环氧防火涂料对钢壳混凝土结构隧道的防火研究

孙 浩 王良伟 杨昌海 袁亚利

(应急管理部四川消防研究所 成都 610036)

钢壳混凝土结构隧道与传统的钢筋混凝土隧道相比，具有以下优势：强度高，可抵抗更大载荷，实现更大的断面；延性好，耐久性更强；施工快捷简单，可节省支模等工序[1]。近年来，钢壳混凝土结构隧道在我国得到了飞速发展，并且正朝着大跨度方向发展。在建的举世瞩目的珠江口百年门户工程深中通道，其海底隧道采用的就是钢壳混凝土沉管隧道，这是世界上首次大规模采用、国内首次提出采用钢壳混凝土结构用于修筑海底隧道。

随着钢壳混凝土结构隧道的快速发展，隧道火灾危险随之增加。隧道因为空间相对封闭，导致火灾时隧道内温度在短时间内能达到1 000 ℃以上[2]。高温下钢材的力学性能急剧变化，当超过300 ℃时，钢材的力学性能开始下降；当温度达到430～540 ℃时，钢材的强度会显著下降；当温度达到450～650 ℃时，钢材强度下降到几乎失去承载能力[3]。因此，必须对钢壳混凝土结构隧道进行防火保护。

国内外针对传统的钢筋混凝土隧道结构的隧道防火保护进行了大量研究，但针对钢壳混凝土隧道结构的防火保护措施和评价研究成果较少。传统的隧道防火保护措施主要适用于钢壳混凝土隧道结构的被动防火保护，其技术成熟、施工方便的方法有喷涂防火涂料和加装防火板[4]。李平利等[5]提出了隧道防火涂料存在黏性和耐候性差，以及受火易脱落等问题，防火板存在吸湿率高及受火易开裂等问题，不能对钢壳混凝土结构隧道进行很好的防火保护。经过调研，环氧防火涂料与其他类型防火涂料相比，具有附着力好、黏结力强，膨胀层致密结实，耐候性良好等优势，已广泛应用于环境恶劣的石化等行业[6]。

本文针对钢壳混凝土隧道结构的特点，采用环氧型钢结构防火涂料对隧道结构进行防火保护，并通过局部1∶1结构构件的耐火试验验证其有效性。

1 耐火试验

调研国内隧道结构防火保护相关的规范及隧道防火保护材料耐火性能测试相关的国家和行业标准后，发现目前还没有一个具体可操作的试验方法来对钢壳混凝土结构隧道的耐火性能进行测试。鉴于此，本文提出一种钢壳混凝土结构隧道耐火试验方案，并通过3组局部1∶1结构构件进行耐火试验，验证本方案的可行性。

1.1 试验工况设计

GB 50016-2014 《建筑设计防火规范》对隧道进行了分类，并规定隧道承重结构体的耐火极限，隧道分类、升温曲线，以及耐火极限见表1[7]。为验证环氧型钢结构防火涂料在极端火灾情况下对钢壳混凝土结构隧道的防火保护效果，以及环氧型钢结构防火涂料的普遍适用性，采用条件比较苛刻的RABT升温曲线和HC升温曲线对试件进行耐火试验，耐火时间均设定为规范要求的最高时间等级2 h。

表1 GB 50016《建筑设计防火规范》中隧道分类、升温曲线及耐火极限表

1.2 试验试件制作

为了更真实地反映隧道在服役时遭受火灾的现实状态，在充分的文献和现场调研下，根据试验炉的尺寸和承重条件制作了以下试件。

试件的基材为长1 450 mm、宽1 450 mm的钢板(材质为Q235B)，钢板上表面边长1/2处焊接角钢，钢板上表面浇筑混凝土。混凝土为热惰性材料，温度在内部影响范围有限，结构受火面的温度越高，其内部温度梯度就越大。但受火表面温度对于结构内部的影响深度有限。在不考虑混凝土爆裂的前提下，火灾对结构的影响深度约为30 cm左右[8-10]，因此本试验设定混凝土的厚度为30 cm。

实际工程中隧道钢板的厚度是根据隧道的承载情况和服役条件决定的，不同隧道的钢板厚度不一样，同一隧道不同位置的钢板厚度也不一样，本次试验意在研究防火材料保护下的隧道结构耐火性能，仅选择代表性的钢板厚度进行试验。对于钢板和混凝土整体作为隧道承力结构的隧道，如深中隧道管节内侧钢板厚度为10～30 mm，本次试验参照深中隧道钢板厚度选择中间尺寸钢板厚度为20 mm，标记为试件1；对于钢板只作隧道支模作用不作为隧道承力结构的隧道，钢板的厚度没有具体的规定，但考虑隧道工程施工等因素，本次试验钢板厚度选择为10 mm，标记为试件2；为模拟隧道顶部呈弧形的隧道结构，在试件1的基础上将钢板沿一边弯曲一定弧度，弯曲弧度半径ρ=5.2 m，标记为试件3。

1.3 热电偶布置

热电偶布置位置示意图见图1，Tc1～Tc4表示热电偶，分布在钢板与混凝土接触表面，监测钢板上的温度值及温度变化，Tc5～Tc8为混凝土板内距钢板上表面25 mm的4支热电偶，Tc9～Tc12为混凝土板内角钢上表面的4支热电偶，监测混凝土内的温度值及温度变化。每一个温度测点布置2个热电偶，一个用于测温、一个留作备用。Tc1～Tc4热电偶用金属条压实焊牢在钢板背面，Tc9～Tc12热电偶用金属条压实焊牢在角钢上表面；Tc5～Tc8在浇筑混凝土时插入距钢板25 mm处。

