大跨径悬索桥主缆抗火体系的设计与性能研究

来源：市场资讯

（来源：买化塑）

周克忠，王帅

（镇江蓝舶科技股份有限公司，江苏镇江 212000）

摘要

通过桥梁主缆燃烧模拟实验,对防火涂料及气凝胶抗火体系进行对比燃烧测试,并分析了防火涂料及气凝胶类抗火体系对主缆防火的作用,结果表明,防火涂料在外焰温度≥1 100℃的情况下,56 min时背火温度达到300℃;不同结构的气凝胶材料在抗火方面均符合外焰温度≥1 100℃时背火点温度在90 min后不超过300℃的要求。

关键词

气凝胶 ；防火涂料 ；缆索体系 ；抗火体系设计

0

引言

公路桥梁的飞速建设极大地促进了汽车交通运输行业的发展，尤其是运输易燃易爆品的车辆日益增加，导致了车辆燃烧事故不断发生，这些给桥梁的安全运营带来很大的威胁，同时也会造成难以估量的经济损失和人员伤亡。2014年8月，西铜高速公路高架桥上因装有燃油的车辆发生故障导致燃油泄漏，引起油罐车火灾，事故车辆装有22t的汽油，燃烧引发大火和大量的浓烟，火灾持续近2h方被扑灭。

一旦桥面发生火灾，由于烟囱效应，升起的火焰将直接往桥面两侧蔓延，威胁跨中主缆的安全，进而影响全桥的构安全，故缆索的防火处理需要特殊考虑。我国悬索桥存量巨大，截止目前，世界上已建成的主跨跨径最大的前10座悬索桥中，我国占有6座，大跨度缆索体系桥梁是国家交通网的关键组成部分，其健康安全运营对社会影响巨大。相比于桥梁其他受力构件，承重缆索暴露在大气环境中，极易受到外界环境影响，产生缆索局部锈蚀损坏、性能退化、安全防护功能降低等问题。火灾是桥梁运营过程中常见的突发事故。近年来，随着运输易燃易爆物品车辆的增多及交通事故的频发，由此导致的桥梁火灾事故也越来越多。承重缆索相比于桥梁其他组成构件，缆索的截面纤细，在火灾发生后容易受到很大的安全风险，并且由缆索在整个结构体系中往往起到了关键传力、承重作用。

01

试验部分

1.1试验设计

本研究设计了3种抗火体系进行对比实验。(1)体系1为在主缆缠丝外缠绕CSM缠包带52%重叠搭接，最后在表面涂装0.6mm氟碳面漆，燃烧试验的环境温度为17~22°C，主缆缠丝内部缠丝的初始温度为25°C，如图1所示。

图1 体系1防火涂料试样制备流程

Fig.1 Preparation of fireproof coating I sample

(2)体系2为在主缆缠丝外均匀裹覆设计厚度为10mm的气凝胶毡(搭接处20mm)，然后在气凝胶外表面包覆铝箔纸及1.8mm玻纤增强材料缠包带，固化后表面涂装0.6mm氟碳面漆，燃烧试验的环境温度为0~2°C，主缆缠丝内部缠丝的初始温度为2°C，如图2所示。

图2 体系2试样制备流程

Fig.2 Preparation of fireproof coating Il sample

(3)体系3为设计厚度为7mm的气凝胶防火涂料，同样在气凝胶外表面包覆铝箔纸及1.8mm光固化玻纤增强材料缠包带，固化后表面涂装0.6mm氟碳面漆，燃烧试验的环境温度为39~41°C，主缆缠丝内部缠丝的初始温度为53°C，如图3所示。缆索设防温度主要是通过缆索钢丝在持续高温环境中的力学性能表现，来确定钢丝性能变化的外部温度临界值。美国后张法研究所测试和安装建议规定，斜拉索的防火保护设计应保证在火灾温度达到1000°C以上、持续时间≥30min情况下，索体内部钢丝的温度不超过300°C。主要是考虑高强钢丝在400°C以上会塑性变形和拉索表面的HDPE防腐层自燃温度为350°C左右来确定的。国内《桥梁承重缆索抗火密封的防护技术规程》(T/CCTAS61一2023)要求火灾时防护结构应不燃烧，钢丝表面温度≤300°C的规定，考虑到消防救援准备时间，本次实验方案:要求在火焰温度≥1100°C的条件下，涂覆3种防火材料的主缆钢丝直接接触火焰处温度，即火焰直射处背火温度在90min后不超过

300°C.

