隧道无机防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及无机涂料，特别是一种用于用于公路隧道、铁路隧道的无机防火涂料及其制备方法。

背景技术

隧道在交通基础建设占有重要地位。隧道结构一般是由石块和钢筋混凝土垒砌而成，温度升至600℃时，混凝土强度损失达50％以上，钢材的屈服应力降到常温下屈服力1/3以下。而隧道内发生火灾时，由于散热慢，温度一般达到1000℃以上，隧道砌体难以承受如此高温，受高温严重的部分容易烧塌，再加上隧道环境相对密闭，人流密度大，一旦发生火灾，疏散和扑救相当困难，容易造成重大人员伤亡和财产损失，因此对隧道进行防火处理显得十分重要。

我国对隧道结构进行防火保护工作始于20世纪80年代中期，但限于当时的技术、经济状况，除了上海延安东路越江隧道等有限的几个隧道喷涂了防火涂料外，其它隧道的结构都没有采取喷涂防火涂料的措施。根据有关隧道设计规范设计、建造隧道，还是近几年的事，而隧道防火涂料的应用，则是从2001年前后开始的，当时一些企业将厚型钢结构防火涂料、混凝土楼板防火涂料甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料进行使用。因此关于隧道防火涂料的研究基础较薄弱，产品参差不齐，给隧道防火涂料施工和性能检测带来很大困难。现今国内隧道防火的主要缺陷有以下几点：

(1)涂层太厚：如按ISO 834曲线升温，耐火性能达到3h，一般涂料涂层厚度约需20-30mm；由于涂层较厚，需要多次涂刷，施工困难，由于厚度和密度较大，剥落后次生伤害较大。如按碳氢曲线升温，隧道防火涂料不能承受快速升温的热冲击，可能在几分钟内就发生爆裂和崩解，不能满足隧道的特殊防火要求。

(2)粘结强度低：隧道防火涂料的粘结强度一般为0.1MPa，车辆在隧道通行时，会产生强风和震动，易导致涂料空鼓脱皮，不能满足隧道的实际需要。

(3)其他缺陷：未注重涂层毒性研究，一旦发生火灾，涂层受高温施放毒性气体/粉尘，将影响火灾的扑救和隧道的修复。

(4)耐水性较差：涂层长期处于隧道的潮湿环境中，会吸湿臌胀、甚至脱落。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种隧道无机防火涂料及其制备方法，该涂料具有涂层厚度和密度小的特点、可减少次生伤害；其粘接强度高不易开裂空鼓和脱落；高温灼烧后不产生有毒气体/粉尘，环保性好，不影响施救；涂层吸湿性小耐用寿命长，传热系数低可延长建筑物的耐火时间，同时该涂料施工方便、直接加水搅拌成稠浆状，急配急用，易于仓储和运输。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种隧道无机防火涂料，为粉料，且每100重量份粉料含有如下组分：32-36重量份的硅酸盐水泥、5.5-7.5重量份的高铝水泥、6.5-8.8重量份的水溶性硅酸钾、12-25重量份的膨胀珍珠岩、7.4-17.4重量份的高岭土、3.7-6.2重量份的硅酸铝纤维、2.5-3.7重量份的云母粉、5-15重量份的粉煤灰空心漂珠、5-8重量份的硅灰石粉、10-15重量份的膨胀蛭石。

本发明方案的设计原理在于：采用水泥普通硅酸盐水泥和高铝水泥两种水泥按照一定比例复配，并将各种无机轻质填充剂胶结在一起得到防火涂料，绿色环保。其中，普通硅酸盐水泥提供较好的粘接强度，高铝水泥提供较高的耐火极限，加入的高模数硅酸钾还可显著增强涂料与附着面之间的粘接强度，同时赋予涂层良好的耐酸性能和机械性能，其固有的碱性，还抑制了霉菌，藻类等微生物生长。

