)等原材料，用热分析法确定出各组分的合适比例，通过耐火试验、热重分析等试验，应用正交优化原理获得隧道表层和基层防火涂料的最优配方组合，研究开发出抗污耐水性能优良、质优价廉的新型隧道表层和基层防火涂料。经过测试，其各项性能优于现有相关技术规范指标要求。

隧道工程;正交试验;防火涂料;配方优化

本研究开发的抗污耐水型隧道防火涂料由外层和基层防火涂料构成。外层为膨胀型隧道防火涂料，承担着抗污和耐水的功能，还具有可装饰性;基层为地质聚合物非膨胀型防火涂料，具有高黏结性、强耐火性，还可根据不同隧道防火性能要求变化其厚度和功能层，实现多样化、多层可选。

1 方案优化

为了实现新型隧道防火涂料的多功能化，必须设计一种多功能复合涂层。抗污和耐水主要针对隧道防火涂料表面，要求表面既可抵抗隧道内油烟污染，又可耐受隧道内壁定期的高压水清洗;基层防护涂料则要求具有高黏结性、强耐火性和薄涂层［6-7］。本研究对配方中的重要功能组分进行多次优化试验，通过抗污试验和接触角测试，最终确定多功能防火涂料配方方案。经过专业测试，材料各项指标均超过预定标准。

1．1 涂料配方优化

抗污耐水型隧道防火涂料是一种复合型防火涂料，由表面层涂料和基层涂料构成，前者为以水性环氧树脂为主体的有机涂料，主要起抗污、耐水作用;后者由粉煤灰地质聚合物防火涂料组成，主要起防火作用［8-10］。这种涂料可由表面层与不同厚度和结构的地质聚合物防火涂料构成，每种组合都有着不同的耐水性能，可满足不同防火等级隧道的要求。

1．1．1 表面防火涂料的最优化

抗污耐水表面层是由水性环氧树脂、阻燃体系、抗污耐水交联组元组成。具体配方为:环氧树脂40%、聚磷酸铵15%、季戊四醇7．5%、三聚氰胺7.5%、聚醚胺3%、纳米二氧化硅3%、无机矿物纤维3%、纳米二氧化钛5%、有机硅交联剂5%、锡酸锌10%。

为了进一步研究抗污组元纳米二氧化硅、纳米二氧钛和有机硅交联剂对涂料抗污性能的影响，本研究设计了一个不考虑交互影响的三因素三水平正交试验，即L9(34)。根据上述方法进行编程计算，并测试接触角，结果如表1所示。由表1可知，有机硅偶联剂KH550及纳米粉体用量对涂料的亲水性有较大影响。挑选接触角从小到大的5个配方进行抗污试验，结果见表2。由表2可知，防火涂料亲水性随其与水的接触角的增大而下降，涂料抗污性能在接触角为40°时达到最好，但随着亲水性的下降，涂料的抗污性能先下降后又提高。这说明涂料抗污性能与其亲水程度有一定关系，亲水性在某个范围时，涂料抗污性能达到最佳，这可能与纳米粒子的双亲性及有机硅偶联作用有关［11-12］。

表1 不同配方接触角测试结果

本次抗污试验的污染源为特殊处理的粉煤灰，呈亲油性，与隧道中污染物(如尾气、煤粉尘)性质相近，因此抗污试验结果具有非常高的参考价值。

1．1．2 基层防火涂料的最优化

地质聚合物隧道防火涂料基层分为2层，即底层与上层。底层为5 mm厚的不发泡地聚合物防火涂料，旨在提高地质聚合物与混凝土的黏结性能，其中激发剂、可分散性胶粉、粉煤灰、高铝水泥、珍珠岩、海泡石、蛭石、塑化剂、渗透结晶母粒的比例为44∶3∶80∶20∶4∶2∶10∶1∶3。

表2 典型配方抗粘污性能测试结果

上层为发泡层，其中激发剂、可分散性胶粉、粉煤灰、高铝水泥、二氧化硅气凝胶、珍珠岩、海泡石、蛭石、发泡剂、引气剂、塑化剂、渗透结晶母粒的比例为44 ∶3 ∶80 ∶20 ∶0．03 ∶4 ∶2 ∶10 ∶10 ∶0．1 ∶1 ∶3。

