凍融循環(huán)下隧道防火涂料粘結(jié)性能研究

廖 聰，季 韜，江其東

(1．福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116;2．福建同利建材科技有限公司，福建福州 350001)

0 引言

由不斷增長的交通流量以及運(yùn)輸物品的復(fù)雜性而引發(fā)的隧道火災(zāi)不計(jì)其數(shù)，如意大利阿爾卑斯山的勃朗特隧道火災(zāi)和浙江省貓貍嶺隧道火災(zāi)等．在隧道內(nèi)襯表面涂抹隧道防火涂料是提高隧道耐火能力，為人員爭取逃生時間的重要措施．隧道防火涂料在凍融等惡劣環(huán)境下的性能退化機(jī)理值得關(guān)注．

目前針對水泥基材料在凍融循環(huán)下的研究，大多集中在混凝土方面．Powers［1］提出混凝土凍融破壞的靜水壓力假說;Kaufmann［2］提出在凍融循環(huán)下，混凝土毛細(xì)孔內(nèi)冰的測試方法;Sun等［3］研究凍融循環(huán)、外荷載及氯鹽耦合下混凝土的性能．當(dāng)隧道遭受凍害時，隧道防火涂料可能因其粘結(jié)強(qiáng)度退化引起剝落，這將成為隧道內(nèi)通行車輛的安全隱患．在GA 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》［4］中，新增了凍融循環(huán)15次后粘結(jié)強(qiáng)度這一指標(biāo)．然而，目前關(guān)于凍融對隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度影響的研究很少．基于自主研發(fā)的隧道防火涂料，本文從宏微觀角度研究凍融循環(huán)下隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度的退化規(guī)律．

1 原材料

粘結(jié)材料:普通硅酸鹽水泥(海螺P．O 42．5水泥);高鋁水泥(鄭州長城特種水泥有限公司，型號:嘉耐CA－50－A600);可再分散乳膠粉(英國康凱爾公司生產(chǎn)，型號Con Care LA4500)．

隔熱耐火材料:膨脹珍珠巖(粒徑小于3 mm)和膨脹蛭石(粒徑小于2 mm)(福州友程耐火材料有限公司產(chǎn)品);海泡石(石家莊天源礦業(yè)有限公司產(chǎn)品);空心漂珠(河南信陽天梯礦業(yè)開發(fā)總公司產(chǎn)品)．

發(fā)泡材料:三聚氰胺和季戊四醇(天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)品);聚磷酸銨(濟(jì)南金盈化工有限公司產(chǎn)品)．

助劑:氫氧化鋁及氫氧化鎂(天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)品)．

其他:聚丙烯纖維(型號:HT－01;規(guī)格:長度6 mm，直徑30μm，抗拉強(qiáng)度≥350 MPa)，硅烷基粉末(型號:SHP－50;粒徑100～200μm)，粉末聚乙烯醇(福州四方化工有限公司產(chǎn)品，型號:1788－125)．

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．1隧道防火涂料配合比

采用課題組自主研發(fā)的隧道防火涂料，其配合比見表1［5］．

表1 隧道防火涂料配合比Tab．1 Mix proportion of tunnel fireproof coating

2．2 凍融性能試件制備及試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)試驗(yàn)試件分為三種類型(圖1):①平板試件(含涂層和底板)，用于觀察凍融循環(huán)中隧道防火涂料是否開裂、起層、脫落或變色等，底板尺寸為150 mm×70 mm×10 mm，隧道防火涂料涂層厚度為(5±1)mm;②長方體試件，用于測量凍融循環(huán)中隧道防火涂料質(zhì)量損失和動彈性模量損失，尺寸為70．7 mm×70．7 mm×210 mm;③粘結(jié)強(qiáng)度試件(含涂層和底板)，用于測量凍融循環(huán)下隧道防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度，底板尺寸為70 mm×70 mm×10 mm，隧道防火涂料涂層厚度為(5±1)mm．平板試件和粘結(jié)強(qiáng)度試件的制備應(yīng)符合GA 28375—2012《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》［4］的要求，且試件底板應(yīng)滿足JC/T 626—2008《纖維增強(qiáng)低堿度水泥建筑平板》［6］的要求．

圖1 三種規(guī)格的試件Fig．1 Three types of specimens

按GBT 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［7］進(jìn)行抗凍性、動彈性模量和試件質(zhì)量測定．采用的快速凍融試驗(yàn)機(jī)型號為TDRF－2，凍結(jié)溫度為(－17±2)℃，完成凍結(jié)所需時間為1．5～2．5 h，融化溫度為(8±2)℃，完成融化所需時間為1．0～1．5 h．動彈性模量測定儀型號為DT－20．采用智能粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀(型號:HC－2000A，液壓油缸行程10 mm，測量范圍0～6．0 kN，分辨率0．001 kN)，按照標(biāo)準(zhǔn) GA 28375—2012［4］進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度測試．