在本发明的防火涂料中，各组分的特点和其作用如下述：

硅酸盐水泥和高铝水泥复配作为高粘接强度和高耐火的胶结剂，可在粘接强度基本无损失的情况下，提高耐火性能。水溶性硅酸钾作为一种硅酸盐渗透结晶材料，能渗入混凝土表面一定深度范围内、与混凝土反应结晶固结生成C-S-H凝胶(CaO

高岭土是一种含铝的硅酸盐矿物，主要呈白色软泥状，颗粒细腻，状似面粉，具有良好的可塑性和粘结性，电绝缘性能强；良好的抗酸溶性，较强的离子吸附性和离子交换性，以及良好的烧结性和较高的耐火度等性能，其作为填料，提高涂料化学稳定性。

硅酸铝纤维为一种新型轻质耐火材料，该材料具有容重轻、耐高温、热稳定性好，热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点，其作为填料，主要用于增强涂料自身的耐火性能，提高耐火时间、降低热传导率，延长混凝土的耐火时间。尤其是遇到突然快速升温的情况，可避免混凝土建筑物短时间达到600℃以上，导致涂层炸裂、钢材及混凝土强度快速损失等现象。

云母粉、粉煤灰空心漂珠在本发明的涂料中，作为轻质耐高温无机填料，具有不燃性和优良隔热性能，提高了涂料的耐火性能，降低传热系数、延长混凝土的耐火时间。粉煤灰空心漂珠具有重量轻体积大(真密度在0.15-0.70g/cm

硅灰石粉在本发明的涂料作为补强填料，既可以提高涂料的韧性和耐用性，又可以保持涂料表面平整与及良好的光泽度，提高了抗洗刷性能、抗风化性能和抗老化性能。硅灰石粉具有润滑性、抗黏、助流作用、具有柔软、吸附力强等优良的物理化学特性，使稠浆状涂料具有良好的均涂性和很强的增强粘附力(附着力)，减少裂纹。硅灰石粉还具有耐火性、抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼等特点，有效改善涂料的机械强度、增加持久性耐候性和覆盖力，减少吸油量，增强抗腐能力，涂料显碱性可用作混凝土中钢材的防腐涂层。

膨胀蛭石是一种含铁、镁的铝硅酸盐类矿物质，具有层状结构，层间有结晶水。蛭石在850～1000℃下煅烧，颗粒会膨胀20倍以上得到膨胀蛭石。其密度非常小质轻，约80-200kg/m

优选地，所述硅酸盐水泥的规格为42.5R。高铝水泥为C50水泥。优选地，粉煤灰空心漂珠的粒径为200-325目。优选地，膨胀蛭石规格为180目-300目。优选地，硅酸铝纤维购自山东鲁阳节能材料股份有限公司。云母粉、高岭土购自北京蓝宁。优选地，硅灰石粉，购自盖德化工，规格为200目、325目或400目。

优选地，硅酸盐水泥与高铝水泥的质量比为6:1。

优选地，隧道无机防火涂料中，每100重量份粉料含有如下组分：36重量份的硅酸盐水泥、6重量份的高铝水泥、6.5重量份的水溶性硅酸钾、15重量份的膨胀珍珠岩、8.5重量份的高岭土、5重量份的硅酸铝纤维、3重量份的云母粉、5重量份的粉煤灰空心漂珠、5重量份的硅灰石粉、10重量份的膨胀蛭石。

第二方面，本发明提供一种隧道无机防火涂料的使用方法，其是将硅酸盐水泥、高铝水泥、水溶性硅酸钾、膨胀珍珠岩、高岭土、硅酸铝纤维、云母粉、粉煤灰空心漂珠、硅灰石粉和膨胀蛭石按比例混合，加水搅拌均匀，得到稠浆状涂料，现配现用。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的隧道无机涂料具有如下优点：

