复配型隧道防火涂料的研究

新型建筑材料 2010．1 隧道内一般都要进行防火处理，目前较为简单可行的防 火方法就是喷涂隧道专用防火涂料。隧道防火涂料主要由粘 结剂、无机隔热填料、发泡材料和助剂等组成[1]。可作为隧道 防火涂料粘结剂的有高铝水泥、普硅水泥、苯丙乳液、水玻璃 等，考虑到环保和成本，通常较多选用普硅水泥或高铝水泥作 为粘结剂。Cheng Xiaowei[2]等以 52.5R高铝水泥和可再分散 乳胶粉为粘结剂，膨胀蛭石、空心微珠、膨胀珍珠岩等为无机 隔热填料，研制了一种聚合物改性的隧道防火涂料。Anton和 Octavian[3-4]以高铝水泥、波特兰水泥为粘结剂，硬硅钙石、蛭 石、钙硅石等为无机隔热填料，添加一定量增强剂和其它助 剂，研制了一种可用于混凝土及预应力混凝土结构，尤其是隧 道的优质防火材料。普硅水泥具有粘结强度高、抗冻性好、强 度发展稳定、干缩小、水化热大[5]、成本低等特点。与普硅水泥 相比，高铝水泥主要具有快硬、高强和耐火的特性[6]。由于两 种水泥不同的特性，国内外对普硅水泥与铝酸钙水泥复合作 为干粉砂浆主要胶凝材料进行了研究应用[7]。而将普硅水泥 与高铝水泥复合体系用于隧道防火涂料的研究，几乎未见研 究报道。本文主要对不同比例的普硅水泥与高铝水泥复配体 系应用于隧道防火涂料中，对涂层耐火性能和粘结强度的影 响进行了试验研究。为开发低成本高性能的隧道防火涂料产 品开辟了一条新的道路。 1 试 验 1.1 原材料 高铝水泥（C50），郑州登封熔料有限公司；普硅水泥 （42.5R），河北太行水泥有限公司；可再分散乳胶粉（5011L）， 德国瓦克公司；空心微珠（325目），上海汇精亚新材料有限公 司；膨胀蛭石、膨胀珍珠岩，金利矿业；轻质碳酸钙、膨润土，北 京蓝宁；海泡石，北京百兴华清科技发展有限公司；硅酸铝纤 维，淄博华岩耐火纤维有限公司。 1.2 试验配方 隧道防火涂料的基本配方见表 1。 表 1 隧道防火涂料的基本配方 1.3 试验方法 1.3.1 粘结强度测试 根据 GA 98—2005《混凝土结构防火涂料》标准要求，按 照 JG/T 24—2000标准，将硬聚氯乙烯型框置于 70 mm×70 mm×20 mm砂浆块上，用涂料填满 40 mm×40 mm型框，抹平 去框，常温下养护 14 d，置于拉力试验机上沿试件表面垂直方 原材料 用量/g 原材料 用量/g 高铝水泥 普硅水泥 可再分散胶粉 膨胀珍珠岩 膨胀蛭石 空心微珠 0～70 0～70 1～10 9～32 7～33 5～15 轻质碳酸钙 膨润土 海泡石 硅酸铝纤维 阻燃抑烟剂 其它助剂 15～35 2～12 2～9 1～10 4～25 适量 复配型隧道防火涂料的研究 陈夙，刘军辉，杨力，仲晓林 （中冶集团建筑研究总院，北京 100088） 摘要：将普硅水泥和高铝水泥按不同比例进行复配，通过耐火性能和粘结强度测试，研究了将 2种水泥不同比例复配对隧道 防火涂料耐火性能及粘结强度的影响。结果表明，m（普硅水泥）∶m（高铝水泥）=5∶1时，耐火时间最长，粘结强度较高，为复配体系的 最佳复配比值。同时，通过 XRD进行微观分析，进一步说明了普硅水泥和高铝水泥按一定比例复配，可以在粘结强度损失不大的情 况下，提高耐火性能的原因。 关键词：隧道防火涂料；普硅水泥；高铝水泥；复配；耐火极限；粘结强度 中图分类号：TU545 文献标识码：B 文章编号：1001-702X（2010）01-0084-03 Research on compound fireproof coating for tunnel CHEN Su，LIU Junhui，YANG Li，ZHONG Xiaolin （Central Research Institute of Building and Construction，MCC，Beijing 100088，China） 收稿日期：2009-09-08 作者简介：陈夙，女，1983年生，云南景洪人，工程师，主要从事防火涂 料研发工作。 