微胶囊自防火隧道混凝土衬砌.pdf

本发明提供一种基于微胶囊技术的自防火隧道混凝土衬砌结构，包括普通层和自防火层，所述普通层为常规混凝土层，所述自防火层由掺有增强纤维、抗爆裂纤维和热熔微胶囊的混凝土构成，所述热熔微胶囊包括胶囊外壳和内部填充的防火介质。与普通钢筋混凝土衬砌结构相比，在不改变结构尺寸、不降低结构强度和刚度的条件下，本发明充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力，实现防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的自动防火，耐久性好，长期经济效益高，适合隧道混凝土衬砌的全寿命周期防火设计。

1.  一种微胶囊自防火隧道混凝土衬砌结构，其特征在于，包括普通层(1)和自防火层(2)，所述普通层(1)为常规混凝土或钢筋混凝土层，所述自防火层(2)由掺有热熔微胶囊(21)、增强纤维(22)和抗爆裂纤维(23)的常规混凝土构成，所述热熔微胶囊(21)包括单层或多层胶囊外壳(211)和内部填充的防火介质(212)。

2.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述普通层(1)和自防火层(2)一体浇筑而成。

3.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述胶囊外壳(211)由动物明胶、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸树脂、聚氨酯橡胶、聚脲、聚脲甲醛、合成蜡、乙酸丁酸纤维素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛树脂类和双环戊二烯中的一种或多种混合制成。

4.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述防火介质(212)包括高温发泡阻燃体系和膨胀石墨。

5.  根据权利要求4所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述高温发泡阻燃体系包括脱水成炭催化剂、发泡剂、成炭剂。

6.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述增强纤维(22)为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。

7.  根据权利要求1或6所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述增强纤维(22)在自防火层(2)中的体积掺量小于2％。

8.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述抗爆裂纤维(23)为不同尺寸的聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维。

9.  根据权利要求1或8所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述抗爆裂纤维(23)在自防火层(2)中的体积掺量小于2％。

10.  根据权利要求1所述的隧道混凝土衬砌结构，其特征在于：所述热熔微胶囊(21)、增强纤维(22)和抗爆裂纤维(23)搅拌均匀，高度分散在自防火层(2)的混凝土中。