1-50 mm×25 mm×10 mm角钢；2-混凝土板；3-钢板

1.4 防火涂料的施工

防火涂料的施工质量直接关系到涂料在受火时的耐火性能，因此严格按照环氧型钢结构防火涂料的使用说明书进行涂料的施工。施工时，钢板表面除锈处理级别不得低于Sa2.5等级，为保证涂料黏结牢固，需在总涂层厚度约一半处安装增强网。涂刷完成后在规定的环境条件下养护直至涂层完全凝固。总涂层厚度的允许偏差应为设计厚度的±5%，防火涂层不得漏涂，涂层应闭合无脱层、空鼓、粉化松散、浮浆和明显裂纹等外观缺陷。此前未有相关试验数据作为涂层厚度的参考，本次试验根据提供涂料的生产企业经验设计涂层厚度。此试验中试件1的涂料涂层设计厚度为20 mm；试件2和3的涂料涂层设计厚度为10 mm。

1.5 耐火试验评价

通过调研发现，目前国内还没有颁布对钢壳混凝土结构隧道耐火极限进行评价的标准或规范。GB 50016-2014对传统的钢筋混凝土结构隧道的耐火极限判定进行了规定，对钢壳混凝土结构隧道的耐火极限判定没有相应规定；NFPA 502规定了隧道钢的极限温度不能超过300 ℃[11]，距离混凝土底表面25 mm处钢筋的温度不能超过250 ℃。

因此本试验方法对钢壳混凝土结构隧道耐火极限判定条件为：对钢壳的耐火极限温度判定标准为300 ℃，对混凝土内耐火极限温度判定标准均为250 ℃。

2 试验结果分析

按照上述试验方案对3个试件进行了耐火试验，3个试件所对应的试件试验工况对照见表2。

表2 试件试验工况对照表

试件1的温度时间曲线图见图2。

图2 试件1钢板、混凝土板以及角钢最大温度曲线

由图2可见，试件温度随受火时间的增加先升后降，在前120 min升温阶段中，温度随着时间增加而增加，在降温阶段温度随时间先升后降。钢板上表面最高温度发生在试验188～202 min时间段，最高温度为92 ℃；混凝土内距钢板上表面25 mm处最高温度发生在试验205～219 min时间段，最高温度为80 ℃；混凝土内角钢上表面最高温度发生在试验218～229 min时间段，最高温度为77 ℃。

试件2的温度时间曲线图见图3。由图3可见，试件温度随受火时间的增加而增加。钢板上表面温度最高达到141 ℃，混凝土内距钢板上表面25 mm处温度最高达到103 ℃，混凝土内角钢上表面温度最高达到104 ℃。

图3 试件2钢板、混凝土板以及角钢最大温度曲线

试件3的温度时间曲线图见图4。

图4 试件3钢板、混凝土板以及角钢最大温度曲线

由图4可见，试件温度随受火时间的增加先升后降，在前120 min升温阶段中，温度随着时间增加而增加，在降温阶段温度随时间先升后降。钢板上表面最高温度发生在试验139～143 min时间段，最高温度为142 ℃；混凝土内距钢板上表面25 mm处最高温度发生在试验171～182 min时间段，最高温度为110 ℃；混凝土内角钢上表面最高温度发生在试验183～194 min时间段，最高温度为104 ℃。

以上3组试验中，钢板上表面最高温度，试件1为92 ℃、试件2为141 ℃、试件3为142 ℃，均未超过规定的耐火极限温度值300 ℃；混凝土内距钢板上表面25 mm处以及混凝土内角钢上表面温度试件1分别为80 ℃和77 ℃、试件2分别为103 ℃和104 ℃、试件3分别为110 ℃和104 ℃均未超过规定的耐火极限温度值250 ℃。3个试件中钢板上的温度明显高于混凝土板和角钢上的温度，可以看出沿着试件厚度方向，温度是逐渐降低的。在试验的前120 min内，试件1、2、3的各测点的温度都随着时间的增加而增加，试件2在第120 min各个测温点温度达到最高。试件1和3中，最高温度发生在RABT温升的降温阶段，此时炉内的温度不是处于最高温度且逐渐下降，这是因为在降温阶段虽然炉内温度逐渐呈线性下降，但是依旧高于试件内温度，试件中的混凝土从炉内吸收热量大于散发的热量导致，因此在RABT温升火灾中，火在熄灭的过程中对隧道结构的危害尤为值得关注。

试件受火后涂层程黑褐色，涂层发泡均匀且密实，发泡涂层无脱层、脱落、掉渣等现象，仅试件2涂层有少许裂纹。

3 结论

钢壳混凝土结构隧道在面临火灾的危害时，必须采取相应的防火保护措施，以保证隧道结构满足规定的耐火性能要求，本文设计的钢壳混凝土结构隧道防火保护材料耐火试验方案能在HC和RABT火灾升温曲线工况下，对多种结构类型的钢壳混凝土结构隧道的防火保护措施进行耐火性能验证。通过3组局部1∶1结构构件试验表明，环氧型钢结构防火涂料能对钢壳混凝土结构隧道起到很好的防火保护作用，且在RABT和CH升温曲线下，能保证钢壳混凝土结构隧道达到不小于2 h的耐火性能。