二氧化硅气凝胶的添加量对上层地质聚合物非膨胀型隧道防火涂料的防火性能有影响，具体结果见表3。

表3 二氧化硅气凝胶对隧道防火涂料防火性能的影响

由表3可知，二氧化硅气凝胶可明显提高地质聚合物防火涂料的耐火时间，这是由于二氧化硅气凝胶纳米级骨架可减缓固体热传导，纳米多孔结构可抑制气体热传导和对流传热。气凝胶具有优异的隔热性能，是目前公认的热导率最低的固态材料，可作为隧道防火涂料重要的添加材料。

综上所述，可根据不同隧道安全等级要求添加气凝胶填料配制地质聚合物涂层，或都换为添加气凝胶填料的地质聚合物涂层，以保证隧道防火涂料轻薄、抗污、耐水。

1．1．3 隧道防火涂料方案优化组成

由优化试验结果可确定，抗污耐水型隧道防火涂料由水性环氧树脂膨胀型防火涂料和添加有气凝胶的非膨胀型防火涂料组成，具体为:在水泥混凝土试块上先涂5 mm厚不发泡的地质聚合物防火涂料;待表干后，再涂10 mm厚发泡的地质聚合物防火涂料(5%二氧化硅气凝胶);自然养护一星期后，再刷涂一层水性环氧树脂防火涂料，成为最终的抗污耐水型防火涂料，其性能见表4。由表4可知，本文研究开发的抗污耐水型隧道防火涂料性能优良，达到预定技术指标要求。

考虑成本和不同隧道安全等级防火要求，本研究又设计了不同抗污耐水型隧道防火涂料组合，其性能差异如表5所示。

表4 抗污耐水型隧道防火涂料主要性能指标

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经济性分析

根据抗污耐水型隧道防火涂料配方组成，分别计算各层成本，并与国内一些品牌隧道防火涂料进行性能和价格方面的对比，结果见表6。由表6可知，与其他生产厂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优，材料成本低(底层材料成本为3．5元·kg－1，表面抗污层材料成本为27元·kg－1)，经济效益非常显著。

表6 不同生产厂家的隧道防火涂料性能价格对比

2 工程应用

2．1 工程概况

本项目依托的抗污耐水型隧道防火涂料示范工程是国道312陕西省咸阳市彬县境内太峪隧道，该隧道长1238 m、宽8 m。目前，该隧道交通量非常大，多为拉煤重载车，双向通行，隧道内通风除尘极为不足，洞内尾气浓度大，洒落煤粉多，扬尘严重，能见度极差，隧道内壁吸附大量烟尘，污染情况严重。本次防火涂料施工面积3000 m2，隧道全断面喷涂防火涂料，基层喷涂15 mm厚的隧道防火涂料，表层喷涂浅黄色抗污防火涂料。

2．2 施工组织设计

示范工程施工前，根据事先制定的施工组织方案确定项目管理人员和工作班组，足额准备相应的检测仪器、设备和材料，要求必须由专业涂料队伍施工，且施工前施工负责人向班组进行详细的技术交底。

2．3 基层防火涂料施工

基层的施工质量至关重要，在施工过程中，隧道衬砌基层处理、防火涂料配料、喷涂施工和养护方面都有具体要求。

(1)隧道衬砌基层处理。施工前，用砂纸等清除基层疏松层、浮灰、浮尘、脱模剂、油污和污渍等杂物，并用高压水冲洗干净，最后抺涂2 mm厚水泥砂浆层。

(2)防火涂料配料。将水与涂料按100∶90的比例混合并充分搅拌成均匀浆料，涂料随拌随用，在2 h内用完;当气温高、湿度小或风速大时，宜在30～60 min内用完。

