随着我国公路建设和城市立体交通体系的快速发展,修建了许多长大型隧道工程。由于隧道环境相对封闭,发生火灾时温度迅速上升,严重威胁隧道路面和衬砌强度,需对其采取防火措施;同时,隧道通风不畅,汽车尾气难以及时排出,导致隧道内尾气浓度明显偏高,有毒有害物质含量增加,造成严重空气污染,危害司乘人员健康,且降低能见度,妨碍行车安全。另外,隧道路面、衬砌、附属设施表面长期积累的灰尘、污渍等难以及时清洗,滋生有害微生物和细菌,影响隧道环境卫生。因此,本文研发了适应隧道特殊环境条件,具有防火、降解尾气、自清洁等多种功能的涂层材料,用于隧道路面、衬砌、附属设施表面,对提高隧道火灾安全性、净化汽车尾气、改善隧道环境卫生等具有重要意义。首先,为了解火灾时隧道内温度场分布以及隧道内衬壁的最高温度,本文基于流体动力学分析软件对不同工况下的隧道火灾现场进行三维数值模拟。结果表明,隧道衬砌内部温度场变化较大,随着衬砌厚度的增加温度梯度在逐渐减小,衬砌表层附近的温度梯度较大,隧道衬砌纵断面在火源附近小范围内温度较高。火源处的衬砌横断面初期拱顶和拱腰升温较快,后期整个断面没有明显的变化趋势,无论是衬砌纵断面还是横断面计算都表明火源对上游的温度影响要明显小于下游。隧道火灾时的温度场分布为防火涂料组分设计提供依据。其次,为了使研发的防火涂料也具有降解汽车尾气的功能,本文对作为防火涂料成分之一的Ti O₂进行了改性,以适应隧道光照条件降解汽车尾气。利用溶胶-凝胶法制备了氮、钒单掺杂改性纳米Ti O₂,通过X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、紫外-可见分光光度计及尾气降解试验等分别确定了氮、钒改性纳米Ti O₂的最佳掺杂量,并据此制备了氮-钒共掺杂改性纳米Ti O₂。结果表明,氮、钒最佳单掺杂量分别为3.0%和1.0%,氮-钒共掺杂的协同作用明显提高了纳米Ti O₂可见光利用率,改善了催化降解效果。然后,为了实现涂层的防火、降解汽车尾气、自清洁等功能,采用正交试验法,以高铝水泥等为粘结材料,膨胀蛭石、海泡石等为无机隔热材料,P-C-N-氢氧化铝体系为阻燃材料,利用大板燃烧试验确定涂层的防火体系,利用改性纳米Ti O₂、气相Si O₂、有机硅憎水剂改性该防火体系,并结合尾气降解试验、接触角试验测试了涂层的其它功能。结果表明,制备的涂层具有较好的防火性能,耐火极限达到235 min,可见光下的60min内对汽车尾气中的HC、NOx、CO和CO₂的催化降解效率分别达到了8.3%、23.4%、2.5%和2.9%,且水滴接触角达到134.2°,具有较好的疏水自清洁功能。最后,为了考察该涂层的理化性能、使用效果和耐久性,通过耐水、耐碱、冷冻循环、自清洁、TG-DSC-FTIR联用、SEM等表征方法对涂层进行了测试。结果表明,该涂层具有很好的耐水、耐碱、耐冷冻循环、自清洁等功能,隧道火灾时涂层不会释放有害气体,造成次生灾害,发现该涂层表面已具备仿生荷叶的微凸结构,炭质层表面出现了利于提高防火性能的层状结构和焦磷酸钛类陶物质,而断面出现的均匀蜂窝结构也有利于提高涂层的防火性能。本文研发的涂层各项性能满足隧道衬砌和附属结构表面多功能要求,有利于提高隧道火灾安全性、降解汽车尾气、改善隧道环境卫生等。