質(zhì)量、動彈性模量和粘結(jié)強(qiáng)度損失率按照下式計(jì)算:

式中:Δm，ΔE，Δτ分別為n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量、動彈性模量和粘結(jié)強(qiáng)度損失率;m0，E0，τ0分別為凍融循環(huán)前的試件質(zhì)量、動彈性模量和粘結(jié)強(qiáng)度;mn，En，τn分別為凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量、動彈性模量和粘結(jié)強(qiáng)度．

2．3 孔結(jié)構(gòu)試件制備及試驗(yàn)方法

按表1中的配合比制成70．7 mm×70．7 mm×70．7 mm的試塊，養(yǎng)護(hù)28 d后，搗碎成直徑約為3 mm的顆粒(含膨脹珍珠巖和膨脹蛭石細(xì)骨料)．為保證每次取樣的穩(wěn)定性，用0．63μm方孔篩將較小顆粒篩去，取約3 g搗碎的樣品顆粒放入樣品管中，采用孔結(jié)構(gòu)分析儀(型號:F－Sorb2800)進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試．

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 凍融試驗(yàn)結(jié)果

隧道防火涂料試件在不同凍融循環(huán)下的外觀如圖2所示，凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖3、圖4．

圖2 不同凍融循環(huán)下試件的外觀Fig．2 Appearance of specimens under different freezin g and thawing cycles

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab．2 Test results

圖3 凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率Fig．3 Mass loss rate under freeze－ thaw cycles

圖4 凍融循環(huán)下粘結(jié)強(qiáng)度損失率Fig．4 Bonding strength loss rate under freeze － thaw cycles

不同凍融循環(huán)下的可測最小孔徑如表3所示，隧道防火涂料試件在不同凍融循環(huán)下的累計(jì)孔體積及分布(孔體積及其占累計(jì)孔體積的百分比)如表4所示．

表3 不同凍融循環(huán)下的可測最小孔徑Tab．3 Pore diameter measured under different freeze－thaw cycles

表4 孔體積分布及累計(jì)孔體積Tab．4 Pore volume distribution and cumulative pore volume

3．2 分析與討論

前15次凍融循環(huán)試件外表并無明顯變化．第15次時，隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度為0．175 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)GA 28375—2012［4］的要求(≥0．15 MPa)，此時隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度損失率為60．7%，質(zhì)量損失率0．21%．凍融循環(huán)到第30次時，試件首先出現(xiàn)凍脹跡象，有明顯鼓包(直徑約4 cm，凸起高約3 mm，見圖2(b))，用手?jǐn)D壓起包的地方，有水被擠出，此時隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度損失率為75．5%，質(zhì)量損失率0．52%．凍融進(jìn)行到45次時，試件鼓包處進(jìn)一步惡化，有較大裂紋產(chǎn)生，裂紋長度超過試件寬度1/2(圖2(c))，此時隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度損失率為79．8%，質(zhì)量損失率0．62%．當(dāng)凍融進(jìn)行到60次時，試件表面粗大麻面增多(圖2(d))，試件鼓包處破裂脫落，脫落處試件呈粉狀，此時隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度損失率為80．2%，動彈性模量損失率為97．4%，質(zhì)量損失率0．82%．由于聚丙烯纖維對水泥基隧道防火涂料在凍融循環(huán)下的裂縫擴(kuò)散有一定的抑制作用，當(dāng)隧道防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度和動彈性模量損失較大時，其質(zhì)量損失仍較小．聚丙烯纖維可減緩隧道防火涂料的剝落，這對隧道內(nèi)的行車安全是有益的．

由表3可知，凍融循環(huán)為15、30、45和60次時，可測得的最小孔徑降低，分別為14．8、8．6、8．0和7．3 nm．這表明隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，原來閉合的小孔不斷被打開，孔結(jié)構(gòu)惡化，隧道防火涂料凍融破壞嚴(yán)重．從表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，不同孔徑范圍的孔體積和累計(jì)孔體積均增加．凍融循環(huán)15、30、45和60次時，隧道防火涂料累計(jì)孔體積分別為9．34、18．61、20．72和22．83μL·g－1(表4)，其粘結(jié)強(qiáng)度損失分別為60．7%、75．5%、79．8%和80．2%(圖4)．因此，從宏微觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隧道防火涂料粘結(jié)性能的退化在前30次較為明顯，而后趨于平緩．

4 結(jié)語

1)聚丙烯纖維對水泥基隧道防火涂料的裂縫擴(kuò)展有一定抑制作用，因此隧道防火涂料雖然破壞嚴(yán)重，但未有明顯剝落現(xiàn)象，質(zhì)量損失較小，這有益于隧道內(nèi)行車安全．

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同孔徑范圍的孔體積和累計(jì)孔體積均增加，隧道防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度損失增大．在凍融循環(huán)的前30次，隧道防火涂料粘結(jié)性能降低顯著，而后降低不明顯．