(3)喷涂施工。对隧道壁表面进行除污、除油处理结果检查，合格后方可开始施工;施工前在隧道壁喷少量水，要求混凝土基体表面不得有明水;采用喷涂法施工。

(4)养护。隧道涂层施工达到设计厚度且终凝后应进行7 d保湿养护，初始宜采用喷雾养护，后期可喷洒清水并自然养护21 d;养护期间应防止碰撞和用水冲刷;洞内配1台洒水车不定期洒水，以洞内路面保持湿润状态为宜。

2．4 表层防火涂料施工

当基层防火涂层硬化7 d后，方可进行表面防火涂料施工。施工前，先对基层表面进行检查，若发现表面不平整则用砂纸打平;按抗污涂料与固化剂的比例为100∶3进行配比，并搅拌至均匀;配制好后，用辊涂和喷涂相结合的方法使抗污防火涂料黏附在防火基层表面。

2．5 施工质量控制要点

为了保证良好的施工质量，要求衬砌基面处理到位，增强其界面黏结性;严格控制施工现场隧道涂装涂料配比及涂层厚度。

2．6 安全及文明施工措施

施工期间严格按照公路安全施工规范设置相应的警示标牌，并指定专人进行维护;脚手架的搭建方案须经技术认可后方可使用，确保安全可靠;严格遵守施工现场安全管理规定，服从现场统一管理，做好交叉作业的协调工作。

2．7 环境保护措施

由于现场喷涂易引起周围环境的变化，要求在施工过程中配备专用洒水车，对施工现场和运输道路进行反复洒水湿润，减少扬尘;同时对于报废材料或施工中返工的挖除材料等应及时收集清理，以保护自然环境不受到破坏。

2．8 质量要求及检验

隧道防火涂层质量应符合下列要求。

(1)隧道涂料涂层与基层黏结牢固，墙裙(墙高4 m以下)平整光滑，其余部位表面应为平整毛面，喷涂均匀，无空鼓、无流坠、无漏涂，无裂缝、起层、掉块、气砂等缺陷，表面平整度偏差不大于2 mm［13］。

(2)隧道防火涂层平均厚度不得小于设计规定厚度，最小厚度不得小于设计厚度的85%。测量方法可用针刺法或割取20 mm×20 mm的实样测量［14］。

3 结 语

(1)采用正交试验法优化确定了抗污耐水型隧道防火涂料配方组成，包括膨胀型防火表层涂料和非膨胀型地聚合物基层防火涂料层，前者厚度小于0．05 mm，具有抗污、耐水和可装饰性功能，后者厚度约15 mm，具有高耐火性能，耐火极限时间可达150 min以上。该防火涂料结构层各项性能优良，达到预定指标。实践中可根据隧道等级的不同选择相应耐火极限的防火涂料组合。

(2)确定了抗污耐水型隧道防火涂料的制备工艺和现场施工工艺，并成功在太峪隧道中进行应用。结果表明，自制的抗污耐水型隧道防火涂料制备和施工工艺合理，达到了预期目标。经济效益分析表明，与国内隧道防火涂料的主流品牌产品相比，自制的抗污耐水型隧道防火涂料性能价格比最高。

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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

隧道空间相对密闭，一旦发生火灾，极易造成重大生命与财产损失;因此，要把灾害损失降到最低，隧道防火显得尤为重要［1-3］。从性价比方面考虑，隧道防火涂料是隧道防火的最佳选择，而其性能优劣直接反映隧道防火安全等级。国内外目前研究成果均存在涂层厚、黏结强度低、耐水性差、抗污性和装饰性差、未注重涂层毒性研究等问题［4-5］。本项目基于这种现状，开发出一种复合功能型抗污耐水隧道防火涂料，以满足公路隧道不同安全等级要求，对于制定隧道防火涂料国家标准，具有极大的推动作用和实际意义。它既符合国家新材料开发的产业政策，又能提高隧道安全防火性能，扩大隧道防火涂料的应用范围。

2017-03-15

国家自然科学基金项目(51608041);交通运输部西部交通建设科技项目(20113188121720)

景宏君(1974-)，男，陕西吴堡人，教授级高级工程师，工学博士，从事土木工程方面的教学与研究工作。

［责任编辑:王玉玲］