隧道防火涂料研究综述

孙厚超，刘晶，杨建明

（盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051）

随着我国经济快速发展，各种铁路、公路隧道以及城市地下铁道的大量建设，道路交通状况发生明显改善。但随着道路交通流量的增加，运输车辆和运输物品变化很大，不仅增加交通隧道的火灾风险，而且隧道中一旦发生火灾，就会造成经济损失大、抢修难、中断行车时间长的交通事故[1]。因此，隧道防火成为地下工程研究的重要课题。目前在隧道混凝土结构表面喷抹隧道防火涂料成为一种比较经济可行的防火措施。这种特殊涂层是专门为隧道壁和拱顶设计的，以避免火灾中隧道结构的烧损，满足隧道防火要求，同时也可兼作隧道的内部装饰。

1 隧道防火涂料的历史

20世纪80年代中期我国隧道结构防火保护工作才起步，少数隧道使用防火涂料，如上海延安东路的岳江隧道。本世纪初以来，隧道的设计和建造均依据最新规范，逐步普及隧道防火涂料在地下工程中的应用。起初用钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料代替隧道防护涂料，甚至使用电缆防火涂料。由于涂料种类不同，防护对象不一样，防火性能有较大差别，特别是电缆防火涂料，耐火极限最多才20min，无法承受隧道火灾。此外，电缆防火涂料火灾时会产生大量有害物质，厚型钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料耐火性能好，但存在涂层厚、粘结强度低、耐水性差、涂层毒性研究没有足够认识等问题[2]。因此，上述涂料都不能代替隧道防火涂料，研制隧道专用防火涂料已成为需要解决的课题。

2 隧道防火涂料组成与防火机理

2.1 组成

隧道防火涂料主要由粘结剂、耐火填料、发泡材料和助剂组成[3-6]。

①粘结剂：耐火水泥、磷酸盐等均为较好的粘结剂。因用量大，需综合考虑燃烧性能、火灾时烟气和价格等选择粘结剂。粘结剂体积含量约为35%～40%。

②耐火填料：具有高温隔热和降低热导率作用，构成涂料的骨架。膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙等常见的无机轻质隔热填料。约占涂料总体积的35%～38%。

③膨胀剂：约占总体积的8%～10%，具有高温速膨胀隔热性能。常用膨胀剂有膨胀蛭石、重铬酸铵、三聚氰胺等。

④阻燃剂：具有受热膨胀隔热阻燃性能，如含结晶水的硼化物、锌化物等。约占总体积的12%～15%。

⑤其他助剂：可改善涂料和易性和理化性能，约占涂料总体积的3%～5%。高效减水剂等为常用助剂。

2.2 防火机理

从燃烧条件可以看出，切断燃烧三个要素中任一因素可阻止燃烧。在可燃材料的表面覆盖有不可燃或难燃的涂层，以防止与空气接触，使可燃材料的表面变成不可燃。例如，当遇到高温时，涂有硼化物的基材表面玻璃化，可隔离空气、火焰和热量；另一方面，硼化物含结晶水，受热分解成水蒸气，稀释并降低可燃气体浓度，从而推迟温升，提高耐火极限，达到防火目的。

从燃烧蔓延方式可看出，防止燃烧蔓延，必须隔离被保护对象的传热途径。在涂料中加入铝的氢氧化物等无机添加剂，当火灾达到添加剂分解温度时，会急剧分解，在脱水过程中吸收部分燃烧热量，降低系统温度，同时，大量的水蒸气也能抑制烟气的形成。

从阻燃原理可知，为了实现涂层本身的阻燃性或不燃性，可在涂层中加入阻燃剂，以提高涂层的阻燃性。还可以将具有阻燃性能的元素与有机高分子分子连接起来，实现成膜材料的阻燃。无机胶粘剂也可用作成膜材料，以达到涂层的不燃性。

3 隧道防火涂料改良方向与试验方法

为满足不同环境和用途需要，对隧道防火涂料进行改进，使其系列化。

3.1 改良方向

①高强抗裂隧道防火涂料：通过改变隧道防火涂料中粘合剂、干燥剂和分散剂的含量，制备出粘结强度高、抗裂性好的隧道防火涂料。

②防水隧道防火涂料：隧道渗水是至今没有得到很好解决的难题。因此，隧道防火涂料的研制中还需兼顾涂料耐水性能。

③抗冻性隧道防火涂料：在高纬度、高原和高山地区的隧道中，对隧道防火涂料的抗冻性要求更高。

④超长耐火极限隧道防火涂料：涂层厚度为20mm的隧道防火涂料的耐火极限为120min，但在如海底隧道等特殊隧道对防火涂料的耐火极限要求更高，因此有必要开发更高效的阻燃体系。

⑤绿色环保隧道防火涂料：针对隧道环境下通风差和疏散难特点，有毒有害气体释放量是国标中一项严格的指标要求。

3.2 试验方法

①粘结强度测试：依据《混凝土结构防火涂料》（GB28375-2012）规定，按照JG/T24-2000标准，在70mm×70mm×20mm砂浆块上铺设塑料框架，用防火涂料填充40mm×40mm框架，抹平去框后室温养护14d，并沿试件表面垂直方向放置在拉力试验机上，按拉伸速度5mm/min测定粘结强度，每组5个试样。

②耐火性能测试：将涂料涂覆在200mm×140mm×10mm的水泥石棉板上，涂层厚度10mm。常温28d养护后，按标准碳氢曲线在GJL-2型小型耐火试验炉上升温，对水泥石棉板背火面温度每隔1min记录1次，直至温度达到250℃。由于水泥石棉板背火面温度与耐火极限存在一定的关系，即升温至相同温度所需的时间越长，涂料耐火极限越高[7]。因此，根据水泥石棉板背火面温度，可推断涂料的耐火极限。

③XRD测试：将水泥燃烧前水化样品及燃烧后冷却样品研细制样，利用日本理学DMAX-RB型X-射线衍射仪对其进行XRD分析。

4 隧道防火涂料的发展趋势

涂料行业正朝着“五个E”方向发展，即提高涂料质量、施工方便、节约资源、节能、生态环保[8]。因此，今后隧道防火涂料发展方向为[9-10]：

①开发超薄膨胀型或无机轻质膨胀型隧道防火涂料，以避免涂料设计厚度过大的缺陷；

②研制水性和环保型隧道防火涂料，在生产、施工或燃烧过程中，力求减少或避免环境污染和人身伤害；

③水性隧道防火涂料初凝时间和粘结性能受水冻结的影响，需要进一步完善；

④在涂料中添加高性能增强材料，保证涂层能长期耐火隔热，膨胀后不脱落，在地下工程防水、装饰、降低成本等方面不断发展；

⑤应重视隧道防火涂料性能研究，同时应关注施工工艺的改进；

⑥进一步拓展隧道防火涂料应用范围，例如大型地下停车场、车库等场所。

5 结语

与其他防火涂料相比，我国隧道防火涂料研究起步晚，但研制和应用价格低廉、防火性能明显的隧道防火涂料，具有重要意义。开发适合我国隧道环境的新型涂料，对提高隧道结构耐火性能和降低火灾损失起到积极作用，发挥良好的经济效益和社会效益。