環(huán)氧防火涂料對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的防火研究

孫 浩 王良偉 楊昌海 袁亞利

(應(yīng)急管理部四川消防研究所 成都 610036)

鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土隧道相比，具有以下優(yōu)勢：強(qiáng)度高，可抵抗更大載荷，實(shí)現(xiàn)更大的斷面；延性好，耐久性更強(qiáng)；施工快捷簡單，可節(jié)省支模等工序[1]。近年來，鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道在我國得到了飛速發(fā)展，并且正朝著大跨度方向發(fā)展。在建的舉世矚目的珠江口百年門戶工程深中通道，其海底隧道采用的就是鋼殼混凝土沉管隧道，這是世界上首次大規(guī)模采用、國內(nèi)首次提出采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)用于修筑海底隧道。

隨著鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的快速發(fā)展，隧道火災(zāi)危險(xiǎn)隨之增加。隧道因?yàn)榭臻g相對封閉，導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)溫度在短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到1 000 ℃以上[2]。高溫下鋼材的力學(xué)性能急劇變化，當(dāng)超過300 ℃時(shí)，鋼材的力學(xué)性能開始下降；當(dāng)溫度達(dá)到430～540 ℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度會顯著下降；當(dāng)溫度達(dá)到450～650 ℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度下降到幾乎失去承載能力[3]。因此，必須對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道進(jìn)行防火保護(hù)。

國內(nèi)外針對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土隧道結(jié)構(gòu)的隧道防火保護(hù)進(jìn)行了大量研究，但針對鋼殼混凝土隧道結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施和評價(jià)研究成果較少。傳統(tǒng)的隧道防火保護(hù)措施主要適用于鋼殼混凝土隧道結(jié)構(gòu)的被動防火保護(hù)，其技術(shù)成熟、施工方便的方法有噴涂防火涂料和加裝防火板[4]。李平利等[5]提出了隧道防火涂料存在黏性和耐候性差，以及受火易脫落等問題，防火板存在吸濕率高及受火易開裂等問題，不能對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道進(jìn)行很好的防火保護(hù)。經(jīng)過調(diào)研，環(huán)氧防火涂料與其他類型防火涂料相比，具有附著力好、黏結(jié)力強(qiáng)，膨脹層致密結(jié)實(shí)，耐候性良好等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣的石化等行業(yè)[6]。

本文針對鋼殼混凝土隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用環(huán)氧型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)，并通過局部1∶1結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 耐火試驗(yàn)

調(diào)研國內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)防火保護(hù)相關(guān)的規(guī)范及隧道防火保護(hù)材料耐火性能測試相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，發(fā)現(xiàn)目前還沒有一個(gè)具體可操作的試驗(yàn)方法來對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的耐火性能進(jìn)行測試。鑒于此，本文提出一種鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道耐火試驗(yàn)方案，并通過3組局部1∶1結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行耐火試驗(yàn)，驗(yàn)證本方案的可行性。

1.1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

GB 50016-2014 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對隧道進(jìn)行了分類，并規(guī)定隧道承重結(jié)構(gòu)體的耐火極限，隧道分類、升溫曲線，以及耐火極限見表1[7]。為驗(yàn)證環(huán)氧型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在極端火災(zāi)情況下對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的防火保護(hù)效果，以及環(huán)氧型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的普遍適用性，采用條件比較苛刻的RABT升溫曲線和HC升溫曲線對試件進(jìn)行耐火試驗(yàn)，耐火時(shí)間均設(shè)定為規(guī)范要求的最高時(shí)間等級2 h。

表1 GB 50016《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中隧道分類、升溫曲線及耐火極限表

1.2 試驗(yàn)試件制作

為了更真實(shí)地反映隧道在服役時(shí)遭受火災(zāi)的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，在充分的文獻(xiàn)和現(xiàn)場調(diào)研下，根據(jù)試驗(yàn)爐的尺寸和承重條件制作了以下試件。

試件的基材為長1 450 mm、寬1 450 mm的鋼板(材質(zhì)為Q235B)，鋼板上表面邊長1/2處焊接角鋼，鋼板上表面澆筑混凝土。混凝土為熱惰性材料，溫度在內(nèi)部影響范圍有限，結(jié)構(gòu)受火面的溫度越高，其內(nèi)部溫度梯度就越大。但受火表面溫度對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的影響深度有限。在不考慮混凝土爆裂的前提下，火災(zāi)對結(jié)構(gòu)的影響深度約為30 cm左右[8-10]，因此本試驗(yàn)設(shè)定混凝土的厚度為30 cm。

