浅析隧道防火涂料及其配方设计

张思清1,张博思1,赵乘寿1,赵春霞 2
（1.西南交通大学环境科学与工程学院消防工程系，四川成都610031；2.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都610041）

1 前言
随着社会的不断发展，人们对交通道路建设的要求越来越高，建造在山岭、河道、海峡及城市地面以下, 供车辆、行人、水流、管线等通过的隧道，作为交通道路建设的一种重要形式，具有实现目标距离最短、占地面积最少、对自然环境及景观破坏程度最小、造价适宜等特点，不仅承担着交通运输的重任，还可作为输油管、输水管、光缆、电缆的通道，越来越受到世界各国交通道路规划建设的青睐。特别是现阶段经济快速发展的我国，已建造的隧道数量已超过8500多座，总长度高达4500多千米，高居世界第一位，并将继续以500km/年的速度快速发展。日益增长的隧道长度和日益增多的交通运输量，使得隧道火灾发生频率也日益增长，隧道的防火保护已成为隧道设计、建设及运营的重点考虑问题之一。通常隧道是由大量的石料和钢筋混凝土卷拱而成，由于大多数隧道自身的管状结构，隧道内近似密闭状态，一旦发生火灾，温度上升快，在较短时间内，迅速达到高温状态，而混凝土在300℃强度开始降低，500℃时强度损失将近一半，800℃强度几乎丧失，因此隧道结构在火灾时容易崩塌，甚至爆裂，堵塞通道或砸伤人员，为及时救援和疏通带来极大困难。目前提高隧道钢筋混凝土结构的防火措施主要有安装喷淋灭火系统、额外设置混凝土牺牲层、在隧道表面安装防火板材或其他防火材料以及在隧道砌体上喷涂防火涂料。每种防火措施各有优缺点，从性能、成本以及施工方便性综合考虑，喷涂防火涂料是现阶段隧道防火的最佳选择。隧道防火涂料涂覆于隧道侧壁和拱顶，对隧道侧壁和拱顶钢筋混凝土结构起隔热防火保护作用，避免隧道内钢筋混凝土结构在火灾时强度降低、炸裂及衬内钢筋破坏失去支撑能力而崩塌。我国隧道防火涂料研究起步晚，基础薄弱，还停留在直接将混凝土防火涂料或厚型钢结构防火涂料，甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料使用的阶段，这种方式涂层太厚，一般涂层厚度在20～30mm，耐火时间才能达到3h，并且施工复杂，需多次涂刷；粘结强度低，不能满足车辆通行时产生强风和振动的实际情况；耐水性差，容易积水，甚至脱落；耐火性能差，耐火极限最多在20min 。基于我国隧道快速发展的严峻形势、隧道防火设计的要求以及我国经济发展的具体情况，需了解隧道防火涂料的分类及其防火隔热原理，理解隧道防火涂料应满足的基本要求，掌握隧道防火涂料的配方设计，加强对隧道防火涂料的研究，以期提高我国隧道防火涂料的质量。

2 隧道防火涂料的分类及其防火隔热原理
目前隧道防火涂料常见的分类方法主要有三种，一种是按涂层厚度分类，可分为厚涂型和薄涂型，厚涂型隧道防火涂料的涂层厚度通常为15～25mm，而薄涂型隧道防火涂料的涂层厚度为7～10mm厚。另一种是按照隧道防火施工时的组成数量进行分类，有单组分隧道防火涂料和双组分隧道防火涂料之分。第三种是按隧道防火涂料的防火形式进行分类，分为非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料，非膨胀型防火涂料受热时不燃，通过自身低的导热系数或发生吸热化学反应，延迟热量向保护基体的传递，从而提高基体的耐火能力；膨胀型防火涂料受热时，形成比涂膜厚度大几十倍甚至上百倍的不易燃的海绵状炭化层或釉状保护层。这种保护层具有良好的隔热隔氧作用，能够使基材在一定的时间内保持较低的温度，阻止基体进入应力临界状态，起到良好的防火隔热保护作用。
常见隧道防火涂料的防火隔热机理主要有无机阻燃隔热机理、热膨胀隔热机理及无机阻燃隔热与热膨胀隔热复合机理。无机阻燃隔热机理主要通过具有良好热绝缘性的颗粒状多孔隔热材料起作用，如珍珠岩、膨胀蛭石等轻质无机防火材料，颗粒孔洞、颗粒之间的缝隙及涂层与涂层之间相互交错充满着空气隔热层，与隔热材料一起延迟热量向保护基体的传递，提高隧道结构的耐火能力，或者通过防火涂料中某些物质受热时发生化学反应吸收大量的热量，减缓温度的上升速度，其自身不燃并形成一层釉状保护层隔绝氧气，提高隧道结构的耐火极限，这种防火涂料主要依靠本身不燃及隔绝热传递和热辐射，受热时不产生有毒有害成分，环保效果较好。热膨胀隔热机理主要依靠防火涂料受热时，形成海绵状或蜂窝状膨胀发泡碳层，根据形成膨胀碳层的机理不同，可分为P-N-C膨胀体系和自膨胀体系两种。PN-C膨胀体系通常由酸源、碳源和气源所组成，受热时酸源首先分解产生无机或者有机酸，催化碳源脱水成碳，形成的碳在气源分解产生气体的作用下形成蓬松、有封闭结构的碳层，该碳层本身不易燃，可阻止热量热源与基材的热传导，同时多孔结构可以阻止气体扩散，从而起隔热隔氧作用，提高隧道的耐火能力。自膨胀体系主要依靠物质本身的受热膨胀特性，形成隔热隔氧保护层，这类物质有物理膨胀型的可膨胀石墨、可膨胀珍珠岩和可膨胀蛭石等物质，也有化学膨胀型的氨基苯磺酸盐、氨基磺酰对苯胺、p,p-氯化二苯磺酰肼、5-氨基-2-硝基苯甲酸等化合物。无机阻燃隔热与热膨胀隔热复合机理是通过在膨胀型防火涂料中加入无机隔热材料，涂料受热时，既发挥无机隔热材料的隔热作用，又发挥其对碳层结构的增强作用，提高膨胀碳层的隔热隔氧效果。

