磷镁体系隧道防火涂料的研究综述

刘东海

摘要： 近年来，随着交通运输业的发展和隧道建设数量的增加，隧道火灾频繁发生，隧道防火已经成为重要研究方向。在隧道内衬喷涂隧道防火涂料成为一种重要的、经济的和可行的隧道防火措施。磷镁体系因其早强快硬的特点，故将其与纳米海泡石结合在一起配制出新型隧道防火涂料。本文结合磷镁体系介绍了隧道防火涂料的发展历史、防火原理和提出其性能测试方法，并简述其发展趋势。

关键词：隧道防火涂料；粘结性能；耐火极限；磷镁体系；研究综述；海泡石

0引 言

近几十年来，我国交通基建大力发展，桥梁、道路、隧道等数量急剧增加。随之发生的事故也越来越多，特别是隧道火灾的发生。隧道火灾一旦发生，由于其发生地点的随机性；火灾原因的多样性；疏散人群的困难性和抢救的不及时性，便会造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。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火涂料，但是由于涂料种类不同，防火对象不一样，防火性能有较大的差别，无法承受隧道火灾。厚型钢结构防火涂料和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的认识等问题^[1]。因此上述涂料都不能代替隧道防火涂料，研发专门针对隧道火灾的防火涂料是非常有价值的。

1隧道防火涂料的发展历程

1837年，Louis Pacmboenf 首次研制出出专门针对隧道防火保护的涂料。1936年，研究人员又一次创造性地将锑化合物与卤素碳氢化合物共同搭配使用，研制出更好的防火涂料。1965年，美国Monsanto公司将聚磷酸铵加入防火涂料中，标志着防火涂料的研制进入到全面发展时期^[2]。国外的主要生产商是CAFCO国际性的公司和CERAMCIOAT公司，还有很多英国公司，他们在隧道防火涂料的研究领域，有着很强的实力。

我国从20世纪50年代开始出现了无机涂料。20世纪70年代出现了过氯乙烯膨胀型防火漆，但效果并不理想。到了20世纪80年代，我国开始机型丙烯酸乳液有机膨胀型防火涂料的研究，此后，我国的有机膨胀型防火涂料迅速发展，技术不断成熟。近十几年来随着我国经济的快速发展，市场对防火涂料的需求不断增加，防火涂料的产品种类也日益增多。随着研究工作的进行，其耐水性能、耐火极限、粘结强度、耐酸碱性能、施工适用性等都有了很大改善。目前公安部四川消防科研所制备的隧道防火涂料已应用于大部分国内隧道等工程，其产品的良好性能受到业主的青睐。

2隧道防火涂料的防火原理

2.1隧道防火涂料的组成

隧道防火涂料主要由粘结剂、无机隔热填料、发泡剂、阻燃剂和其他助剂组成^[1]。磷镁体系隧道防火涂料是将粘结强度高的磷镁体系引入隧道防火涂料中作为粘结剂，细化后的纳米海泡石作为无机隔热填料，再加入引气剂和减水剂调控其性能。

①粘结剂：主要连接混凝土和涂料，是涂料的重要组成部分，约占涂料的35%-45%。选择粘结剂时，要考虑材料的价格和火灾烟雾的情况。

②无机隔热填料：主要作用是高温隔热和降低热传导率，是涂料的骨架之一，约占涂料的35%-40%。对耐火性能的贡献很大。比如膨胀珍珠岩，膨胀蛭石，海泡石等。

③发泡剂：受热时膨胀，填满涂料中的间隔空间，降低热传递，约占8%。如膨胀石墨、三聚氰胺和聚磷酸铵等。

④阻燃剂：主要是氢氧化镁和氢氧化铝，约占涂料总量的10%。它们再高温受热时分解，可降低隧道温度，产生的水蒸气还具有稀释作用。

⑤其他助剂：不超过涂料的5%。主要改善涂料的工作性。常用的有减水剂、引气剂和防水剂等。

2.2防火过程原理

隧道防火涂料的防火隔热是一个复杂的过程，是各组分互相协同作用的结果。首先，涂料受热会膨胀分解，蒸发吸热降低基材的温度。其次，无机填料由于其低导热率和本身的不可燃性，起到了很好的高温隔热作用，降低其热量向基材传递，延缓了温度的升高。最后，阻燃剂释放出水蒸气或者其他惰性气体，分离氧气和可燃物，从而达到一个抑制和终止燃烧的作用。

图1隧道防火涂料的防火原理

3隧道防火涂料性能测试方法

3.1粘结性能测试

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的砂浆块上铺设型框，将涂料填满40mm×40mm型框，用刮刀平整表面，除去型框。在标准环境中养护14d。在拉力试验机上沿试件表面垂直方向以5mm/min的拉伸速度测定最大抗拉强度，即为粘结强度。以5个实验值的平均值作为结果，试件的粘结强度公式：

式中： －粘结强度，MPa；

F－最大拉伸荷载，N；

A－粘结面积，mm²

3.2耐火极限测试

将隧道防火涂料均匀涂抹于200mm×140mm×10mm的水泥石棉板上，涂层厚度为10mm。常温养护28d后，将制备好的试件置于实验炉上，使其底面一面受火。当出现（1）混凝土地面任一点的温度大于380℃；（2）混凝土板内钢筋上任一测点的温度大于250℃的时候，则表明达到耐火极限。标准升温函数：

式中：T－t时刻的炉内火焰温度，℃；

－实验开始时的环境温度，℃；

t－实验所需时间，min

3.3XRD分析

将混凝土板燃烧前后水化样品研细制样。利用XRD（X射线衍射分析仪）定性分析隧道防火涂料在水化、烧蚀过程后物相成分转化。经过C射线衍射得到衍射图谱，分析图谱的峰值可获得待测物质的元素构成，进而确定化合物的构成。

3.4显微分析

使用Leica DM6M型材料显微镜可以清晰地观察材料内部微观组织结构，如材料缺陷、孔径大小和分布等，从而表征其微观特征。

3.5耐水性能测试

试件尺寸为150mm×70mm×3mm石棉水泥板。用石蜡封边，浇筑到试样周围.实验完成后，从水槽中取出，用滤纸吸干表面的水，观察试件表面是否有鼓起、剥落、开裂等情况，允许有轻微变色。

4结语

我国隧道防火涂料技术已经基本成熟，公安部四川消防研究所研发的的涂料进入已到市场当中，但是由于隧道环境复杂，火灾的情况更是复杂，所以隧道防火涂料的应用依然存在困难，其性能和使用寿命存在缺陷。要想做出关键性的突破，还需要研究人员的大力研发，以发挥隧道防火涂料的经济效益和社会运输效益。

参 考 文 献

1. 孙厚超，刘晶，杨建明.隧道防火涂料研究综述[J].安徽建筑，2019，10（02）：196-197

2. 王如意.环保型隧道防火涂料的制备及性能研究[D].河北工业大学，2015

3. 沈玉令.厚型隧道防火涂料环境适应性及防火性能[D].重庆交通大学，2019

4. 沈玉令，隧道防火涂料粘结性能的研究进展[J].科技风，2018，21（013）：16-17

5. 孙浩，王良伟，杨昌梅等.环氧防火涂料对钢壳混凝土结构隧道的防火研究[J].交通科技，2021，06(20)：97-100