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浅析隧道防火涂料的的应用研究
发布者:百事化工 发布时间:2013/2/27 17:15:50 阅读:446

摘要:
介绍了公路隧道火灾特点、火灾破坏特性、隧道内火灾温度分布规律以及公路隧道防火涂料的分类与一般要求,给出了隧道防火设计中确定的防火涂料技术指标,可供类似工程参考。
关键词:隧道 防火设计 防火涂料
前言
不断增长的交通量和运输物品的复杂性,增加了公路隧道的火灾风险。目前较为经济、可行的防火方法就是在隧道混凝土表面涂喷隧道专用防火涂料。隧道防火涂料是专门针对隧道墙壁和拱顶在火灾中免受烧损而专门设计的一种专用涂料,既能满足隧道防火要求,又能起到隧道内部装饰作用。本文根据隧道火灾的具体特点以及隧道防火涂料的类型特点,针对具体隧道的环境特点,提出防火涂料的设计指标,用于隧道防火涂料的施工。
1 公路隧道火灾特性
1.1 公路隧道火灾的特点
隧道结构自身特点和公路交通流特性,导致公路隧道火灾具有其自身的特点:
①烟雾大,温度高。隧道内一旦发生火灾,由于隧道空间小,近似处于密闭状态,因此烟雾比较大,燃烧产生的热量不易散发。此外,火灾可能首先破坏隧道照明系统,使隧道内能见度大大降低,给火灾扑救和被困人员疏散带来困难。
②疏散困难。由于隧道横断面小、空间狭窄,火灾发生时除了人员疏散困难外,物资的疏散也极其困难,这就使火灾在车辆之间的蔓延速度也比较快,而且汽车自备燃油的燃烧将加剧火势发展。
③扑救困难。隧道发生火灾时,火灾产生的高温烟气迅速沿隧道向两端洞口蔓延,消防人员很难靠近火源扑救。若隧道较长,又缺乏照明,扑救则更加困难。④成灾时间短。失火爆发成灾的时间一般为5~10 min,较大火灾的持续时间与隧道内的环境有关,一般在30 min 和几个小时之间。
⑤火灾发生的时间和地点随机性大。
⑥火灾发生的规模和形态等不恒定。
1.2 隧道火灾对结构的破坏
由于位置特殊和空间局限,公路隧道火灾特征与地上火灾明显不同。公路隧道火灾的排烟与散热条件差,温度高而且上升快,烟雾浓度大、能见度低,消防、救火难度大。因而对隧道建筑的损坏相当严重。
隧道内结构因火导致的破坏主要表现为以下几种情况:
①洞内装修被烧毁;②衬砌被烧坏,导致结构承载力降低或完全丧失;③防排水体系破坏,造成不同程度的渗漏水,影响隧道修复后的正常运营及功能发挥。
1.3 隧道火灾的温度分布规律
根据火灾烟流最高温度和燃烧生成物变化的特征,隧道火灾过程可分为三个阶段:火灾初期,火势不断增大,烟流最高温度不断升高的过程,称为火灾发展阶段;火灾经发展阶段后,火势基本稳定,烟流最高温度变化很小的过程,称为火灾稳定阶段;最后火势不断减小,烟流最高温度不断下降的过程,称为火灾衰减阶段。但是,由于可燃物性质和摆放状态不同,通风条件不同,火灾发展阶段、稳定阶段和衰减阶段的持续时间变化很大。图1 给出了隧道火灾烟流最高温度随时间的定性变化过程。
2 防火涂料的分类及特点
防火涂料按厚度可分为薄涂型和厚涂型;按防火机理可分为阻燃隔热型和膨胀隔热型;按用途可分为混凝土防火涂料、饰面型防火涂料、电缆防火涂料、透明防火涂料等。
防火涂料(也称阻燃涂料)按溶剂类型可分为溶剂型和水溶型两类,涂料选用的防火组分基本相同,因此很难说它们的防火性能有多大区别,只是在涂料的理化性能以及耐候性能方面有所不同。溶剂型防火涂料这两方面的性能优于水溶型防火涂料,但考虑到节约能源、劳动卫生、环境保护与安全等因素,在实际应用中,更多地发展水溶型防火涂料,水溶性防火涂料是现在发展的趋势。
防火涂料按防火形式及组成可分为非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料两大类。非膨胀型防火涂料又分为两类,即难燃性防火涂料和不燃性防火涂料。难燃性防火涂料即自身难燃、自身具有灭火性的涂料,包括乳液性难燃涂料及含阻燃剂的防火涂料。不燃性防火涂料为无机质涂料配合无机颜料而成的完全不燃性防火涂料,其特点是在燃烧不完全时不产生烟及分解气体,耐热性良好,表面硬度高,耐候性优良,易着色,缺点是难以施工,对底材的附着性、柔韧性差。非膨胀防火涂料主要使用三氧化二锑、硅氧化锑、硼酸盐、改性偏硼酸钡、硅石等阻燃剂。
