隧道防火涂料的研制与应用通过正交试验优化涂料组分配比温控表

隧道防火涂料的研制与应用，通过正交试验，优化涂料组分配比

0 引言

随着我国公路、铁路交通网络的发展，隧道工程越来越多。隧道不仅是交通运输的通道，也是光纤电缆、输电电缆及输油、输水的通道。因此，隧道中的火灾是经济损失最大、抢修最难、中断行车时间最长的交通事故［1］中国机械网okmao.com。

为了使隧道中的钢筋混凝土结构在火灾发生时免遭破坏，把经济损失降低到最小程度，采用防火涂料对隧道砼进行涂刷保护，不失为一种经济有效的方法。由于隧道所处环境的湿度大、通风差、行车产生的震动强烈、风压强劲、冻融造成的破坏性大、烟尘不易散发、噪音大等因素，对防火涂料提出了更高的要求：

（1）涂层应在潮湿环境中凝固干燥得快，具有较高的黏结强度和抗压强度，同时还应具有一定的柔韧性；

（2）涂层必须具有优良的耐水性、防火性。隧道防火涂料的防火性必须建立在涂层的高强抗裂性和优良的耐水防火性的基础上；

（3）用于高寒地区的隧道防火涂料还应具有防冻性；

（4）提高涂料的耐火极限，同时降低涂层施工厚度（目前施工厚度为20 mm，耐火极限为120 min）；

（5）涂料为环保型，涂层遇火灾时不产生有害烟气；

（6）施工简便，价格便宜。

本文研制的隧道防火涂料具有涂层薄（13 mm）、耐火极限高（＞ 180 min）、黏结强度高、柔韧抗裂性好、耐水防火性优良、抗冻融、环保无毒等特点，适用于各种隧道、地下工程、石化设备，以及有防火保温要求的建筑物、钢结构等的涂装保护。

1 实验部分

1.1 涂料组成及主要原材料

本文研制的隧道防火涂料由复合黏结剂、耐火隔热材料、膨胀发泡材料、阻燃消烟材料组成。复合黏结剂由高铝水泥CA-50、硅灰、可再分散胶粉RI551Z、羟丙甲基纤维素和自制的渗透结晶活性母料组成。其中活性母料由速溶硅酸钠粉、灰钙粉、硬质酸铝、萘系减水剂、引气剂、活性剂、有机硅憎水剂、缓凝剂等组成。耐火隔热材料由玻化微珠、硅铝基空心微珠、岩棉及硅酸铝纤维、海泡石、膨胀蛭石组成，其隔热性能见表1。

表1 耐火隔热材料的性能

膨胀发泡材料由有机发泡材料和无机膨胀材料组成。有机发泡材料由聚磷酸铵（APP）、三聚氰胺（MEL）和季戊四醇（PER）组成P-N-C 发泡体系；无机膨胀材料由可膨胀石墨和重铬酸铵组成。阻燃消烟材料由氢氧化铝和氢氧化镁复合而成。

1.2 基础配方

隧道防火涂料的基础配方见表2。

表2 隧道防火涂料基础配方

1.3 制备工艺

（1） 将耐火隔热材料中的玻化微珠、膨胀蛭石、海泡石过筛，筛除粗颗粒，以免喷涂时堵塞喷枪嘴。

（2） 先将硅铝基空心微珠和无机纤维加入混合机内进行混合分散，待无机纤维分散均匀后，再加入海泡石、膨胀蛭石，然后再加入复合黏结剂、膨胀发泡材料、阻燃消烟材料，最后加入玻化微珠，混合均匀后出料，装袋。

1.4 性能检测

1.4.1 试板制作

将粉状隧道防火涂料与水以1∶（0.70~0.75）的质量比搅拌混合均匀，按GB 9152 制作涂层试板，养护，待检测。

1.4.2 检测依据

由于目前隧道防火涂料尚无国家标准，本实验依据GA 98—1995《预应力混凝土楼板防火涂料通用技术条件》、GA 110—1995《建筑构件防火喷涂材料性能的实验方法》和GB/T 7798—88《建筑构件防火性能试验方法》，参照公安部四川消防研究所提出的《隧道防火涂料技术要求》［2］来检测隧道防火涂料的各项性能指标，并按照JG 474 标准进行抗渗压力检验。

2 结果与讨论

2.1 复合黏结剂的配比优化

隧道内部的钢筋混凝土砼结构和特殊的环境条件，决定了隧道防火涂料一般采用非膨胀型有机- 无机复合涂料。以单一的无机黏结剂（硅酸盐、磷酸盐）作基料，制备的防火涂料黏结强度低，耐水性差，耐冻融循环性不良，易开裂，防火性欠佳。加入一定量的可再分散胶粉后，制得有机- 无机复合黏结剂，可赋予涂料一定的柔韧性，增强涂层的变形能力及黏结性、耐水性、防火性等综合性能。在黏结剂中加入渗透结晶活性物和硅灰，可显著提高涂料的综合性能和防火抗渗性能。在涂料基础配方中各因素不变的条件下，只改变复合黏结剂中的原料配比，采用4 因素3 水平（L934）设计正交表（表3），考察其对隧道防火涂料黏结强度和抗压强度的影响。

