隧道防火涂料粘結性能的研究進展

沈玉令

摘要：隨著公路隧道的修建規模日趨擴大，隧道防火涂料的應用日趨廣泛，其中隧道防火涂料的粘結性能尤為值得關注，本文綜述了現階段隧道防火涂料粘結性能在國內外的研究進展和方式，并分析評價亟需解決的不足和缺陷，提出了隧道防火涂料的粘結性能的未來發展方向。

關鍵詞：粘結強度；隧道防火涂料；膨脹型；非膨脹型；改性

隧道防火涂料是專門保護隧道混凝土結構免受火災燒損而專門設計的一類專用防火涂料，它噴涂在隧道內拱頂和側壁的襯砌表面，起防火隔熱保護作用。隧道防火涂料主要由粘合劑、耐火填料、阻燃劑和助劑組成。發揮防火隔熱保護作用的前提是它與混凝土襯砌具有良好的黏結力和附著力。由于隧道防火涂料的使用環境不同于其他防火涂料，應耐潮濕，且經受住車輛通過時產生的強吸風及震動、噪聲，耐久性應滿足設計年限要求。根據交通運輸行業發展統計公報（如下圖），截至2017年，全國公路隧道16229處、1528.51萬米，增加1048處、124.54萬米，其中特長隧道902處、401.32萬米，長隧道3841處、659.93萬米。我國現已成為世界上隧道和地下工程最多，隧道結構最復雜，隧道建設發展速度最快的國家。[1]

1國內外研究現狀

國內外評價隧道防火涂料性能主要是圍繞耐火極限和粘結強度兩個方面，而研究粘結性能主要從防火涂料的組成結構、改性和工作環境切入。在涂料結構和改性上，廈門大學羅偉昂等[1]通過借助聚合物對涂層組分中的層狀礦材料進行插層處理原理，采用高分子聚合物改性硅酸鹽、磷酸鹽無機粘結劑，再配合硅酸鋁纖維的增強作用制備出高性能隧道防火涂料。擁有抗張、抗彎曲性能；柔性聚合物的存在提高了隧道防火涂料對自然環境高低溫變化的耐受性；提高水化粘結作用。涂層厚度為22mm時，耐火時間達198min，粘結強度為03MPa。湖南大學周波等人[2]研究了各組分對單組份膨脹型隧道防火涂料耐火極限和粘結強度的影響，得出對涂料粘結性影響最大的是粘結劑，其次是填料，主次順序為：粘結劑>填料>發泡材料>阻燃劑。填料、發泡材料、阻燃劑含量與粘結強度呈現負相關現象。借助正交實驗結果并改良防火涂料配合比后粘結強度均超過0.5MPa，滿足GB283752012規范要求的015MPa以上強度（如右表）。[3]福州大學周駿宇，季韜等人[4]通過摻入PVA、聚丙烯纖維和硅烷基粉末改性物質對比了膨脹型型隧道防火涂料宏觀和微觀性能的變化。實驗結果表明摻入的改性物質能提高涂料的粘結強度，但是提升并不明顯。湖南大學向青松等人[5]結合膨脹型和非膨脹型隧道防火涂料特征，加入硅酸鋁纖維陶瓷材料，經多次優化試驗配比，結果顯示普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥、可再分散乳膠粉分別占涂料總量的27%、6%、2%時粘結抗拉強度可達到0.69MPa，凍融循環試驗后涂層無脫落。顏龍，徐志勝[6]開發研究耐烴類火災NPD型膨脹隧道防火涂料的耐火和粘結性能，以硅丙乳液作為粘結劑，通過先確定最優硅丙乳液用量，再摻加納米TiO2，能不同程度的提高防火涂料的耐水性和粘結性，其中納米TiO2的摻加質量占比為0.9%時，防火涂料的耐水極限和粘結強度達到24天和0.35MPa。