图3 体系3试样制备流程

Fig.3 Preparation of fireproof coating Ill sample

1.2主要实验原料及仪器设备

试验材料为模拟主缆钢丝及缠丝的钢制圆筒，圆筒材质为Q215，钢材壁厚与缠丝直径相同为3mm，圆筒直径约为730mm，长度为1500mm;彻底清除表面油渍及锈蚀物后，在圆筒内部布设12个K型温度传感器进行测温(见图4)，传感器布设位置见图5。燃烧设备为喷火枪，燃烧材料为液化丙烷。

图4 模拟主缆的圆筒和数据采集设备

Fig.4 Simulated main cable and data collector

图5 内部热电偶布置示意

Fig.5 Sketch map of inner thermocouple layout

1.3 防火涂料

防火涂料可以起到有效抑制火势蔓延速度、降低火灾发生的严重性、争取人员逃生和救援时间等作用，尤其是膨胀型防火涂料，由成膜物质、阻燃物质、颜料、填料和溶助剂组成，具有隔热效率高、质量轻、涂层薄、抗震性好且装饰性强等优点，在桥梁防火体系中得到广泛开发与应用。膨胀型防火涂料在高温下会脱水成碳形成致密的隔热保护泡沫层，起到隔绝高温、阻止火势蔓延的功效。

1.4气凝胶毡

气凝胶由于其高孔隙率及低导热系数，属于天然的超级绝热材料，在桥梁抗火体系中得到广泛应用。瓯江北口大桥采用由耐高温气凝胶毡毯+防火隔温粘胶带组成的复合防护体系进行隔热防火和防腐。除了气凝胶毡外，玄武岩纤维毡及高硅氧纤维毡也在桥梁防火体系中占有一席之地。玄武岩纤维毡体系(简称“三胶两布”或“四胶三布”)、高硅氧纤维毡体系(简称“防火带”)、高硅氧气凝胶毡体系(简称“气凝胶”)的抗火性能如表1所示。

气凝胶由于其高孔隙率及低导热系数，属于天然的超级绝热材料，在桥梁抗火体系中得到广泛应用。瓯江北口大桥采用由耐高温气凝胶毡毯+防火隔温粘胶带组成的复合防护体系进行隔热防火和防腐。除了气凝胶毡外，玄武岩纤维毡及高硅氧纤维毡也在桥梁防火体系中占有一席之地。玄武岩纤维毡体系(简称“三胶两布”或“四胶三布”)、高硅氧纤维毡体系(简称“防火带”)、高硅氧气凝胶毡体系(简称“气凝胶”)的抗火性能如表1所示。

1.5气凝胶防火涂料

气凝胶防火涂料是涂覆在可燃基材表面，依赖气凝胶的低导热系数、高孔隙率，进而有效阻止延缓热量的传递，降低基材的可燃性以及延滞甚至阻止火灾蔓延。气凝胶防火涂料的防火机理主要在于自身的低导热系数，可以降低涂层的受火温度，气凝胶粉均匀分布在涂料的稳定体系中，能够有效地起到良好的绝热作用，很大程度上阻止热量向基材传递，从而提高基材的耐火极限时间。

02

燃烧性能测试

本试验燃烧的气体为丙烷，利用火焰喷枪连接，将其对准背火温度的传感器布设位置进行燃烧，在火焰温度达到1100°C以上的情况下，通过外接温度传感器测量背火点的温度，并时刻监测温度变化，观察试样表面情况。

图6 3种耐火体系燃烧试验

Fig.6 Combustion test of three fire resistant system

03

结果与讨论

燃烧结束后，待试样表面冷却至室温后，观察3个试样表面防火材料的燃烧情况，结合温度变化曲线对抗火体系的性能进行分析。体系1的温度变化曲线如图7所示;燃烧试验后的表面形貌如图8所示。