我国隧道防火涂料的研发与应用起步较晚，始于20世纪90年代末和21世纪初，目前尚未有统一的产品国家标准，鉴于目前大多数现有隧道防火涂料类似于混凝土防火涂料，我国现按公安部颁布的公共行业标准GA-2005《混凝土结构防火涂料》对隧道防火涂料产品技术指标进行要求和检验。表1和表2分别是混凝土构件和隧道防火涂料技术要求。比较表1和表2可以看出，隧道防火涂料在耐水、耐酸碱性及耐湿热性技术要求方面远远高于普通混凝土防火涂料的技术要求，而且还增加了抗冻融性循环次数要求，这是由于通常隧道所处的环境潮湿，而且行车时，震感大，风压强劲，冻融造成的破坏大所决定的。在耐火性技术要求方面，隧道防火涂料要远低于普通混凝土防火涂料，这是由于我国隧道防火涂料研发和生产起步晚，技术水平低下造成的。因此隧道防火涂料的研发、生产和应用在我国还有很大的上升空间。

隧道防火涂料的配方设计应根据隧道及隧道火灾的特点来选择组份，通过各种组份之间的合理配比达到隧道防火涂料的质量指标要求。隧道火灾的发生通常是由于通行车辆意外燃烧所致，燃烧物主要为汽油、轮胎、高分子材料装饰物等有机物，加之隧道通常为狭长的结构，隧道内近似封闭状态，火灾发生时，火灾强度大，温度高且上升快。隧道结构防火保护的目的在于火灾发生时保持隧道钢筋混凝土结构的稳定性和完整性，因此在隧道防火涂料的配方设计时一方面应重点考虑防火涂料长时间耐火和耐高温的性能，特别是耐烃类火的性能；另一方面隧道渗水是一个尚未完全解决的世界性难题，隧道内湿度大，容易造成湿热环境，且通车时会产生强风和振动，在设计隧道防火涂料重点考虑涂料耐火性的同时，应兼顾涂料的耐水、耐潮、耐冻性和粘结性。防火涂料的粘结性差是目前我国隧道防火涂料的主要缺陷。除应满足隧道防火涂料基本的质量指标要求外，还应着重考虑防火涂料的环保性和施工方便性，设计的隧道防火涂料应尽可能无毒、无气味、受火时不产生浓烟和有毒气体等环境危害，且原料易得，干燥快，既可机械喷涂，也可手工涂抹。

隧道防火涂料主要由粘结剂，或称成膜物、阻燃剂和助剂所组成。粘结剂有无机物如水玻璃、耐火水泥、磷酸盐等，有机物如苯丙、醋丙、EVA等粘结剂的选择应适应隧道潮湿的环境，粘结性能好，强风、振动和高温时均不脱落。从阻燃隔热机理看，隧道防火涂料用阻燃剂有无机阻燃隔热阻燃剂和热膨胀隔热阻燃剂两类。无机阻燃隔热阻燃剂主要是具有良好热绝缘性的颗粒状多孔隔热物质，如珍珠岩、膨胀蛭石等和受热时容易吸热失水的硼化物、锌化物等物质；热膨胀隔热阻燃剂主要有P-N-C膨胀体系和自膨胀体系两种。P-N-C膨胀体系的碳源通常为含有叔炭原子的多元醇，气源主要是含氮量高的物质，因此与自膨胀体系中可膨胀石墨、可膨胀珍珠岩和可膨胀蛭石相比，燃烧时容易产生有毒有害气体，鉴于隧道近似密闭，烟气难于散发的特点，阻燃剂应尽可能选用自膨胀体系中的可膨胀石墨、可膨胀珍珠岩和可膨胀蛭石等燃烧时不产生有毒有害的物质。隧道防火涂料中的助剂的作用主要是改善防火涂料的和易性和理化性能，如防水剂、分散剂、辅助粘结剂等，防火剂应选用能吸收游离的碱金属和碱土金属离子，同时还能促进涂料固化，提高涂料早期强度的物质，以提高涂料的防水性和施工方便性；分散剂应尽可能采用水，以减小生产和施工时对环境的危害；辅助粘结剂应选择不含碱金属的物质，因为在隧道潮湿环境的作用下，碱金属容易发生迁移出现返卤或者降低涂料粘结性的现象。在隧道防火涂料组分选定以后，应从多因素中抓住主要因素，以粘结剂为重点，确定一种组分及配比进行试验，分析各试验结果的差异，通过实践选择和优化，结合大量的科学试验，得到满足隧道防火涂料质量标要求的最佳配方。