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隧道環保型防火涂料的前景分析及研究應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2011-06-03   來源:中國涂料助劑網   瀏覽次數:118  分享到: 分享到騰訊微博
國內外就隧道防火涂料的研究已開展了大量的工作。如國內學者提出一種以硅酸鹽為主要黏結劑,以氫氧化鋁、膨脹蛭石、三硅酸鎂等為填充料,四硼酸鈉為防火助劑的隧道防火涂料;針對隧道砌體不耐高溫的特點,研制了一種以無機膠凝材料為主的耐潮濕環境的水硬性隧道防火涂料,該涂料可同時應用于鋼結構和混凝土的防火保護;開發了一種新型的物理膨脹阻燃劑,以可膨脹石墨為主,制備了一種無鹵素、環保、并具有優良防火性能的物理膨脹型防火涂料。
 
隧道在建筑學中被定義為橫截面積超過30m2的地下人工建造的通道。隧道不僅承擔著交通運輸的任務,還起著光纜、電纜甚至是輸油管、輸水管通道的功能。雖然作為隧道內主體建筑的鋼筋混凝土構件是不燃性材料,但隧道火災具有燃燒后周圍溫度升高較快、持續時間長,著火范圍較大、消防撲救與進入困難等特點,在火災發生的短時間內,隧道內著火現場的局部溫度會迅速升至1000℃,隨著溫度的持續升高,混凝土內結合水變成蒸汽膨脹,產生壓力,導致混凝土表層發生炸裂,產生大的塌陷,隧道襯砌和結構也受到破壞,加劇了疏散和救援人員的生命危險,其直接損失和間接損失巨大。隨著我國長隧道及特長隧道的不斷增多,隧道的結構防火保護已經是一個重要的研究課題。從最近報道來看,我國的鐵路隧道已超過6875座,總長度3700多km,公路隧道超過1780座。總長度近800km,均為世界第一。
隧道結構防火保護的目的是:采取一定措施,使隧道的鋼筋混凝土結構在火災發生時保持完整性與穩定性,從而大大減少火災事故造成的生命財產損失,縮短工程修復時間。在隧道消防技術中,主要有以下結構防火措施:即提供不計入結構剖面的額外混凝土厚度、在混凝土中添加聚丙烯纖維、安裝噴淋滅火系統、在隧道襯體上粘貼隧道專用防火板材、在隧道襯體上噴涂防火涂料等。每種措施各有其特點,從性價比和施工的方便性考慮,隧道防火涂料均是隧道防火保護的最佳選擇。

一、環保型隧道防火涂料的研制

(一)、主要原材料介紹

1、黏結劑及耐火隔熱材料

隧道防火涂料宜選用無機黏結劑,如水玻璃(硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰等)、磷酸鹽、硅溶膠、硅酸鹽等,在此選用硅酸鹽作主要黏結劑,因硅酸鹽黏結劑的密度大,所以再配以其他輕質無機黏結劑和適量有機黏結劑以增加強度和降低干密度。對硅酸鹽黏結劑的性能要求是強度高,硬化快,硬化物密度低。

耐火隔熱材料要求具有相對密度低、導熱率低、粒徑適宜、高溫穩定性好等特點。在隧道防火涂料中常用的耐火隔熱材料有以下幾種。

(1)膨脹珍珠巖。 膨脹珍珠巖是白色或灰白色的多孔狀物質,由天然珍珠巖經破碎、預熱、瞬時高溫(1200℃左右)煅燒,使內部所含的結晶水及揮發性成分急劇揮發而成,具有質輕、絕熱、吸音、無毒、不燃、無味等特點,是一種很好的超輕質高效能的隔熱保溫材料(見表1)。


 

表1膨脹珍珠巖的分類及性能要求

(2)膨脹蛭石。 膨脹蛭石是由金云母或黑云母變質而成的,是一種復雜的鐵、鎂含水硅酸鹽類礦物。外形像云母,但性脆而無彈性,表面光澤差,不能分剝成薄片,每層間含有結晶水,因此加熱到850~1000℃時,由于結晶水變成氣體,使體積膨脹15~20倍,薄片間形成空氣夾層,形成層狀碎片,其中有著無數細小的孔隙,是一種良好的無機保溫隔熱材料(見表2)。

 

表2常見膨脹蛭石的物理性能

(3)巖棉纖維。 巖棉是人造輕質硅酸鹽非連續的絮狀纖維材料,質地松軟,密度約為150kg/m3,導熱系數在0.07W/(m·k)左右。其化學穩定性好,耐酸,耐堿。巖棉纖維雖細,但不脆,有彈性,經剪斷加工成合適長度的纖維后,用來生產防火涂料,可增強涂層的機械強度。