實(shí)際工程中隧道鋼板的厚度是根據(jù)隧道的承載情況和服役條件決定的，不同隧道的鋼板厚度不一樣，同一隧道不同位置的鋼板厚度也不一樣，本次試驗(yàn)意在研究防火材料保護(hù)下的隧道結(jié)構(gòu)耐火性能，僅選擇代表性的鋼板厚度進(jìn)行試驗(yàn)。對于鋼板和混凝土整體作為隧道承力結(jié)構(gòu)的隧道，如深中隧道管節(jié)內(nèi)側(cè)鋼板厚度為10～30 mm，本次試驗(yàn)參照深中隧道鋼板厚度選擇中間尺寸鋼板厚度為20 mm，標(biāo)記為試件1；對于鋼板只作隧道支模作用不作為隧道承力結(jié)構(gòu)的隧道，鋼板的厚度沒有具體的規(guī)定，但考慮隧道工程施工等因素，本次試驗(yàn)鋼板厚度選擇為10 mm，標(biāo)記為試件2；為模擬隧道頂部呈弧形的隧道結(jié)構(gòu)，在試件1的基礎(chǔ)上將鋼板沿一邊彎曲一定弧度，彎曲弧度半徑ρ=5.2 m，標(biāo)記為試件3。

1.3 熱電偶布置

熱電偶布置位置示意圖見圖1，Tc1～Tc4表示熱電偶，分布在鋼板與混凝土接觸表面，監(jiān)測鋼板上的溫度值及溫度變化，Tc5～Tc8為混凝土板內(nèi)距鋼板上表面25 mm的4支熱電偶，Tc9～Tc12為混凝土板內(nèi)角鋼上表面的4支熱電偶，監(jiān)測混凝土內(nèi)的溫度值及溫度變化。每一個(gè)溫度測點(diǎn)布置2個(gè)熱電偶，一個(gè)用于測溫、一個(gè)留作備用。Tc1～Tc4熱電偶用金屬條壓實(shí)焊牢在鋼板背面，Tc9～Tc12熱電偶用金屬條壓實(shí)焊牢在角鋼上表面；Tc5～Tc8在澆筑混凝土?xí)r插入距鋼板25 mm處。

1-50 mm×25 mm×10 mm角鋼；2-混凝土板；3-鋼板

1.4 防火涂料的施工

防火涂料的施工質(zhì)量直接關(guān)系到涂料在受火時(shí)的耐火性能，因此嚴(yán)格按照環(huán)氧型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的使用說明書進(jìn)行涂料的施工。施工時(shí)，鋼板表面除銹處理級別不得低于Sa2.5等級，為保證涂料黏結(jié)牢固，需在總涂層厚度約一半處安裝增強(qiáng)網(wǎng)。涂刷完成后在規(guī)定的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)直至涂層完全凝固。總涂層厚度的允許偏差應(yīng)為設(shè)計(jì)厚度的±5%，防火涂層不得漏涂，涂層應(yīng)閉合無脫層、空鼓、粉化松散、浮漿和明顯裂紋等外觀缺陷。此前未有相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為涂層厚度的參考，本次試驗(yàn)根據(jù)提供涂料的生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)涂層厚度。此試驗(yàn)中試件1的涂料涂層設(shè)計(jì)厚度為20 mm；試件2和3的涂料涂層設(shè)計(jì)厚度為10 mm。

1.5 耐火試驗(yàn)評價(jià)

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)還沒有頒布對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道耐火極限進(jìn)行評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。GB 50016-2014對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隧道的耐火極限判定進(jìn)行了規(guī)定，對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的耐火極限判定沒有相應(yīng)規(guī)定；NFPA 502規(guī)定了隧道鋼的極限溫度不能超過300 ℃[11]，距離混凝土底表面25 mm處鋼筋的溫度不能超過250 ℃。

因此本試驗(yàn)方法對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道耐火極限判定條件為：對鋼殼的耐火極限溫度判定標(biāo)準(zhǔn)為300 ℃，對混凝土內(nèi)耐火極限溫度判定標(biāo)準(zhǔn)均為250 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方案對3個(gè)試件進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，3個(gè)試件所對應(yīng)的試件試驗(yàn)工況對照見表2。