非膨胀型防火涂料一般受火时涂层基本上不发生体积变化,而形成釉状保护层,起隔绝氧气的作用,使氧气不能与被保护的易燃基材接触,从而避免或降低燃烧反应。这类防火涂料所生成的釉状保护层的导热率往往较大,一般比膨胀型防火涂料所需的涂层厚,因而其单位面积的耗用量较大,使用成本高,装饰效果差,并且防火隔热效果不及膨胀型防火涂料,所以其使用范围也不如膨胀型防火涂料广泛。
膨胀型防火涂料是目前国内外使用最广泛的一种防火涂料。膨胀型防火涂料可分为水性膨胀型防火涂料和溶剂性膨胀型防火涂料两类。一般而言,前者具有低毒、不污染环境、能室温自干等特点,但防潮性稍差,适用于较干燥的场所,当环境潮湿时,涂料易于受潮脱落;后者在涂层的抗潮性和附着力方面有明显优势,但施工时溶剂挥发气味较大,对环境有污染作用,贮存和运输较困难。两者的共同特点是在常温下呈现普通涂膜,在火焰或高温作用下,可产生比原涂层厚几十甚至上百倍不易燃的海绵状的碳质层,有效地阻止外部热源。同时,产生不燃性气体,如二氧化碳、氨气、氯化氢、溴化氢和水蒸气等,降低可燃气体的浓度和空气中氧气的浓度,从而起到防火、阻燃作用。
3 防火涂料的防火阻燃机理
从燃烧的条件可知,要使燃烧不能进行,必须将燃烧的三个要素中的任何一个因素隔绝。如用难燃或者不燃的涂料将可燃物表面封闭起来,避免与空气接触,使可燃物表面变成难燃或者不燃的表面。例如,防火涂料中的硼化物在高温时可以在被保护基材的表面形成玻璃状薄片,起隔绝空气、隔断火焰和隔热的作用;另一方面硼化物含结晶水,受热时分解而成水蒸气,水蒸气作为稀释剂降低了可燃气体的浓度,同时覆盖在被保护基材的表面也起到隔绝氧气、阻止燃烧的作用。使涂层有效地阻隔火焰和热量,降低热量向混凝土及其衬内钢筋的传递速度,以推迟其温升和强度变弱的时间,从而提高其耐火极限,达到防火保护的目的。从燃烧蔓延扩大的途径可知,要阻止燃烧的蔓延扩大,必须隔绝被保护物体的任何形式的热量传播,如形成膨胀隔热层,利用高导热和高反射性能的涂层排出热量,利用吸热的化学反应抵消外部热源的作用等。例如,在涂料中掺加铝的氢氧化物等无机添加剂,一旦发生火灾即能达到铝的氢氧化物的分解温度,在200 ℃~300 ℃之间会发生急剧分解,脱水过程吸收一部分燃烧热,将使体系的温度降低,而且脱出的水在燃烧温度下变成水蒸气也需吸收热量,脱水量可达其含水量的35%,大量的水蒸气也可抑制烟气的生成。另外反应产生的无机耐火材料与燃烧形成的其他碳化物一起,起到很好的防火隔热作用。
从难燃化的原理可知,要实现涂层自身的难燃性或者不燃性,可以把具有难燃化特性的元素连接到有机高聚物分子中去,实现成膜物质的难燃化。也可以将难燃剂添加到涂料中去,增加涂层的难燃性。还可以采用无机的粘合剂作为涂层的成膜物质来实现涂层的不燃性。
4 隧道防火涂料的技术要求
4.1 隧道防火涂料的一般要求
根据隧道火灾特点和隧道设计规范的要求,防火涂料应该具有以下特征:
①燃烧时应不产生有毒气体,并趋向于环保型,以便于隧道火灾的灭救及隧道的修复;
②隧道一般都很潮湿,车辆通过时,要产生强风及震动,因此,隧道防火涂料不仅要考虑涂料的耐火性能,还必须兼顾涂料的附着性;
③隧道工程工期紧,施工量大,因此,应充分考虑施工的方便性和效率,涂料应既可以人工抹涂,又可以机械喷涂;
④工程成本较低,以便推广使用。
4.2 隧道防火涂料指标设计
根据上述隧道火灾的特点和隧道结构破坏机理,在隧道防火设计中,确定防火涂料的技术指标如下:
①受火2 h 后,距混凝土表面25 mm 处的钢筋温度不大于250 ℃,混凝土表面不大于380 ℃。保证隧道二次衬砌内钢筋在短时间内处于有效工作状态,给救援争取宝贵时间。
②采用厚层涂料,涂抹厚度一般不小于12 mm,以便在施工后达到修饰隧道内壁的效果。
③应为无机涂料,以充分保证在常温及高温下不释放有害气体,涂料毒性试验指标达到AQ1(安全一级)标准。
④与混凝土的粘附强度大于0.4 MPa,并要求在长期潮湿条件下不脱落、不干裂、不起层。
5 结语
应用隧道防火涂料可以很好地保护隧道砌体在高温时的烧损作用 , 大大缩短隧道修复时间 , 加速隧道恢复通行 , 避免由此带来更大的损失。本课题研制的隧道防火涂料与传统防火涂料相比 , 在性价比、施工性和性能稳定性等方面都向前跨了一大步 , 推广前景良好。
 
 
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