(1)具有良好的均涂性，易于施工，涂层厚度小，干密度小、质量轻，无需多次涂刷和施工，防止剥落后次生伤害较大。

(2)粘接强度高，长时间使用不易受强风和震动而导致涂层开裂空鼓、剥离等问题，与隧道混凝土表面的粘结强度达到0.25-035MPa，完全满足隧道的实际需要。

(3)耐水性好，本发明的涂料干结后，吸湿率极小，即使长期处于隧道的潮湿环境中也不会吸湿而臌胀，也不会产生霉菌。

(4)耐火，环保，无毒无害，受高温不产生任何有毒气体或粉尘，不影响火灾情况下的及时扑救行动；涂层传热系数低，能够有效延长混凝土的耐火时间，尤其是遇到突然快速升温的情况，可避免混凝土建筑物短时间强度快速损失等现象。

(5)其他优点：涂层美观、若碱性防止混凝土中的钢筋腐蚀，涂料自润滑性好，易于涂刮、施工方便、施工造价与成本低。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的隧道无机防火涂料，其每100重量份含有如下组分：32重量份的硅酸盐水泥、5.5重量份的高铝水泥、6.5重量份的水溶性硅酸钾、15重量份的膨胀珍珠岩、10重量份的高岭土、5重量份的硅酸铝纤维、3重量份的云母粉、8重量份的粉煤灰空心漂珠、5重量份的硅灰石粉、10重量份的膨胀蛭石。其中，硅酸盐水泥的规格为42.5R，高铝水泥为C50水泥。硅酸盐水泥与高铝水泥的质量比为5.8:1。粉煤灰空心漂珠为325，膨胀蛭石规格为180-200目，购自河北灵寿县；硅酸铝纤维购自山东鲁阳节能材料股份有限公司。云母粉、高岭土购自北京蓝宁。硅灰石粉，购自盖德化工，规格为325目。

实施例2-9

下述实施例2-9各组分规格和采购来源参照实施例1，配比如下表1。

为了说明上述各组分在本发明涂料配方中的作用，调整部分组分用量或替换部分组分，得到如表2所示对比例1-5的配比。

表2：

按照GB 28375-2012《混凝土结构防火涂料》测试实施例1-9及对比例1-5复配的隧道无机防火涂料的主要性能参见下4。表3为GB28375-2012规定的混凝土结构防火涂料的主要性能指标要求。

表3

表4

下表所测耐火性能为实测涂层厚度为16mm，耐火性能试验时间2.00h时混凝土板底面上最高温度，混凝土板内25mm保护层钢筋网底面上最高单点温度值。

由上表测试性能可知：

当对比例1中仅为普通硅酸盐水泥，而无高铝水泥复配时，涂料的耐热耐火性能显著下降。当对比例2中作为涂料粘接性能的补强剂和抗碱防霉作用的高模数水溶性硅酸钾的比例降为0时，使整个涂料配方体系粘接强度明显下降，与混凝土板表面的粘接性能降低，且防霉菌效果也显著降低。对比例3是在实施例4基础上，将高岭土替换为等量的膨润土，其涂料在混凝土板表面的粘接强度下降，干燥时间(表干h)变长，耐火性能与实施例4相比也有一定程度的下降。

对比例4在实施例4基础上，将硅酸铝纤维的配比降为0，在此配方体系中，失去了硅酸铝纤维后，涂料自身的耐火性能有所降低，尤为明显的是面对快速升温的hc曲线时，出现了裂纹和大面积脱落的情况，且耐火时间也降低下来。对比例5是在实施例4基础上，将云母粉替换为等量的轻质碳酸钙，其结果为涂料在混凝土板表面的粘接强度下降，干燥时间(表干h)变长，耐火性能与实施例4相比也有一定程度的下降。

从耐火性方面来说，实施例6-9的耐火性最优，尤其是实施例8，从粘接强度来看，实施例9的涂料其粘接强度大，粘接最牢固。

本发明的隧道无机耐火材料，具有涂层厚度小、涂层质量轻、干密度低，省料，热传导低，可大幅提高钢结构的耐火时间、涂层美观、不空鼓、不开裂、耐酸性、吸湿性小，防霉性、遇火环保无毒性、施工方便、施工造价与成本低等优点，是一种非常适合用于隧道特殊环境的混凝土墙面防火防腐涂料，以解决隧道相比密闭的环境下因着火引起混凝土垒砌结构的强度快速损失和烧塌等问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。