微胶囊自防火隧道混凝土衬砌
技术领域
本发明涉及一种隧道混凝土衬砌结构，特别是涉及一种微胶囊自防火隧道混凝土衬砌结构。
背景技术
火灾是威胁隧道安全运营的主要灾害之一。国内外发生的100多起重大隧道火灾事故中(如1994年丹麦大贝尔特隧道施工现场火灾；1996年英法海峡隧道火灾；2014年山西晋济高速岩后隧道火灾等)，由于火灾温度高(可达1000℃以上)、升温速度快(具有热冲击的特点)、持续时间长，大火不仅造成了惨重的人员伤亡和设施损毁，而且对衬砌结构产生了严重的损伤和破坏(图1)，如混凝土高温爆裂、保护层剥落、钢筋出露失效、混凝土耐久性降低以及衬砌结构力学性能劣化等，严重降低了隧道衬砌结构的安全性，甚至会因地层水土荷载增大(高温导致)的叠加作用而造成隧道垮塌。
火灾对隧道衬砌损伤的本质(“因”)是火灾产生的大量热量通过热辐射及热对流的方式传入到了隧道衬砌结构中，形成了变化迅速、温差极大的非稳态、不均匀温度场，进而导致衬砌混凝土的连续爆裂剥落(而其又显著改变温度场的分布特征)、力学性能的不断劣化、不均匀热应力及变形的逐渐发展累积，最终，导致衬砌结构承载力和可靠性的显著劣化(火灾损伤的“果”)。因此，如何有效隔热及防爆裂是隧道衬砌结构防火的关键。
目前，国内外针对隧道衬砌结构防火问题，开展的主要工作及形成的方法有：
(1)衬砌表面建立防火隔热屏障：通过施作防火板、防火喷涂料或类似材料构建隔热屏障削弱施加到衬砌表面的热荷载是目前普遍应用的方法，可有效降低混凝土表面温度、避免高温爆裂。
(2)衬砌混凝土中掺加纤维：混凝土高温爆裂的概率及严重程度与升温速率、混凝土的渗透性及含水量，钢筋配置以及荷载状态密切相关。通过在衬砌混凝土通体或内侧一定厚度内掺加单种纤维(如聚丙烯纤维)或混杂纤维(钢纤维+聚丙烯纤维等)可减弱或消除混凝土高温爆裂、改善其性能劣化。
(3)改善混凝土材料特性及掺加添加料：选用热稳定性好、热膨胀率小、表面粗糙等的骨料以及在水泥拌合料中添加矿渣、硅灰、相变储能材料等可以改善衬砌混凝土的抗爆裂性，提高耐火性能。
此外，还有采用增大截面尺寸(包括增加钢筋保护层厚度、施作二衬等)和衬砌受火侧增加额外钢筋或钢筋网等方法来提高衬砌耐火能力、减轻衬砌爆裂损伤；以及安装后喷射水喷淋通过降低衬砌表面温度防止混凝土爆裂。
由于隧道环境的特殊性，目前研究存在的问题和不足主要体现在：
1.主要依靠“外部力量”被动防火，未充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力。施作防火板、防火喷涂料、水喷淋等方法均需借助衬砌结构自身以外的力量来被动防火，且前两者会遮挡衬砌表面，阻碍运营期对衬砌结构病害(表面渗漏、开裂等)的及时监测和健康服役状态的评估；此外，在车辆废气、潮湿渗水、活塞风压或车辆振动荷载作用下，容易脱落或失效；由于技术水平的限制，现有的防火板和防火喷涂料难以满足工程全寿命的要求，如100年，一般需要在工程的全寿命期中更新2-3次，增加了维护成本。
2.未能有效实现防爆裂与隔热的同步。前述一些防爆裂的方法可以有效控制混凝土的高温爆裂，但无法有效削弱热量向隧道衬砌的传递。
3.未能有效实现防火与承载的协同作用。掺加相变储能材料的混凝土强度低，承载能力弱；而防火板等隔热屏障无法作为衬砌结构的有效承载部分。
4.未能有效实现火灾热触发下的自动防火。
5.为了安装防火板和防火喷涂料，需要扩大隧道开挖断面，增加了工程造价和工程量。据估算，安装防火板、防火涂料会使得隧道直径增加8-10cm，相应增加开挖工作量1.5％-2％；此外，使用防火板和防火喷涂料时会影响隧道内风机、信号设施、交通灯、监控设备等的安装。
6.防火板和防火喷涂料安装(喷涂)增加了工程施工时间。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种微胶囊自防火隧道混凝土衬砌结构，使得在不改变结构尺寸、不降低结构强度和刚度的条件下，充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力，实现防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的自动防火。
为实现上述目的，本发明提供一种微胶囊自防火隧道混凝土衬砌结构，包括普通层和自防火层，所述普通层为常规混凝土或钢筋混凝土层，所述自防火层由掺有热熔微胶囊、增强纤维和抗爆裂纤维的常规混凝土构成，所述热熔微胶囊包括单层或多层胶囊外壳和内部填充的防火介质。
优选地，所述普通层和自防火层一体浇筑而成。
优选地，所述胶囊外壳由动物明胶、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸树脂、聚氨酯橡胶、聚脲、聚脲甲醛、合成蜡、乙酸丁酸纤维素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛树脂类和双环戊二烯中的一种或多种混合制成。
优选地，所述防火介质包括高温发泡阻燃体系和膨胀石墨。
优选地，所述高温发泡阻燃体系包括脱水成炭催化剂、发泡剂、成炭剂。
优选地，所述增强纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。
优选地，所述增强纤维在自防火层的体积掺量小于2％。
优选地，所述抗爆裂纤维为不同尺寸的聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维。
优选地，其特征在于：所述抗爆裂纤维在自防火层中的体积掺量小于2％。
优选地，所述热熔微胶囊、增强纤维和抗爆裂纤维搅拌均匀，高度分散在自防火层的混凝土中。
如上所述，本发明涉及的具有自防火性能的隧道混凝土衬砌结构，实现了防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的自动防火，具体而言，具有以下有益效果：
1.充分发挥了隧道衬砌结构自身的防火能力。与借助施作防火板、防火喷涂料、水喷淋等外部方法相比，本本发明仅依靠结构自身实现防火。
2.实现防爆裂与隔热的同步。本发明不仅可以抑制爆裂的发生，而且自防火层及由防火介质构成的两道耐火隔热层可实现良好的隔热。