图7 体系1燃烧试验温度变化曲线

Fig.7 Temperature curve of smaple I by combustion test

由图8可知，体系1表面呈白色膨胀状泡沫分布，燃烧比较均匀，受火初期外层面漆燃烧产生一点烟雾，随着燃烧的持续，防火涂料开始受火，表面产生较为明显的膨胀。经过一段时间后，火焰直射处的膨胀层产生一些裂纹，伴随着温度的升高，裂纹逐渐扩大加深，导致表面的碳化层存在大量脱落现象。数据分析可知，体系1在火焰温度1100°C以上的燃烧下，在56min时背火温度达到300°C，原因在于基材表面的大量碳化膨胀层脱落，导致隔热效果下降，因此基材表面接近火焰直射处升温较快。体系2、3的温度变化曲线如图9、图10所示;燃烧试验后的表面形貌如图11所示。

图8 体系1燃烧试验后的表面形貌

Fig.8 Surface morphology of smaple I after combustiontest

图9 体系2燃烧试验温度变化曲线

Fig.9 Temperature curve of smaple Il by combustion test

图10 体系3燃烧试验温度变化曲线

Fig.10 Temperature curve of smaple Il by combustion test

图11 体系2、3燃烧试验后的表面形貌

Fig.11 Surface morphology of sameple Il andcombustion test

after

由图9、图10可知，体系2、3在火焰温度1100°C以上的燃烧下，在2h内均满足背火温度≤300°C的规定。体系2的起始温度为2°C，在1500s时出现陡增，原因为外层缠包带烧穿，2h后背火点的最高温度为284.7°C;体系3的起始温度为53°C，同样在1500~2000s左右发生外侧缠包带烧穿的现象，在2h后背火点最高温度为280.6°C，并逐渐趋于平缓，温度在±2°C范围内波动，原因在于气凝胶防火涂料挣脱外层缠包带的束缚，膨胀形成防火层，起到隔热、阻燃的效果。

从燃烧后的样品分析可知，体系2表面呈鳞片状均匀分布，燃烧比较均匀，但在火焰直射处有直径约为8cm、深度约3cm的凹坑，延续至气凝胶毡表面，但不影响气凝胶毡的抗火功能;体系3表面整体呈龟裂状，但在火焰直射处有长度约23cm的撕裂带，原因在于气凝胶防火涂料燃烧膨胀后，将外侧光固化缠包带“撑破”，表明光固化缠包带对于气凝胶防火涂料的遇火膨胀有一定的抑制作用。综合燃烧结果可知，3种体系均出现了不同程度的高温界面不相容现象，主要表现为抗火实验时具有隔温隔火的膨胀炭化层部分脱落失效，出现升温加速的现象，对于防火涂料，其失效拐点约在50min左右，伴随着表面膨胀层脱落，抗火效果大打折扣;而气凝胶毡由于其本身是螺旋缠绕的形式，不存在层间失效，所以在火焰直射下也不会发生脱落现象;反观气凝胶防火涂料，其膨胀炭层较为完整且膨胀率、耐火极限均在合理范围内，虽然表面有界面脱附的趋势，但是外层缠包带对其有一定的裹覆作用，可以在一定程度上改善界面不相容问题。

04

结语

对上述3种抗火体系的试验对比可知，防火涂料在火焰度≥1100°C，火焰背火温度在56min时达到300°C，气凝胶类抗火体系均满足当下要求的火焰温度≥1100°C，火焰背火温度在90min内不超过300°C的要求，证明不同形态的气凝胶在燃烧后可以呈现同样的抗火效果，不同的是气凝胶防火涂料在燃烧后会发生膨胀，并依赖膨胀层达到隔火隔温的效果，但外层缠包带可能会对其有抑制膨胀的作用，同时也能抑制气凝胶防火涂料出现界面脱附的现象，后续实验将会对其进行下一步验证，因此，在实桥抗火防护中应进一步提升高温界面结合性，保证受火后材料的附着力。

来源： 《涂层与防护》2026年3月