基于纳米二氧化气凝胶的防火隔热胶粘基料对桥梁缆索抗火防护性影响的研究分析

 基于纳米二氧化气凝胶的防火隔热胶粘基料对桥梁缆索抗火防护性影响的研究分析

殳魏

浙江省桐乡市交通建设投资集团有限公司 桐乡 314500

摘要：本文针对油罐车等危化品运输车辆通行桥梁时发生事故、引发燃烧火灾，在高温场热力作用下，因主缆、吊索等部位弹性模量和强度急剧下降，而带来的重大安全问题，通过引入新型高效无机防火隔热材料纳米二氧化硅气凝胶作为基料，制备得到桥梁缆索耐高温防火防护胶粘带，辅以底漆、外护层等结构单元，得到基于二氧化硅气凝胶的桥栏缆索防火结构技术体系，能够显著提高缆索受火灾燃烧时高温热力作用下的抗火防护性能，可有效避免缆索因火灾破坏受损而产生的安全事故。

关键词：缆索、气凝胶、防护、抗火、耐高温

近年来，我国桥梁建设快速发展，桥梁运输上油罐车等危化品车辆也不断增多，桥梁通行中车辆燃烧引发的交通事故频发。桥梁火灾中剧烈燃烧产生的高温场，会通过对流和辐射作用使桥梁主缆、缆、吊索、桥面铺装及加劲梁的温度迅速升高，弹性模量和强度受到影响则大幅下降。同时，高温下结构的应力会发生重分布，产生巨大的变形挠度，当火灾温度持续升高，桥梁结构将会发生局部或者整体的破坏，严重威胁人们的生命和财产安全，损失不可估量。

目前，我们对桥梁火灾的研究远不如对其它偶然荷载（洪水、地震、风等）研究的多，桥梁火灾的研究处于起步阶段，大多以中小型简支或连续梁为研究对象，而对斜拉桥等大跨径缆索体系桥梁的研究还没有广泛和深入开展，也没有在此基础上进行斜拉索抗（耐）火设计。

本文针对缆索体系桥梁中缆索索体主缆和索具等关键部位在桥梁发生火灾时易受损害，导致桥梁整体位移严重，对人身和财产安全造成严重威胁的安全问题，通过以无机防火耐高温气凝胶材料为基料制备防火隔热胶粘层，构建主缆防火防护结构体系，使桥梁主缆达到优异的高温防护抗火性，便于桥梁工程防火设计和施工工艺的研究进一步开展[1,2]。

1 二氧化硅气凝胶性能及防火机理分析

二氧化硅纳米气凝胶是由纳米级范畴的微粒子组成的固体材料，气凝胶中大量细小气孔的尺寸为纳米级，并具有极高的孔隙率和比表面积，气凝胶表观及微观结构如图1、图2所示。这些结构特点有效降低了热量传播的效率，使固态热传导率仅为均质材料热导率的0.2%左右，限制了空气分子在材料内部的对流，从而抑制了对流传热，并对热辐射形成阻碍效应，显示出了对热辐射的高遮挡效率。同时，二氧化硅气凝胶中空气至少占95%以上，因为空气为热的不良导体，导热系数约为0.01W/(m·K)，是最好的热传导隔热材料，在0℃~100℃之间，导热系数只有0.01W/(m·K)~0.02W/(m-K)。此外，二氧化硅气凝胶纳米级的孔隙，通常尺寸低于100μm，水蒸气可以透出,但水却无法渗入,从而获得了极好的防水性能。

图1 气凝胶直观图                      图2气凝胶微观图

二氧化硅气凝胶作为迄今为止最好的防火保温材料，在600℃以下几乎不发生收缩现象，具有突出的防火性能（温度达到1200℃时才会溶化），其主要性能指标如表1所示。因其综合性能优异，可以广泛应用于航天、军事、冶金、医疗等对保温隔热有特殊需求的领域中。

表1 二氧化硅气凝胶性能

同时，在与空气中的二氧化碳、水分相互反应时，其表面形成的保护层带来较高的抗压强度，而且材料中的羟基可与墙体形成高渗透统一体，因此干态粘结力与湿态粘结保值率都极高，且自身具有1%~3%的微膨胀性，其自身或加入到其他胶凝材料中（如水泥、石膏）不会因收缩造成裂纹。因此,各类建筑的外墙、屋面、分户隔墙、楼梯间、吊顶等部位的保温隔热，二氧化硅气凝胶都是理想材料。此外，近年来，为了应对建筑节能的需要开展了纳米气凝胶节能窗、纳米气凝胶新型板材、纳米气凝胶毡材和屋面太阳能集热器、墙体加芯保温层、纳米气凝胶颗粒保温砂浆等方面的研究和推广应用[3-5]。

2 耐高温防火气凝胶粘接胶带的制备及性能

耐高温防火气凝胶粘接胶带是将低密度气凝胶耐火隔热材料作为基料，并复合耐高温硅酮密封胶和铝箔纸制备而成。如图3所示，制备得到的耐高温防火气凝胶粘接胶带具有一定的柔韧性，方便合卷及铺贴。耐高温防火气凝胶粘接胶带高温不导电，可室温粘接操作并保持高温下稳定的粘接性能，导热系数低，容重依据用途灵活调整、弹性好、机械加工性强，大火烧后仍保持完整的形状和尺寸，其主要性能指标见表2。

