耐沾污性建筑外墻涂料的研究

　　從微觀上看，涂膜表面凹凸不平，存在孔隙，細小的塵埃溶解或分散在雨水中形成膠體，通過涂膜的吸水性，進入涂膜毛細孔，水分蒸發后塵埃留在毛細孔內，沉積在涂膜表面，從而對涂膜造成永久性的污染。總之，涂膜的污染可以分為附著性污染和吸入性污染2種。前者指的是灰塵等污染物附著在涂膜的表面，而后者是指污染物在附著的基礎上進入到涂膜的內部，相對于附著性污染，吸入性污染更難去除，涂膜的沾污通常是2種情況都包括。因此，提高涂膜的耐沾污性主要是通過改善涂膜的表面性能使污染物難以吸附并容易除去，以及提高涂膜的致密性使污染物不易滲入2個途徑。

　　2.提高涂膜耐沾污性的措施

　　涂膜性能由涂料的組成和結構決定，并受外界條件的影響。因此，提高涂料耐沾污性需根據涂膜被沾污的機理，從涂料的組成和結構兩方面進行探討。

　　2.1提高玻璃化轉變溫度(Tg)

　　涂料中的成膜基料一般為熱塑性聚合物，涂膜表面粘度和硬度取決于聚合物的Tg，故涂料中聚合物Tg的高低是影響涂膜耐沾污性的最重要因素。

　　目前我國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之一。隧道不僅是交通運輸的通道，而且還是光纖電纜、電力電纜、輸油管、輸水管的通道，因此，在各種車輛事故中，隧道火災事故經濟損失最大，搶救最難，中斷行車時間最長，并極有可能產生不良的社會、政治影響。對于沉管隧道，火災還可能導致隧道接縫和密封結構的破壞，從而造成隧道漏水甚至完全癱瘓。這是因為在隧道內強大的熱流作用下，隧道混凝土襯砌極易爆裂[1]。這不僅損害隧道襯砌結構，而且阻礙隧道內救援車輛通行，威脅救援人員的安全。為解決隧道防火問題，世界各國都進行了多方面的研究和探索。20世紀80年代以來，國外對隧道車輛的燃燒特性、隧道襯砌在火災中的表現、煙氣中有害成分生成量分析、消防救援方法與策略，特別是駕駛人員在隧道內的心理與行為、隧道火災數值模擬技術[2]、隧道通風及煙氣控制技術[3-4]等方面做了系統的研究。我國也在隧道煙氣數值模擬[5]、通風仿真[6]、襯砌承載能力可靠性評估[7]、隧道內溫度場分布、CO濃度設計限值、水消防技術在隧道中的應用及隧道火災事故發生的成因及預防[8-9]等方面做了大量工作。相對于公路隧道而言，我國在鐵路隧道消防技術研究方面的工作開展得更具系統性。研究成果在鐵路隧道設計、建造和運營中發揮了重要的作用[10]。基于這些研究成果，國內外在隧道防火設計方面頒布了一些技術要求或標準(見表1和表2)。

　　表1國外有關隧道設計技術規范及標準

　　表2國內有關隧道設計技術規范及標準

　　構建隧道的鋼筋、混凝土雖是不燃體，但其耐火性差。美國國家標準和測試協會(NIST)指出，高強混凝土(HSC)在溫度達到380℃時，強度開始下降;在450℃時，抗壓強度損失達到40%;當溫度達到600℃時，抗壓強度損失約為75%。隧道結構防火保護的目的就是采取一定措施使隧道的鋼筋混凝土結構在火災發生時保持完整性與穩定性，從而大大減少維修費用，縮短工程修復時間。目前，隧道結構的防火保護方法主要是在隧道襯砌上噴涂非膨脹型防火涂料，因為從性價比方面和施工的方便性方面考慮，隧道防火涂料是隧道防火保護的最佳選擇[12]。但是，非膨脹型防火涂料難以克服以下問題：首先，非膨脹型防火涂料涂層一般要達15mm以上，涂層自重較大，若在施工時混凝土基層污染沒有被徹底清除干凈，或者防火涂層與隧道襯砌面接觸不足，或者由于車輛運行的強風或震動，都易造成防火涂層脫落;其次，脫落的防火涂層碎塊易對隧道內高速運行的車輛和隧道內的人員構成威脅;第三，非膨脹型防火涂料施工速度慢，一般需要噴涂3遍以上才能施工完畢;第四，非膨脹型防火涂料養護期長，因為非膨脹型防火涂料有水泥類粘結劑，至少需要28天以上的養護周期;第五，非膨脹型防火涂料中有顆粒狀防火填充料，噴涂時回彈性大，施工時產生較大的損耗。因此，研究出一種涂層薄、施工速度快、施工損耗性小、養護周期短、耐水好、環境友好的膨脹型隧道防火涂料，必將產生極大的經濟和社會效益。

　　1試驗

　　1.1試驗材料

　　1.1.1粘結劑

　　隧道內空間狹小，結構密閉，不能使用有機溶劑稀釋的樹脂。易于漿化的樹脂是最佳選擇，如苯丙乳液膠粉、醋丙膠粉、EVA膠粉、糊精粉、可再分散乳膠粉、PVA膠粉等均是較好的粘結劑。本文選用上述膠粉的混合物作為粘結劑。

　　1.1.2阻燃劑

　　隧道空間有限，鹵素阻燃劑高溫分解產生的鹵化氫，有機膦類阻燃劑常溫時揮發的有機膦和高溫分解產生的有機膦毒性較大，嚴重威脅隧道內行人和救援人員的安全。本文選用在高溫下分解產生水蒸氣并吸收大量的熱量的氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑。

