超薄膨胀型隧道防火涂料的研制

王军委，贺少鹏，贺军会，张玲，贺晓辉，何世家

（1.宝鸡市铁军化工防腐安装有限责任公司，陕西宝鸡 721303；2.公安部四川消防研究所，四川都江堰 611830）

0 引言

随着我国经济建设的高速发展，城市建设脚步加快，高速公路、铁路隧道日益增多，截至2015年，我国公路、铁路交通网络隧道总长度已超过12 000 km。隧道不仅是交通运输的通道，也是输电电缆和输水、输油管的通道，一旦发生火灾，着火点周围温度上升极快，短时间内会聚集大量有毒有害气体，凶猛

[收稿日期] 2017-09-25

[作者简介] 王军委，男，工程师，主要从事功能性涂料和工业重防腐涂料的研发和应用工作，拥有发明专利2项，发表专业论文15篇。的火势以及长时间的高温对隧道内部设施、设备的破坏极其严重，实践证明，隧道中火灾持续时间超过60 min，就会使得隧道混凝土结构炸裂，产生塌陷，危及行人和救火人员的生命安全，造成极大的生命财产损失，因此隧道火灾事故是抢救最难、经济损失最大的事故之一［1］。为此，国内外在隧道防火方面颁布了一系列技术规范、标准和要求，我国相关隧道规范和标准有GB 28375—2012《混凝土结构防火涂料》、GB 14907—2002《钢结构防火涂料》、GBJ 16—1987《建筑设计防火规范》、JPJ 026—1990《公路隧道设计规范》等［2］。

隧道内钢筋混凝土结构虽然不是燃体，但是其耐火性较差，钢筋混凝土在温度380 ℃时强度开始下降，当温度达到600 ℃时，其抗压强度损失达75%，随时会出现坍塌，采用隧道防火涂料对隧道进行保护，确保其结构稳定性和安全性，减少灾害损失和维修费用，缩短修复时间，是一种最为经济和有效的方法。

本研究制备了一种超薄膨胀型隧道防火涂料，适用于公路和铁路隧道、各种地下工程等有防火要求设施的涂装保护，与现行国家标准比较，其具有防火性能优异、涂层薄、粘结强度高、施工简单方便，养护周期短等特点。

1 隧道防火涂料的技术要求和现状

隧道多为钢筋混凝土结构，除了要防止烃类火灾之外，同时要考虑到隧道内部湿度大，温度变化大，行车造成震动强烈，烟气、灰尘不易散发，隧道内噪音大等特点［3］，因此隧道防火涂料应具备以下技术要求：

（1） 符合环保要求。涂料在高温下不会分解释放出有毒、有害气体，产烟毒性达到ZA-1级，符合国标的要求。

（2） 具有优异的耐火性能和优良的耐水、耐碱、耐冻融、耐湿热性，高寒地区的隧道防火涂料还应具有防冻性。

（3） 在潮湿环境下凝固干燥快，与混凝土具有良好的粘结力，自重轻，不易脱落，施工方便，效率高，养护周期短。

目前隧道防火涂料以非膨胀厚型防火涂料为主，一般涂层厚度达15～20 mm，涂层自身重。隧道内行车产生的风速和震动容易造成防火涂层脱落，对高速运行的车辆和车内人员的安全构成威胁；非膨胀厚型隧道防火涂料以水泥为主要粘结剂，施工时需要3～4道才能达到设计要求，消耗资源多，施工速度慢，效率低，施工完成后养护周期长达28 d。因此研制一种涂层薄、自重轻、耐火性能好、施工养护周期短的超薄膨胀型隧道防火涂料势在必行［4］。

2 试验部分

2.1 试验材料

2.1.1 粘结剂

以可再分散胶粉、PVA（聚乙烯醇）胶粉、EVA（乙烯-乙酸乙烯酯共聚物）胶粉混合物为粘结剂，同时加入一定量的渗透性结晶活性母料，对超薄膨胀型隧道防火涂料的耐水性、抗渗透性和耐久性有很大的提高。

2.1.2 阻燃剂

隧道空间狭小，其结构是密封的，卤素在高温下分解生成的有机磷等毒性较大，严重威胁隧道内行人和救援人员的生命安全。本研究选用氢氧化铝和氢氧化镁作为阻燃剂，一旦发生火灾，达到氢氧化铝的分解温度，其脱水过程中会吸收部分燃烧热量；再则，脱出的水在燃烧温度下变成水蒸气也会吸收热量，大量的水蒸气还能抑制烟气的生成［5］。另外高温反应生成的Al2O3是无机耐火材料，与燃烧形成的其他碳化合物一起，可在表面形成保护层，达到优异的防火隔热效果。