(4)其他耐火隔熱材料。 除上述幾種耐火隔熱材料外,還有海泡石、硅藻土、石棉等。海泡石可作為涂料的增稠劑、觸變劑和懸浮劑。硅藻土密度約為500kg/m3,導熱系數約為0.17W/(m·k)在防火涂料中可用作懸浮劑,但用量不能太大,否則影響涂料的干密度。石棉因其污染環境和危害人體健康,不推薦采用。

2、發泡材料

發泡材料可以在涂料受熱時膨脹,填滿涂層填料間的細小空間,減慢熱量傳遞速度。

(1)聚磷酸銨。聚磷酸銨(APP),又稱多聚磷酸銨,是白色(結晶或無定形)粉末,系無分枝的長鏈聚合物,是一種優質、高效、無毒的發泡材料。

(2)三聚氰胺。三聚氰胺俗稱蜜胺,常用于防火涂料中的發泡組分,由于它不含鹵素,無毒,不會污染環境,因此在防火涂料中廣泛采用。

3、助劑

(1)硅酸鹽促固劑。一般情況下,硅酸鹽黏結劑固化速度較慢,為滿足GB14907—94規定干燥時間的要求,還需要加入適量的促固劑,要求促固劑在涂料粉料未加水混合前,不會造成粉料結團、水泥強度降低或失效。所以常選用不含水的粉狀促固劑。

(2)增稠劑或懸浮劑。由于涂料中分別含有密度較大的微細粉料和密度較小的隔熱材料,如不使用增稠劑或懸浮劑,則不易混勻,加水攪拌時易分層以及稠度不適合刷涂要求。

(二)試驗結果及分析

1、耐火極限及黏結性能

隧道防火涂料的最重要指標是涂料的耐火極限、黏結性能和安全毒性,在確定了原料后,通過改變原料的比例,研究了上述4類材料對涂料耐火極限、黏結性能的影響,每個因素上選取3個水平,采用L9(3)正交試驗設計方案(見表3)。

 

2、試驗結果與分析

試驗結果與分析見表4。

 

表4試驗結果與分析

由此可見,發泡材料對耐火極限影響最大,其次是黏結劑,主次順序為:C—A—D—B,在黏結劑量一定的條件下,增加發泡材料、耐火隔熱材料及助劑,均可提高涂料的耐火極限。

黏結劑和耐火隔熱材料對黏結強度影響最大,主次順序為:A—B—D—C,這是由于增加黏結劑可以增加黏結強度,耐火隔熱材料多為輕質材料,增加低密度的耐火隔熱材料,單位體積的涂料中黏結劑含量減少,致使黏結強度降低。

(三)生產配方及性能指標

經過大量的試驗,確定了隧道防火涂料的配方(見表5),具體性能指標見表6。

 

表5隧道防火涂料配方

(四)生產工藝

(1)將發泡材料、耐火隔熱材料等原料過篩,除去粗顆粒,以避免噴涂施工時粗顆粒堵塞管道、噴槍。

 

表6隧道防火涂料技術要求

(2)將助劑加入到發泡材料、耐火隔熱材料中,在高速攪拌機中充分攪拌,混合均勻。

(3)在以上混合物中加入黏結劑,充分攪拌,混合均勻。

(4)產品須防潮,包裝時內襯塑料袋,外套編織袋。隧道防火涂料的生產工藝流程見圖1。

 

圖1隧道防火涂料生產工藝流程

二、隧道防火涂料的應用及施工

隧道防火涂料主要適用于公路隧道、鐵路隧道的防火,還適用于石化工程、高層建筑、鋼結構、地下車庫的防火需要。

(一)施工方法

隧道防火涂料的施工一般采用分層間隔性施工工藝,分基層(防火層)和表層(顏色層)施工。施工期間及施工后的24h內,環境溫度不得低于4℃,以防止遭受凍害。在極度干燥和炎熱條件下,應創造必要的養護條件,防止涂層失水過快。

1、施工機具

施工機具:砂漿攪拌機、專用噴涂設備(擠壓式灰漿泵、空壓機)、涂抹灰漿專用鐵板、清洗用具、運輸工具等。

2、施工準備

(1)將隧道砼表面的浮塵、油污等清洗干凈,并灑水潤濕;

(2)修補凹凸不平的地方,確保隧道砼表面的平整;同時對砼表面特別光滑的地方,要求用砂漿抹面;

(3)漏水的地方一定要補漏止水。

3、基層施工

(1)水和涂料以(0.70~0.75):1的比例混合,用攪拌機攪拌20min(一定要確保攪拌時間,涂料要隨拌隨用),成稠漿狀;

(2)用少量的漿料做間距為2.5m的橫條狀厚度標志,作為噴涂施工的參照物;

(3)用噴涂機從隧道的腰部向頂部(從下而上)進行噴涂,每次噴涂厚度3~8mm;

(4)待第一次噴涂基本干透后,繼續噴涂第二次,如此循環,直至噴涂到設計厚度;