图3 耐高温防火气凝胶粘接胶带基料示意图

表2 耐高温防火气凝胶缠包带基本性能参数性能参数

3 基于耐高温防火气凝胶粘接胶带的桥梁缆索防火隔热结构体系技术设计及试验研究

3.1 气凝胶粘接胶带缠包缆索防火构造设计

基于耐高温防火气凝胶粘接胶带的防火隔热技术体系是通过在主缆钢丝束内增设由耐高温防火材料制成的保护层，并由S型钢丝缠丝、内护层、耐高温防火层和外护层，共同形成了复合防护层和耐高温防火层，技术结构体系如图4所示。得到气凝胶粘接胶带构建防火隔热技术体系具有高耐高温性和防火性，弥补了聚乙烯材料阻燃差的缺陷，使索体内的钢丝受到更完好的保护，提高拉索的使用安全。本技术结构简单，制造方便，密封性好，耐高温性强，防火性强，防腐性强，使用寿命长。

图4 主缆防火体系示意图

1—预应力钢丝束；2—S型钢丝缠丝；3—磷化底漆等内护层；4—气凝胶粘接胶带耐高温防火层；5—聚氨酯面漆等外护层

此外，索夹防火设计基本与主缆一致，具体细节采取索夹和主缆间的环缝用耐高温硅系密封胶+模具制备的气凝胶耐火衬砖的密封方式，在外侧安装环缝包覆带，最后进行环氧底漆和面漆的涂装。同时，上下两半索夹之间采用耐高温溴化丁基橡胶垫挤压密封，并沿着两半索夹直缝外侧用聚硫密封胶填平。索夹的防火设计如图5所示。

图5 索夹防火结构示意图

3.2 气凝胶粘接胶带缠包缆索防火技术构造耐火试验分析及结果讨论

首先，对气凝胶燃烧材料耐燃烧性能进行试验，所用材料及设备主要包括铁架台、酒精喷灯、95%乙醇（温度可达1000℃）、干燥毛巾、灭火器以及测温仪（可测到1150度）和灭火沙桶。通过对钢板面涂刷磷化底漆，并用硅酮密封胶粘结气凝胶在钢板表面，然后用酒精喷灯对缠包带试验钢板持续加热30min，以模拟桥梁缆索火灾燃烧受热情况。

图6 初步试验过程

如图6所示，通过气凝胶成功隔热，第一组钢材表面温度最高72℃，第二组钢材表面最高温度70℃，可见气凝胶材料具有很高的耐高温性能，且燃烧试验后，表面并未出现明显破坏，抗燃烧防火性能优异。

进一步，在上海同济大学土木工程防灾国家重点实验室分支机构—结构抗火试验室，进行桥梁主缆抗火性能试验。选用2根直径8cm、长度1.3m的45#钢棒为索体钢丝基材，第一层涂刷环氧底漆，第二层涂覆聚硫密封胶（注意：热电偶在这个时候安置在聚硫密封胶下面），第三层涂覆硅酮密封胶密封，第四层缠包耐高温防火气凝胶毡，外侧继续包覆铝箔胶带保护层，在最外层进行环氧面漆罩面。制备得到的索体构件在1100℃高温环境中持续30min，索体表面钢丝温度应当不超过300℃，试验过程工况如图7所示。

图7 抗火试验过程

在耐火试验中记录防护层膜厚和质量随时间的变化，其中第一根为普通铝箔胶带，第二根为工业胶带，膜厚和质量变化结果见表3。

表3 试验构件基本参数

从表3数据可以发现，在索体构件构造层都一致的条件下，当防护层采用铝箔胶带比采用工业胶带具有更低的膜厚及质量损失，铝箔胶带的质量损失为0.269，为工业胶带0.522的50%；在膜厚损失上，铝箔胶带只有0.35，而工业胶带达到0.85，后者是前者2倍以上，可见采用铝箔胶带的气凝胶缠包索体防护构造具备更高的防火性能。在1100℃燃烧环境下受火30min，缠包工业胶带外防护内置气凝胶毡胶粘带的构件内部钢棒表面温度只有289℃，由此可见，采用铝箔胶带，质量损失和膜厚损失远低于工业胶带外防护的内置气凝胶毡胶粘带构件内部钢棒将低于289℃，远小于300℃的评测温度，将具有更优异的耐火防护性能。

4 结论

本文选用新型无机气凝胶防火隔热材料作为基料，通过增强复合工艺制备气凝胶防火隔热粘胶带，以内护层/气凝胶胶粘带防火层/外互层，多层复合构造技术构建桥梁缆索主缆抗火耐高温防护体系，在1100℃燃烧环境下的耐火试验中，主缆构件内置钢棒表面温度远低于300℃，燃烧表层破坏质量损失及膜厚损失极低。因此，在桥梁工程中采用基于纳米二氧化气凝胶的防火隔热胶粘基料对桥梁缆索抗火防护性能具有极大的提升作用，可使桥梁主体防火耐高温效果显著，工

程应用便利。

参考文献

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