表2 試件試驗(yàn)工況對照表

試件1的溫度時(shí)間曲線圖見圖2。

圖2 試件1鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

由圖2可見，試件溫度隨受火時(shí)間的增加先升后降，在前120 min升溫階段中，溫度隨著時(shí)間增加而增加，在降溫階段溫度隨時(shí)間先升后降。鋼板上表面最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)188～202 min時(shí)間段，最高溫度為92 ℃；混凝土內(nèi)距鋼板上表面25 mm處最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)205～219 min時(shí)間段，最高溫度為80 ℃；混凝土內(nèi)角鋼上表面最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)218～229 min時(shí)間段，最高溫度為77 ℃。

試件2的溫度時(shí)間曲線圖見圖3。由圖3可見，試件溫度隨受火時(shí)間的增加而增加。鋼板上表面溫度最高達(dá)到141 ℃，混凝土內(nèi)距鋼板上表面25 mm處溫度最高達(dá)到103 ℃，混凝土內(nèi)角鋼上表面溫度最高達(dá)到104 ℃。

圖3 試件2鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

試件3的溫度時(shí)間曲線圖見圖4。

圖4 試件3鋼板、混凝土板以及角鋼最大溫度曲線

由圖4可見，試件溫度隨受火時(shí)間的增加先升后降，在前120 min升溫階段中，溫度隨著時(shí)間增加而增加，在降溫階段溫度隨時(shí)間先升后降。鋼板上表面最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)139～143 min時(shí)間段，最高溫度為142 ℃；混凝土內(nèi)距鋼板上表面25 mm處最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)171～182 min時(shí)間段，最高溫度為110 ℃；混凝土內(nèi)角鋼上表面最高溫度發(fā)生在試驗(yàn)183～194 min時(shí)間段，最高溫度為104 ℃。

以上3組試驗(yàn)中，鋼板上表面最高溫度，試件1為92 ℃、試件2為141 ℃、試件3為142 ℃，均未超過規(guī)定的耐火極限溫度值300 ℃；混凝土內(nèi)距鋼板上表面25 mm處以及混凝土內(nèi)角鋼上表面溫度試件1分別為80 ℃和77 ℃、試件2分別為103 ℃和104 ℃、試件3分別為110 ℃和104 ℃均未超過規(guī)定的耐火極限溫度值250 ℃。3個(gè)試件中鋼板上的溫度明顯高于混凝土板和角鋼上的溫度，可以看出沿著試件厚度方向，溫度是逐漸降低的。在試驗(yàn)的前120 min內(nèi)，試件1、2、3的各測點(diǎn)的溫度都隨著時(shí)間的增加而增加，試件2在第120 min各個(gè)測溫點(diǎn)溫度達(dá)到最高。試件1和3中，最高溫度發(fā)生在RABT溫升的降溫階段，此時(shí)爐內(nèi)的溫度不是處于最高溫度且逐漸下降，這是因?yàn)樵诮禍仉A段雖然爐內(nèi)溫度逐漸呈線性下降，但是依舊高于試件內(nèi)溫度，試件中的混凝土從爐內(nèi)吸收熱量大于散發(fā)的熱量導(dǎo)致，因此在RABT溫升火災(zāi)中，火在熄滅的過程中對隧道結(jié)構(gòu)的危害尤為值得關(guān)注。

試件受火后涂層程黑褐色，涂層發(fā)泡均勻且密實(shí)，發(fā)泡涂層無脫層、脫落、掉渣等現(xiàn)象，僅試件2涂層有少許裂紋。

3 結(jié)論

鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道在面臨火災(zāi)的危害時(shí)，必須采取相應(yīng)的防火保護(hù)措施，以保證隧道結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的耐火性能要求，本文設(shè)計(jì)的鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道防火保護(hù)材料耐火試驗(yàn)方案能在HC和RABT火災(zāi)升溫曲線工況下，對多種結(jié)構(gòu)類型的鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道的防火保護(hù)措施進(jìn)行耐火性能驗(yàn)證。通過3組局部1∶1結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)表明，環(huán)氧型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料能對鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道起到很好的防火保護(hù)作用，且在RABT和CH升溫曲線下，能保證鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)隧道達(dá)到不小于2 h的耐火性能。