全国中文核心期刊 84· · NEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALSNEW BUI LD ING MATER IALS 向以 5 mm/min的拉伸速度测试粘结强度，以 5个试件为 1 组。 1.3.2 耐火性能测试 将涂料涂覆在 200 mm×140 mm×10 mm 的水泥石棉板 上，涂层厚度 10 mm。在常温下养护 28 d后，在 GJL-2型小型 耐火试验炉（按照 GB/T 9978—1999的技术要求设计）上按标 准碳氢曲线升温（见图 1），每 1 min 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 1次水泥石棉板背火 面温度，直至水泥石棉板背火面温度达到 250 ℃。由于水泥石 棉板背火面温度与耐火极限存在一定的关系，即升温至相同 温度所需的时间越长，涂料的耐火极限越高；因此，可根据水 泥石棉板背火面温度，大致推断涂料的耐火极限。 图 1 标准时间-温度曲线 1.3.3 XRD测试 将水泥燃烧前水化样品及燃烧后冷却样品研细制样，利 用日本理学 DMAX-RB型 X-射线衍射仪对其进行 XRD分 析。采用 2θ/θ偶合连续扫描，步宽 0.02°，时间常数为 1 s，Cu 靶（40 kV，150 mA），测试温度为室温，扫描范围 10°≤2θ≤ 100°。 2 试验结果与分析 2.1 普硅水泥与高铝水泥复配比例对防火涂料 粘结强度及耐火性能的影响（见表 2） 由表 2可见： （1）在普硅水泥与高铝水泥复配体系中，涂层粘结强度随 普硅水泥用量的减少，呈先减小后增大再减小再增大趋势。当 m（普硅水泥）∶m（高铝水泥）=7∶1时，粘结强度为 0.34 MPa，达 最大值；当 m（普硅水泥）∶m（高铝水泥）=5∶1时，粘结强度为 0.27 MPa，虽该强度略低于 7∶1配方的粘结强度值，但优于 GA 98—2005不低于 0.1 MPa的标准要求，粘结强度相对较 大。 （2）单以高铝水泥为粘结剂的涂层耐火时间较单以普硅 水泥为粘结剂的涂层耐火时间长。在普硅水泥与高铝水泥复 配体系中，涂层耐火时间随普硅水泥用量的减少，呈先增加后 减小、再增加后减小的趋势，且以 m（普硅水泥）∶m（高铝水泥） 表 2 普硅水泥与高铝水泥复配比例对防火涂料 粘结强度及耐火性能的影响 =1∶1配方为中心呈近似对称变化的趋势。在 m（普硅水泥）∶ m（高铝水泥）=5∶1和 1∶7时，耐火时间为 58 min，达最大值。 结合涂层耐火性能测试结果分析，m（普硅水泥）∶m（高铝 水泥）=5∶1时，耐火时间最长、粘结强度较高，为普硅水泥与 高铝水泥复配体系的最佳复配比例。 2.2 XRD测试 为进一步研究普硅水泥与高铝水泥（5∶1）复配体系对粘 结强度及耐火性能影响的机理，分别对普硅水泥燃烧前后样 品、高铝水泥燃烧前后样品及普硅水泥与高铝水泥（5∶1）复配 水泥燃烧前后样品进行 XRD测试（分别见图 2、图 3、图 4）， 探讨其燃烧前后主要成份的变化（见表 3）对复配水泥粘结强 度及耐火性能的可能影响。 图 2 普硅水泥燃烧前后的 XRD谱图比较 从图 2 可以看出，普硅水泥燃烧前主要存在 Ca3SiO5、 Ca2SiO4和 CaCO3等 3种物质，燃烧后 Ca3SiO5峰消失，CaCO3 峰减弱，出现 CaO 峰，即燃烧后普硅水泥的主要成份为 编号 m（普硅水泥）∶ m（高铝水泥） 背温达 200℃ 的时间/min 背温达 250 ℃ 的时间/min 45 min时 所达背温/℃ 粘结强 度/MPa 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 