(5)因噴涂表面不夠光滑,所以在最后一次噴涂后,要立即用料漿進行手工補填找平、修整,使涂層表面平整光滑,并確保涂層達到設計厚度;

(6)基層完工后,要求涂層表面平整、光滑、潔凈。

4、表層施工

在基層基本干透成型后(約需3d),方可進行表層施工(對要求較高的工程,如市政工程等,在表層施工前最好在基層表面刮一層膩子)。表層可以用噴槍、羊毛刷、輥筒等機具進行施工。噴刷要求均勻、平滑、無色差。不同顏色的分界線要求平直、清晰。

(二)養護

常規自然養護28d,養護條件與普通混凝土相同。涂層如有損傷,應及時修補。

(三)施工注意事項

(1)攪拌時漿料太干,可適當增大水灰比,以適宜施工為準;

(2)在攪拌、噴涂、涂抹過程中,散落、反彈的漿料可及時收回利用;被污染的和超過2h的不能再用;

(3)涂料包裝袋一經打開應立即使用,受潮結塊的涂不得使用;

(4)施工工藝可根據涂層的設計厚度和施工條件,

進行適當調整。

三、隧道防火涂料的發展前景

國內外就隧道防火涂料的研究已開展了大量的工作。如國內學者提出一種以硅酸鹽為主要黏結劑,以氫氧化鋁、膨脹蛭石、三硅酸鎂等為填充料,四硼酸鈉為防火助劑的隧道防火涂料;針對隧道砌體不耐高溫的特點,研制了一種以無機膠凝材料為主的耐潮濕環境的水硬性隧道防火涂料,該涂料可同時應用于鋼結構和混凝土的防火保護;開發了一種新型的物理膨脹阻燃劑,以可膨脹石墨為主,制備了一種無鹵素、環保、并具有優良防火性能的物理膨脹型防火涂料。而國外學者研制出建筑物表面的無機防火涂料,由水硬性白水泥、水玻璃、蛭石、膨脹珍珠巖、無機玻璃纖維等組成;推出了以海泡石、鈣硅石、增強纖維、高鋁水泥、無定形硅石為主要組成的防火涂料,該涂料具有很好的絕熱性和防爆裂性,可應用于建筑物外墻、隧道等;可用于金屬和混凝土表面的防火涂料,由膨潤土、硅酸鋁、硅灰石、硅酸鎂、玻璃微珠及一些多孑L填料組成,黏結劑為水玻璃、波特蘭水泥、石膏、磷酸鹽類中的一種或幾種等。

從國內外各類防火涂料的文獻專利看出,用于保護建筑結構的不燃性涂料包括有機膨脹型厚漿涂料和輕體無機防火涂料2類。在火災溫度下,有機膨脹涂料的碳質泡沫層易逐漸消失而降低防火隔熱作用,即使是最好的涂料,涂層增至4.7mm時,耐火極限也只有1h。而無機涂料,由于密度小、熱導率小、耐火性能好,隨涂層厚度不同,可滿足1~2h甚至更長時間的耐火要求。但純粹的無機物構成的涂料,容易硬而脆,產生龜裂脫落等不利情況。因此,在隧道防火涂料的研究中,一般應采用有機一無機復合涂料的技術路線,其今后的發展方向為: ①發展超薄型膨脹隧道防火涂料和無機輕質膨脹型隧道防火涂料等,避免現在的隧道防火涂料涂層過厚的缺陷; ②發展水性和環保型隧道防火涂料,盡量減少或避免因生產、施工或燃燒造成的環境污染和人身傷害; ③尋求在涂料中使用的高性能增強材料,以確保涂層膨脹后能長時間耐火隔熱而不致脫落,并在隧道防火涂料的耐水性、裝飾性、降低成本等方面不斷發展; ④既要重視防火性、理化性能和使用性能的研究,也要重視提高施工技術水平,以保證產品和涂層的品質。

四、結語

隧道防火涂料是近幾年才研究出來的產品,因此與其他防火涂料相比,其產品產量和生產廠家相對較少。但是隧道防火涂料作為一種價格低廉、對隧道結構保護作用明顯、適合我國目前經濟發展水平的新型涂料,在預防隧道火災、提高隧道結構的耐火極限方面將起到積極的作用,并在降低外部火災帶來的損失和縮減修復成本方面,將產生潛在的、巨大的經濟效益和社會效益。由于中外隧道火災的慘痛教訓,隧道結構防火已引起國內外有關部門的高度重視,各部門對使用隧道防火涂料作為隧道結構防火保護的要求也日益增加,因而隧道防火涂料的研究、生產和推廣應用正在逐漸步入高潮。目前全國很多廠家、研究單位正在對隧道防火涂料的研究和應用開展積極的工作,隨著這些工作的推進,將會有更多更好的隧道防火涂料產品問世,以滿足社會的需要,由此可以推動隧道防火涂料的發展及高性能防火助劑的開發,使隧道防火涂料走向良好的發展軌道。

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