從工作環境上，荷蘭的F.W.J.vandeLinde，B.J.vanderWoerd，L.Mulder[7]研究了在鉆孔隧道中防火石膏涂料的實驗和測試評估，在theGroeneHartTunnelandtheWesterscheldeTunnel對不同齡期的石膏防火層粘拉測試，結果表明隨著水化程度的加劇石膏防火層與混凝土襯砌之間的粘結拉伸強度也在及時增長，并且在theGroeneHartTunnel，粘結拉伸強度顯著高于由高速列車通過引起的2KPa的吸附荷載。浙江工業大學嚴熙等人[8]分析了環境因素（濕度、溫度）和界面劑對非膨脹型隧道防火涂料宏觀抗拉性能及微觀結構特征的影響。環境溫度在一定范圍內能提高粘結抗拉強度，超過15℃之后溫度使隧道防火涂料中的水分蒸發消失致使生成的水化硅酸鈣等凝膠含量降低，粘結強度下降；而環境濕度、摻入的三種界面劑（乳膠粉、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液）均能顯著提高涂料粘結性能。蒲韡，翁文龍等人[9]研究了襯砌干濕程度對非膨脹型隧道防火涂料粘結性能的影響。通過張拉實驗顯示襯砌濕潤程度與粘結強度負相關，認為基層表面潮濕或處于飽和狀態時，易形成表面水膜經水化反應后首先在水膜中生成鈣礬石和氫氧化鈣晶體，阻止了水化硅酸鈣（CSH）凝膠的形成及其與基層表面的接觸，使得粘結應力降低。

2研究的不足

隧道防火涂料按作用機理分為有機膨脹型和無機非膨脹型涂料兩類。目前有機膨脹涂料的碳質泡沫層耐久性問題突出，降低了防火隔熱性能；無機物構成的噴涂料，主粘結劑為無機硅酸鹽，極易吸水使涂層受潮；汽車排放的酸性尾氣長期腐蝕防火涂層外表面。涂層較厚且自重較大，要使密度達到≤05g/cm3的國家標準，往往要犧牲涂層的抗壓強度，耐水性能一般；通過改性隧道防火涂料的研究實用成果較少；阻燃消煙防火涂料的研制開發不多；防火涂層的老化、失效、綠色環保，也是值得深入研究的課題。[1]

3結論

在隧道防火涂料粘結性能的研究中，從組成結構和工作環境兩個方面提升粘結強度，通過摻加改性物質增強涂料粘結應力是科學的。綜合膨脹型和非膨脹型隧道防火涂料的特征，采用非膨脹型的、無污染的、耐久性好的水性有機——無機復合涂料的研究技術路線是未來研究的重要方向。隨著相關的隧道防火涂料規范與混凝土防火標準的修訂和完善，新材料和新工藝的運用，隧道防火涂料的研究前景將變得更寬闊。

參考文獻：

[1]羅偉昂，謝聰，許一婷，等.防火涂層材料研究及產業化中的關鍵技術開發的研究進展[J].廈門大學學報（自然科學版），2011，50（2）：365377.

[2]周波.單組份環保型了隧道防火涂料[D].湖南大學，2012.

[3]中國國家標準化管理委員會.GB283752012混凝土結構防火涂料[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4]周駿宇，季韜，鄭登登，等.PVA、聚丙烯纖維和硅烷基粉末對隧道防火涂料性能的影響[J].福州大學學報：自然科學版，2017，45（4）：535541.

[5]向青松.復合型隧道防火涂料及性能研究[D].湖南大學，2013.

[6]顏龍，徐志勝.戶外耐烴類火災膨脹型隧道防火涂料的制備及性能研究[J].中國安全生產科學技術，2014（10）：118123.

[7]F.W.J.vandeLinde，B.J.vanderWoerd，L.Mulder.Experienceandtestsofthefireresistantplastercoatinginboredtunnels.Taylor&FrancisGroup，London，ISBN9780415475358.

[8]嚴熙.環境因素及界面劑對非膨脹型隧道防火涂料粘結強度影響研究[D].浙江工業大學，2016.

[9]蒲韡，翁文龍，趙琦敏，等.襯砌干燥程度對隧道防火涂料粘結性能的影響研究[J].江西科學，2017，35（2）：301304.