粉煤灰摻量對隧道防火涂料黏結(jié)強度和密度的影響

劉俊權(quán)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。其化學(xué)組成中硅含量最高SiO2（45%～65%），其次是鋁Al2O3（20%～35%），鐵含量以氧化物形式存在Fe2O3（5%～10%），此外還有未燃盡的炭粒、CaO（5%）和少量的MgO、Na2O、K2O和SO3等[1]。粉煤灰是我國當前排放量較大的工業(yè)固體廢物之一，全國每年排量達3 000萬t。隨著用電量的增長，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，粉煤灰的堆放儲存問題日益嚴重，粉煤灰長期堆放會產(chǎn)生揚塵污染。通過雨水將粉煤灰沖入河流會造成河床淤塞，其中有害化學(xué)物質(zhì)還會污染水源和對生物造成危害[2]。因此對粉煤灰的處理和利用引起人們廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)利用最多的是將粉煤灰添加到水泥混凝土中生產(chǎn)高性能混凝土，本文研究粉煤灰摻量對隧道防火涂料黏結(jié)強度和密度的影響。

隧道防火涂料在火災(zāi)發(fā)生時可以保護隧道內(nèi)混凝土砌層不受破壞，涂層具有優(yōu)異的耐高溫、耐水、隔熱性能和良好的黏結(jié)強度。隧道防火涂料中添加各種耐高溫防火材料和提高涂料黏結(jié)強度的膠粉和水泥，為降低涂料成本還加入適量的粉煤灰。粉煤灰在爐膛內(nèi)高溫作用下部分熔融，由于表面張力的作用形成大量細小的球形顆粒，隨著爐煙的流動和溫度的降低，一部分熔融的細粒在爐尾因受到急冷作用呈玻璃體狀態(tài)，這種玻璃態(tài)賦予粉煤灰具有火山灰性質(zhì)的高活性，可以與隧道防火涂料中水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提高黏結(jié)強度和涂層密度[3]。其中的SiO2、Al2O3對火山灰效應(yīng)貢獻最大，Al2O3有利于降低粉煤灰的熔點使其形成玻璃微珠，高溫難以熔融有助于提高隧道防火涂料的耐高溫性能。隧道防火涂料中加入粉煤灰可以提高其黏結(jié)強度和耐火性能，降低涂料生產(chǎn)成本，還可以起到廢物利用的效果。

1 原材料及試驗

本文研究粉煤灰不同摻量對隧道防火涂料黏結(jié)強度和密度的影響。

1.1 材料

F類Ⅰ級粉煤灰（忻州廣宇電廠）；425硅酸鹽水泥（太原獅頭水泥廠）；可再分散乳膠粉SWF-05（山西三維集團股份有限公司）；云母粉1～3 mm（河北靈壽縣星光云母粉廠）；蛭石1～3 mm（河北同源蛭石廠）；膨脹珍珠巖2～5 mm（永清縣珍珠巖保溫材料有限公司）；空心玻璃珠（秦皇島三聯(lián)瑞森玻璃珠有限公司）；海泡石 3 mm（河北宏利海泡石絨有限公司）；聚磷酸銨APP（什邡市海星化工有限公司）；高效萘系減水劑（北京科寧豐外加劑有限公司）。

1.2 儀器設(shè)備

CMT5504型電子萬能試驗機（0.5級）（美特斯工業(yè)系統(tǒng)中國有限公司）；隧道防火涂料密度和黏結(jié)強度成型模具（自制）；LBA-1電子天平（0.01 g）（昆山玨恒電子衡量有限公司）。

1.3 涂料配比

在本研究中粉煤灰摻量從0逐步增加到7%共8組（每組增量為1%），相應(yīng)的水泥摻量從40%逐步減少到33%。將每組配制好的隧道防火涂料稱量1 000 g，加入700～750 g的水經(jīng)充分攪拌均勻后分別加入到測試密度和黏結(jié)強度的模具中進行成形。

表1 防火涂料配方 %

1.4 試驗

隧道防火涂料試塊成形拆模后，在GA98—2005《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》規(guī)定的條件下進行養(yǎng)護28 d。通過LBA-1電子天平和CMT5504型電子萬能試驗機分別測試粉煤灰不同摻量下隧道防火涂料的密度和黏結(jié)強度。