　　1.1.3膨脹材料

　　本文采用對水較穩定的超高相對分子質量聚磷酸銨、蛭石、珍珠巖、微膠囊水合硅酸鈉組成的復合膨脹材料。

　　1.1.4顏填料

　　高溫后，防火涂層中所有的有機材料都要受熱分解，此時，殘留下的顏填料成為防火涂層的耐火泡沫層，因此，顏填料必須達到耐高溫的要求。常用的顏填料有：海泡石、硅藻土、輕質碳酸鈣、礦渣棉、超細硅酸鋁、粉煤灰、炭黑和白炭黑。本文采用由海泡石、炭黑、白炭黑、膨脹珍珠巖細粉、輕質碳酸鈣、超細硅酸鋁混合后組成的復合顏填料。

　　1.2試驗方法

　　首先，在70～80℃溫度下，將固體粘結劑干燥24h，再置于氯化鈣干燥箱中冷卻至室溫。將干燥的粘接劑用ACM磨粉機或破碎機粉碎至120目以上。磨粉機或粉碎機的溫度不能超過200℃，以防粘結劑熱熔結塊。將粉碎后的粘結劑、阻燃劑、膨脹材料和顏填料稱量后，置于干粉混合機上充分混合，制成流動性粉末。制備300mm×300mm×15mm的混凝土板若干塊，并在所有混凝土板表面正中央預埋一支熱電偶，養護28天，以備試驗。混凝土板養護期滿后，稱取上述混合物300g，加入240g自來水后，充分攪拌成糊狀物，再將其涂覆在預埋有熱電偶一面的混凝土板上。在常溫下養護3天后，在小型耐火試驗爐上按標準碳氫曲線升溫，每1min記錄一次混凝土板表面的熱電偶溫度，記錄混凝土板背火面溫度達到380℃所需時間。同樣，稱取106-2型隧道防火涂料1300g，加入106隧道防火涂料界面劑135g、自來水1145g，充分攪拌成漿狀物，按同樣方法涂覆在預填有熱電偶的300mm×300mm×15mm的混凝土板上，制成20mm厚的防火涂層，室溫條件下養護28天后，在小型耐火試驗爐上按標準碳氫曲線升溫，每1min記錄一次混凝土板表面的熱電偶溫度，記錄混凝土板背火面溫度達到380℃所需時間。

　　2結果與分析

　　隧道防火涂料最重要的指標是涂料的耐火極限、粘結強度。表3是本文研究的膨脹型隧道防火涂料與非膨脹型隧道防火涂料的耐火性能和粘結性能的試驗結果。

　　表3隧道防火涂料試驗結果

　　由表3試驗結果可看出，膨脹型隧道粘結強度和耐火極限均比非膨脹型防火涂料高得多。非膨脹型隧道防火涂料是一種主要由無機材料組成的防火涂料，涂料自身密度大，脆性大，在強風和震動的環境中涂層極易脫落。曾出現隧道防火涂層從隧道內襯脫落的問題。從國內隧道防火涂料的施工實例來看，涂層超過20mm的施工案例很少。即使有涂層達到或超過20mm的工程，都需要加鋼絲網加以保護，以保證涂層不脫落。這是因為20mm非膨脹型隧道防火涂料涂層每平方米自重將達13～15kg，防火涂層有豐富的孔隙，易于吸收隧道內的濕汽，吸濕或吸潮的涂層非常重。這么重的脫落涂層一旦脫落，砸到隧道內高速運行的車輛，將會產生嚴重后果。而且，隧道潮濕或滲水是一個世界難題，鋼絲在濕氣作用下易銹蝕，銹蝕鋼絲網的抗拉強度和張力就會降低，一旦鋼絲網因銹蝕失去牽扯作用時，涂層也可能脫落，此時極可能產生災難性的后果。3.0mm厚的膨脹型隧道防火涂層每平方米自重僅300g左右。而且該涂層韌性大，與隧道內襯表面粘接牢靠，在強風或震動環境中也不會脫落。這么薄的涂層即使脫落，也不會對行人和車輛構成大的威脅。其次，非膨脹型隧道防火涂料由于加有水泥類粘結劑，養護期至少要達28天才能使用，而膨脹型隧道防火涂料加入了乳膠類膠粉，1天左右就可完全固化，養護期僅為3天，養護期滿后即可投入使用。這大大縮短了工程工期，加快了工程進度。第三，膨脹型隧道防火涂料，由于涂層薄，施工量少，僅需要一遍就可施工完畢，既減少了施工量，又節約了施工費用。第四，非膨脹型隧道防火涂料由于含有大量的顆粒狀填充物，施工時，顆粒狀填充料回彈極其嚴重;而膨脹型隧道防火涂料是一種流動性的細粉末，加水后成為黏稠漿料，噴涂時涂料回彈很少，因此噴涂時的損耗也少。第五，在相同的施工面積和相同的耐火條件下，膨脹型隧道防火涂料用量約為非膨脹型隧道防火涂料用量的四分之一，這大大節約了防火涂料的生產運輸成本、包裝費用和施工費用。

　　3結語

　　隧道防火涂料是一種具有市場前途的產品。自2001年國內研制出型號為106-2的隧道防火涂料以來，至今已有近7年的時間。膨脹型隧道防火涂料是非膨脹型隧道防火涂料必要的、有益的補充。因為膨脹型隧道防火涂料與非膨脹型隧道防火涂料相比，用量少、涂層薄、耐火極限高、粘結強度高、施工效率高、養護期短、生產費用、運輸費用和施工費用低，更重要的是克服了長期以來非膨脹型隧道防火涂料易開裂、脫落的危險。

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