3.实现防火与承载的协同作用。与安装防火板和防火喷涂料相比，本发明的隧道混凝土衬砌结构的自防火层除了作为耐火层外，同时与普通层一起承担外荷载，因此无需增厚衬砌，进而无需增加隧道开挖断面。
4.有效实现火灾热触发下的结构自动防火。正常运营情况下，本发明自防火层与普通层一道承担外部荷载作用；当发生火灾时，在高温的触发下，自防火层自动触发防火机制，实现自动防火。
5.与安装防火板和防火喷涂料相比，本发明的隧道混凝土衬砌结构可以满足工程全寿命的要求，无需中途更新，提供了施工到运营全程的防火抗爆裂能力。
6.与安装防火板和防火喷涂料方法相比，本发明不会遮挡衬砌表面，不影响运营期对衬砌结构病害表面渗漏、开裂等.的及时监测和健康服役状态的评估；此外，在车辆废气、潮湿渗水、活塞风压或车辆振动荷载作用下，也不会脱落或失效。
7.火灾后隧道结构的修复和重新组织交通需要花费大量的人力和物力，特别是对于高水压条件下的受损衬砌(如管片、沉管隧道接头等)，更换、修复非常困难，某些情况下甚至无法修复。本发明将火灾损伤区域限制在自防火层范围，实现结构火灾受损的可控。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中A处的放大图。
图3是图2中B处的放大图。
图4是本发明在火灾高温下的自防火机理示意图。
图5是图4中C处的放大图
图6是本发明应用于隧道结构时的第一种实施例示意图。
图7是本发明应用于隧道结构时的第二种实施例示意图。
图8是本发明应用于梁结构时的示意图。
图9是本发明应用于柱结构时的示意图。
元件标号说明
1普通层
2自防火层
21热熔微胶囊
211胶囊外壳
212防火介质
22增强纤维
23抗爆裂纤维
24常规混凝土
3防火介质
4混凝土自身复合隔热层
41热致裂缝
42网状通道
5火灾高温
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图3所示，本发明提供一种微胶囊自防火隧道混凝土衬砌结构，包括普通层1和自防火层2，所述普通层1为常规混凝土或钢筋混凝土层，所述自防火层2由掺有热熔微胶囊21、增强纤维22和抗爆裂纤维23的常规混凝土构成，所述热熔微胶囊21包括高温下可熔融破裂的单层或多层胶囊外壳211和内部填充的高温下可发泡膨胀隔热阻燃的防火介质212。优选地，所述普通层1和自防火层2一体浇筑而成，自防火层2是结构的有效承载部分，与普通层1一起共同承受外部荷载的作用。优选地，所述热熔微胶囊外壳211由动物明胶、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸树脂、聚氨酯橡胶、聚脲、聚脲甲醛、合成蜡、乙酸丁酸纤维素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛树脂类、双环戊二烯等制成，在高温作用下会熔化破裂，释放出内部填充的防火介质212。优选地，所述热熔微胶囊内部填充的防火介质212由高温发泡阻燃体系、膨胀石墨等制成，所述高温发泡阻燃体系一般包括脱水成炭催化剂、发泡剂、成炭剂，所述防火介质212在高温下会发生物理化学反应并膨胀发泡，在自防火层内部及结构迎火面形成隔热防火层，阻止高温向普通层的蔓延，由于微胶囊壳体的保护，使得防火介质处于稳定的环境，避免了混凝土中水分、化学组分等环境因素对防火介质的影响，确保防火介质的长期有效性，同时，也避免了防火介质对混凝土物理力学性能的影响。优选地，所述增强纤维22为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等，在自防火层2中的体积掺量小于2％，用于弥补由于微胶囊21掺入而引起的混凝土强度、刚度等力学性能下降。优选地，所述抗爆裂纤维23由不同尺寸的聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维等，在自防火层2中的体积掺量小于2％，在高温作用下会熔融消散，用于避免混凝土的高温爆裂和剥落，同时，在自防火层2混凝土中形成不同尺度的网状通道，防火介质212提供蔓延通道。优选地，所述热熔微胶囊21、增强纤维22和抗爆裂纤维23搅拌均匀，高度分散在自防 火层2的混凝土中。
如图4和图5所示，本发明的自防火机理在于：
1.火灾时，增强纤维及抗爆裂纤维避免了自防火层2中混凝土的高温爆裂和剥落；同时，融熔后的抗爆裂纤维22(例如，聚丙烯纤维在160℃时热熔)在自防火层2的常规混凝土24中形成了不同尺度的网状通道42；
2.由于火灾高温5的热触发，热熔微胶囊21的外壳211在高温下熔融破裂，其内部封装的防火介质212在高温下发生物理化学反应，膨胀发泡吸热耗能，物理化学反应后的防火在介质3在发泡气体的驱动下填充混凝土热致裂缝41及前述网状通道42，并沿这些通道溢出，在衬砌自防火层2表面构成了第一道具有封闭结构的由反应后的防火介质3构成的隔热层。
3.未爆裂剥落的衬砌自防火层受损混凝土连同填充其间的物理化学反应后的防火介质3构成了第二道具有隔热和一定承载能力混凝土自身隔热层4。
防火介质3隔热层及混凝土自身隔热层4两者形成的复合隔热屏障，共同抑制普通层1混凝土的温度升高及高温损伤，实现了热触发条件下衬砌结构的自防火，以及防爆裂与隔热的同步。
4.常温下，借助增强纤维及抗爆裂纤维的增强作用，弥补了由于热熔微胶囊21掺入而引起的混凝土性能下降，自防火层2与普通层1可共同承担水土压力荷载，实现了衬砌结构防火与承载的协同作用。
与普通钢筋混凝土衬砌结构相比，在不改变结构尺寸、不降低结构强度和刚度的条件下，本发明充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力，实现防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的自动防火，耐久性好，长期经济效益高，适合隧道混凝土衬砌的全寿命周期防火设计。
此外，本发明除了用于隧道衬砌结构(如图6和图7所示)，也可用于梁、柱等建筑结构(如图8和图9所示)实现结构的自防火。此时，自防火层根据结构受火情况，可为单面、双面、三面或多面等布置形态。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。