表3 因素及水平

正交试验结果分析见表4。

表4 正交试验结果

从表4 中极差R 值的大小可以判断：各因素对涂层黏结强度影响程度的大小顺序为：A ＞ B ＞ C ＞ D ；对抗压强度影响程度的大小顺序为：A ＞ B=C=D ；对抗渗透压影响程度的大小顺序为：C ＞ A ＞ B=D。

通过对3 种性能结果的平衡，优选出较好的因素、水平组合为A2B2C3D2，即高铝水泥为30%，可再分散胶粉为2%，渗透结晶活性母料为9%，硅灰为6%。由此可见，组成复合黏结剂的原料及用量，对隧道防火涂料的黏结强度、抗压强度、耐水防火性能影响显著。

其机理是：可再分散胶粉与水泥相容性好，二者的水化产物形成有机- 无机双黏结构的柔性黏结剂，其胶膜对防火隔热填料颗粒进行包覆，形成空间网络结构，从而增强涂层的黏结强度、抗压强度、耐水性及柔韧抗裂性、抗冻融循环性。

硅灰与水接触后，部分小颗粒迅速溶解，并与水泥水化产物生成的Ca（OH）2 发生化学反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，与有机黏结剂结合成双黏柔性黏结剂；渗透结晶活性母料中的Ca（OH）2、硅酸钠本身就是一种无机黏结剂，硬质酸铝、有机硅憎水剂则是优良的防水剂。自制的活性结晶母料遇水溶解，渗入涂层和基层后与水泥中的水化产物发生化学反应，形成不溶于水的结晶体复合物，堵塞毛细孔和裂纹，达到防水的目的；对干燥后涂层和基层产生的细裂纹和毛细孔，活性母料与硅灰产生的二次水化活性物具有二次渗透修复功能，因此具有永久耐水性。

2.2 耐火隔热材料的配比优化

由玻化微珠（A）、硅铝基空心微珠（B）、岩棉及硅酸铝纤维（C）、海泡石（D）、膨胀蛭石（E）组成的无机耐火隔热材料，具有耐高温（＞ 1 000℃）、烧失量小、密度低、孔隙率高、孔隙尺寸小、导热系数低、耐火隔热性好等优点，是构成隧道防火涂层的主要组分。在基础配方中其他因素不变的条件下，耐火隔热材料中的A、B、C、D、E 质量比对防火涂料耐火性能的影响见表5。

表5 不同隔热材料配比对耐火性能的影响

由表5 可知：在复合耐火隔热材料添加量一定的条件下，提高玻化微珠的质量比，虽然其涂层的干密度较低，导热系数较小，耐火性也较好，但抗压强度太低（序号1）；减少玻化微珠质量比，提高硅铝基空心微珠和膨胀蛭石的质量比，尽管干密度和导热系数略有上升，然而抗压强度明显提高，涂层致密而耐水性好，尤其是试验序号3，虽然干密度比序号1 略高，但导热系数却略有下降，耐火极限值提高。

其原因是硅铝基空心微珠是经高温熔融、强气流气化喷雾形成的轻质空心球体，其内部呈微小的多孔性空心结构，表面由纤维空心网状结构构成坚硬的外壳，是一种标准的物理球形氧化硅铝陶瓷粉末材料，抗压强度达到5 000~6 000 kg/cm2，导热系数为0.07~0.12 W/（m·K）。

适当提高硅铝基空心微珠的添加比例，涂层的孔隙率提高，孔隙尺寸减小，耐火隔热性提高。加入适量的岩棉和硅酸铝纤维，利用其在涂层中的乱向分布，构成立体网络结构，不但提高了涂层的孔隙率，同时也增强了涂层的黏结强度、柔韧抗裂性和冻融循环性。海泡石是一种天然富镁型层状硅酸盐，呈针束状，内部多孔，导热系数较低，吸附性和水化性强，既是一种阻燃耐火材料，也是一种无机增稠流变材料，因此必须控制其用量。膨胀蛭石是一种复杂的铁、镁硅酸盐层状碎片，其中充满着无数细小孔隙，是一种优良的绝热材料。通过优化试验最终选择A∶B∶C∶D∶E=3∶2∶1∶0.6∶1。

2.3 膨胀发泡材料的优化

非膨胀厚质防火涂料中添加了大量轻质隔热材料，由于隔热材料的颗粒度较大，构成的涂层孔隙度较大，孔隙率相对较低，涂层的绝热性受到制约，改善涂层绝热性的办法是添加发泡材料，发泡材料可以在涂层受热时膨胀，填满涂层填料间的细小空间，减缓热量传递速度［3］。