2.1.3 膨胀剂

本研究采用的膨胀材料有膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、水合硅酸钠和聚磷酸铵。膨胀蛭石是一种充满细小孔隙的优良绝热材料。膨胀珍珠岩是一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产品，具有优良的耐热性和吸音性。两者皆具有容重轻、热导率低、阻燃隔热效果显著、无味无毒、耐水等优点。聚磷酸铵是一种优良的膨胀阻燃剂［6］，具有低烟、无毒、水溶性低等优点，其含磷、含氮量高，热稳定性好。本研究选用的超高相对分子质量的聚磷酸铵，聚合度＞1 500。

2.1.4 颜填料

经过高温燃烧后，防火涂层中所有的有机材料都会受热而分解，残留的颜填料成为防火涂层的耐火泡沫层，因此，颜填料必须达到耐高温的要求。颜填料既能提高涂料的防火阻燃性能又能降低生产成本，更重要的是能改善防火涂料的物理机械性能和化学性能，提高涂层的耐热性并抵抗气流的冲击。

本研究采用的颜填料有钛白粉、轻质碳酸钙、空心微珠、海泡石、煅烧高岭土、滑石粉和云母粉等。空心微珠是一种陶瓷粉末材料，具有极好的抗压强度和低导热系数，可提高涂料的孔隙率和耐火隔热性能［7］。

2.2 基础配方

以GB 28375—2012《混凝土结构防火涂料》技术指标为依据，通过大量试验，最终优选出超薄膨胀型隧道防火涂料的基础配方，见表1。

表1 超薄膨胀型隧道防火涂料的基础配方Table 1 The basic formula of ultra-thin intumescent fire retardant coatings for tunnel

2.3 生产工艺

首先把粘结剂用破碎机粉碎研磨至粒径96 μm以下，粉碎时温度不能超过150 ℃，以防止粘结剂受到高温热熔结块。

将粉碎后的粘结剂与阻燃剂、膨胀剂和颜填料按照配方量称量后置于干粉混合机内充分分散混合，得到均匀的流动性粉末。

2.4 样板制作

按照GB 28375—2012《混凝土结构防火涂料》标准要求制作样板，耐火性能试验采用地板强度等级符合GBJ 107—1987《混凝土强度检验评定标准》规定的C30混凝土板，其规格为1 450 mm×1 450 mm×150 mm，地面钢筋保护层厚度为25 mm。称取超薄膨胀型隧道防火涂料6 kg，加入适量的洁净自来水，充分搅拌成糊状物后涂覆在混凝土样板表面，常温养护7 d后，按照GB 28375—2012要求进行耐火试验。

3 结果与讨论

3.1 耐火性能

隧道防火涂料最重要的检测指标是耐火性能，超薄膨胀型隧道防火涂料的耐火性能试验结果见表2。

表2 超薄膨胀型隧道防火涂料的耐火性能试验结果Table 2 The fire resistance test results of ultra-thin expansion fire retardant coatings for tunnel

由表2可见，研制的超薄膨胀型隧道防火涂料的耐火时间和粘结强度比GB 28375—2012《混凝土结构防火涂料》中要求的技术指标高得多，且其每平方米自重≤3 kg，涂层柔韧性好，与隧道内砼表面粘结牢固，在车流的震动和外力的作用下，涂层稳定性好，不易脱落，极大地提高了行车安全性［8］。

3.2 施工性

非膨胀型隧道防火涂料由于以水泥等为粘结剂，养护期要28 d，而超薄膨胀型隧道防火涂料以可再分散胶粉等为主要粘结剂，一般施工1道，1 d即可完全固化，养护7 d就可以投入使用，大大缩短了工期，加快了工程进度。超薄膨胀型隧道防火涂料涂层薄，在相同的施工面积和耐火条件下，充分节约资源，降低了生产运输成本和施工费用，经济效益显著提高［9-10］。

3.3 物化性能

经四川省都江堰国家防火建筑材料质量监督检验中心检测，研制的超薄膨胀型隧道防火涂料的物化性能见表3。

表3 超薄膨胀型隧道防火涂料的物化性能Table 3 The physical and chemical properties of ultra-thinintumescent fire retardant coatings for tunnel

4 结语

我国隧道用防火涂料是从20世纪90年代末才逐步开始研究和生产的，多以非膨胀型为主，与其他防火涂料相比，产品生产厂家相对较少，但随着我国隧道建设日益增多，隧道内部防火要求越来越高，其防火涂料的研究、生产和推广应用逐渐进入高峰。本研究制备的超薄膨胀型隧道防火涂料涂层薄、用量少、养护周期短，施工效率高，且具有较高的粘结强度和优异的耐火性能，市场应用前景十分广阔［11］。

［1］ 何世家，贺少鹏，王军委.薄型隧道防火涂料的研制和应用［J］.中国涂料，2012（9）：37.

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