12# 13# 14# 15# 70∶0 10∶1 9∶1 8∶1 7∶1 5∶1 3∶1 1∶1 1∶3 1∶5 1∶7 1∶8 1∶9 1∶10 0∶70 29 28 38 37 35 47 40 37 39 46 42 39 31 30 35 37 35 46 46 46 58 54 49 50 55 58 48 40 39 44 298 304 240 246 249 185 223 237 235 197 212 237 269 280 254 0.28 0.12 0.08 0.23 0.34 0.27 0.20 0.05 0.07 0.10 0.05 0.16 0.14 0.12 0.12 陈夙，等：复配型隧道防火涂料的研究 85· · 新型建筑材料 2010．1 Ca2SiO4、CaCO3和 CaO。因为在进行燃烧试验 45 min时，温度 未达到 1000 ℃，而在 1250 ℃以下，Ca3SiO5是不稳定的，会分 解为 Ca2SiO4和 CaO[8]。 图 3 高铝水泥燃烧前后的 XRD谱图比较 从图 3可以看出，高铝水泥燃烧前主要存在 Ca2Al2SiO7、 CaSiO3、Ca3Al2O6和 CaCO3等 4 种物质，燃烧后 CaCO3峰消 失，未出现 CaO峰，其它峰形没有明显变化，即燃烧后高铝水 泥的主要成份为 Ca2Al2SiO7、CaSiO3和 Ca3Al2O6。说明燃烧前 后高铝水泥的主要成份没有显著变化，且燃烧后仍残留较多 耐高温物质，因此，相比于普硅水泥，高铝水泥的耐高温性更 好。 图 4 复配水泥燃烧前后的 XRD谱图比较 表 3为普硅水泥、高铝水泥和复配水泥[m（普硅水泥）∶ m（高铝水泥）=5∶1]的主要成份比较。 表 3 复配水泥燃烧前后主要成份比较 从图 4和表 3可以看出，复配水泥[m（普硅水泥）∶m（高铝 水泥）=5∶1]燃烧前主要存在 CaCO3、Ca2Al2SiO7、Ca2SiO4等 3种 物质，包含普硅水泥和高铝水泥主要成份的 1种或 2种，但仍 以普硅水泥的成份为主。由于普硅水泥对基材的附着力优于 高铝水泥，因此普硅水泥与高铝水泥按 5∶1比例复配后其粘 结强度与纯普硅水泥的相差不大。燃烧后，图 4中 CaCO3峰 明显减弱，出现 Ca3Al2O6峰，以高铝水泥燃烧后的主要成分为 主，由于高铝水泥的耐高温性优于普硅水泥，因此，普硅水泥 与高铝水泥按 5∶1比例复配后，耐火时间明显增加。通过 XRD 测试进一步说明了普硅水泥和高铝水泥按一定比例复配，可 以在粘结强度损失不大的情况下，提高耐火性能的原因。 3 结 语 （1）普硅水泥与高铝水泥复配体系中，当 m（普硅水泥）∶ m（高铝水泥）=5∶1时，耐火时间为 58 min，达最大值，此时耐 火性能最佳。 （2）复配体系中，当 m（普硅水泥）∶m（高铝水泥）=7∶1时， 涂层的粘结强度为 0.34 MPa，达最大值；当 m（普硅水泥）∶ m（高铝水泥）=5∶1时，粘结强度为 0.27 MPa，虽略低于 7∶1配 方的粘结强度值，但优于 GA 98—2005不低于 0.1 MPa的标 准要求。综合考虑耐火性能和粘结强度，m（普硅水泥）∶m（高 铝水泥）=5∶1时，耐火时间最长、粘结强度较高，为复配体系 的最佳复配比。 （3）XRD测试结果表明，m（普硅水泥）∶m（高铝水泥）=5∶1 的复配水泥，燃烧前以普硅水泥主要成份为主；而燃烧后主要 成份以高铝水泥为主。由此，进一步解释了普硅水泥和高铝水 泥按一定比例复配，可以在粘结强度损失不大的情况下，提高 耐火性能的原因。 参考文献： [1] 毛朝君，何世家，兰彬，等.环保型隧道防火涂料的研究[J].安全与 环境学报，2005，5（4）：97-100. 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