常用的有机膨胀发泡材料是由APP、MEL、PER 构成的P-N-C 高温发泡阻燃体系，但用量不宜过多，这是因为：（1）该体系在高温下会释放出NH3、HCl 等物质，增加涂料的烟气毒性，影响安全等级；（2）体系的作用是为了在高温下膨胀，填充颗粒间的空隙，并不希望在表面形成炭质层。因此，其用量应控制在涂料总量的5% 以下。为进一步提高涂层遇火后的孔隙率，减小孔隙尺寸，弥补有机发泡剂用量少的不足，配方中添加了无机膨胀材料——可膨胀石墨和重铬酸铵。当可膨胀石墨受到200℃以上高温时，留在层间点阵中的化合物吸收大量热量而急剧分解、气化、膨胀，最终沿层间膨胀150~200 倍，形成纳米级微孔结构，成为大量“蠕虫”状碳化体微粒，填充于涂层的空隙之中；重铬酸铵在高温下分解成三氧化二铬，体积膨胀数十倍，蓬松的三氧化二铬具有高熔点（1 300℃）、高耐火性的特点。由于无机膨胀材料在高温下有吸热释放水的特性，因此可在一定程度上降低涂层温度，并有抑烟消烟作用。试验证明：无机膨胀材料的添加量宜在涂料总量的4% 左右。

2.4 防火性能的优化

隧道防火涂料由复合黏结剂（A）、耐火隔热材料（B）、膨胀发泡材料（C）、阻燃消烟材料（D）组成。为了实现耐火极限的优化，考察A、B、C、D 的质量比对耐火极限的影响，设计4 因素3 水平（L934）正交试验，见表6。

表6 因素及水平

正交试验结果分析见表7。

表7 正交试验结果

从表7 中极差R 值可见：膨胀发泡材料（C）的极差值最大，因此 C 对耐火极限的影响程度最大，其次是复合黏结剂，影响程度顺序为C → A → B → D。耐火极限最优的是试验序号5，即A2B2C3D2，相对应的材料配比为：复合黏结剂为45%，耐火隔热材料为35%，膨胀发泡材料为10%，阻燃消烟材料为8%。

2.5 性能指标

研制的隧道防火涂料的性能指标见表8。

3 施工方法

3.1 基层处理

（1） 将隧道砼表面的浮灰、油污等清理干净，并喷水保持基面湿润。

（2） 修补、填平基层凹凸不平之处，尽可能达到砼面平整。

（3） 对渗水处必须先做好堵漏处理。

3.2 涂料施工

（1） 将干粉涂料与水以1∶（0.70~0.75）的质量比搅拌混合均匀，成稠浆状。混合好的浆料应在1 h 内用完，以免凝固浪费。

（2） 施工现场环境温度应大于5℃。

（3） 用浆料作间距为2.5 m 的布点贴饼，做好涂层基准点，以便掌握施工厚度均匀准确。

（4） 采用抹涂或喷涂方法，每道涂料施工厚度应在5 mm 左右，待第一道涂料干燥后，再进行下一道涂料施工，直至达到规定的涂层厚度。最后一道涂料可抹平，亦可喷涂成凹凸花纹状，以利于减小噪音。

（5） 如需进行表面装饰，可待涂层干燥后再涂装饰面型防火涂料。

4 结语

（1） 研制的隧道防火涂料除具有涂层薄（13 mm）、耐火极限值高（＞ 180 min）的特点外，还具有黏结强度和抗压强度高、耐水性和防火性能好、柔韧抗裂性和耐冻融性佳、安全环保性优的特性。

（2） 隧道防火涂料由复合黏结剂、耐火隔热材料、膨胀发泡材料、阻燃消烟材料组成，其添加量分别占涂料总量的45%、35%、10%、8% 左右。

（3） 复合黏结剂由高铝水泥、可再分散胶粉、渗透结晶活性母料、硅灰组成，其添加量分别占涂料总量的30%、2%、9%、6% 左右。

（4） 耐火隔热材料由玻化微珠、硅铝基空心微珠、岩棉和硅酸铝纤维、海泡石、膨胀蛭石组成。在耐火隔热材料总量固定的条件下，其组分配比以3∶2∶1∶0.6∶1 为宜。

（5） 膨胀发泡材料由有机、无机两部分发泡剂组成：有机发泡剂由APP、MEL、PER 构成P-N-C 发泡体系；无机膨胀材料由可膨胀石墨和重铬酸铵组成。有机、无机发泡剂各占膨胀发泡材料总量的1/2 左右。

（6） 阻燃消烟材料由氢氧化铝和氢氧化镁组成，其添加量为8%。

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