表2 粉煤灰不同摻量與涂料的密度和黏結(jié)強度表

圖1 粉煤灰摻量與涂料黏結(jié)強度

圖2 粉煤灰摻量與涂料密度

圖1可以看出當粉煤灰摻量從0增加到30 g的過程中，隧道防火涂料黏結(jié)強度由0.183 MPa增加到0.214 MPa增速比較緩慢；當粉煤灰摻量從30 g增加到60 g的過程中，其黏結(jié)強度從0.214 MPa增加到0.312 MPa，增長速度較快，當粉煤灰摻量大于60 g以后，涂料黏結(jié)強度增長速度又放緩。圖2可以看出隨著粉煤灰摻量的增加，隧道防火涂料的密度在逐漸增大，粉煤灰摻量由0增加到70 g時，涂料密度由642 kg/m3增長到了809 kg/m3（標準規(guī)定密度不得大于800 kg/m3），可以看出隨著粉煤灰摻量的增加，涂料密實性提高涂膜密度增加。在隧道防火涂料中水泥摻量為33%～40%，當水泥中的Ca(OH)2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面時，水泥和粉煤灰就開始發(fā)生火山灰效應(yīng)[4]。當粉煤灰摻量低于30 g時，由于粉煤灰不足以把隧道防火涂料涂層中存在的微小空隙填充完畢，其內(nèi)部仍然存在許多微小空隙，火山灰效應(yīng)沒有把涂料中的水泥等材料全部活化形成強度較高的涂層，因此涂膜密實性和黏結(jié)強度較低。粉煤灰摻量從30 g增加到60 g，涂層內(nèi)部大量的微小空隙逐漸被填充，其火山灰效應(yīng)使水泥等材料的性能活化，涂料內(nèi)部快速形成致密的涂層，保證了涂層具有良好的黏結(jié)強度和較高的密度。當粉煤灰摻量大于60 g，粉煤灰可以將涂層內(nèi)部的微小空隙填充密實，還有部分粉煤灰會分散到微小空隙以外的地方，其活化作用也會隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減弱。試驗過程中由于粉煤灰總量在逐漸增加，所以隧道防火涂料的黏結(jié)強度和密度在不斷增大，當摻量大于60 g以后涂層黏結(jié)強度增加速度放緩。

2 結(jié)果分析

a）粉煤灰對隧道防火涂料具有填充作用。由于粉煤灰的密度為1.9～2.9 g/cm3小于水泥30%以上，從而增加了防火涂料灰漿體積，足量的灰漿填充在混凝土孔隙空間覆蓋和潤滑骨料顆粒，增加了拌合涂料的黏聚力和可塑性，改善了防火涂料的和易性，加上細小的粉煤灰顆粒可以填充未水化水泥顆粒空隙，形成更加密實的結(jié)構(gòu)，這些都有利于提高防火涂料的強度。另外，粉煤灰中的球形顆粒在混凝土中起滾珠潤滑作用，也可以減少骨料之間，骨料與漿體之間的摩擦，改善拌合物的和易性來提高涂料涂層的強度。

b）粉煤灰可以改善隧道防火涂料的流動度和離析現(xiàn)象。粉煤灰的加入可增加防火涂料中水泥混凝土的流動度，有效提高混凝土的坍落度，抑制防火涂料的坍落度損失，改善其和易性、泌水性和離析現(xiàn)象，降低水化熱、徐變和收縮率，提高涂層的密實度和細化孔隙，從而改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)和骨料與水泥的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，提高涂層的抗?jié)B性，增加涂層密度。

c）隧道防火涂料中的粉煤灰可以與水泥發(fā)生水化反應(yīng)提高涂層的密實度和黏結(jié)強度。粉煤灰中玻璃態(tài)的活性氧化硅、氧化鋁可以與水泥漿體中的Ca(OH)2作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，可以降低水化熱，減少或消除涂料中堿性集料的危害，其反應(yīng)產(chǎn)物可以有效地填充涂層中的毛細空間，孔徑細化使涂層的強度和抗?jié)B性能得到改善[5]。

3 結(jié)論

隧道防火涂料中摻入粉煤灰可以部分取代水泥降低涂料生產(chǎn)成本，其摻入量在7%以內(nèi)時可提高隧道防火涂料涂層的密實性和涂層密度，同時可以提高涂料黏結(jié)強度。隧道防火涂料中摻入粉煤灰可以將燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰副產(chǎn)品充分利用，節(jié)約大量水泥，降低生產(chǎn)成本，改善環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。