磷酸鹽隧道防火涂料組成結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究

孫厚超，馬愛群，石飛停，逮紹慧，劉晶

(1.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.南京建工集團有限公司，南京 210012)

磷酸鹽隧道防火涂料組成結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究

孫厚超1，馬愛群1，石飛停1，逮紹慧2，劉晶1

(1.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.南京建工集團有限公司，南京 210012)

為提高混凝土隧道結(jié)構(gòu)防火性能，降低火災(zāi)損失，對涂抹磷酸鎂基防火涂料的混凝土結(jié)構(gòu)進行劈裂試驗和耐火性能實驗，研究磷酸鎂基隧道防火涂料配方設(shè)計，討論白剛玉砂、鋼渣、硅灰、鎳渣、蛭石填料和納米二氧化鈦外加劑對隧道防火涂料性能的影響。試驗表明：摻量10%白剛玉砂、5%硅灰、0.75%二氧化鈦、90%蛭石的磷酸鎂基隧道涂料3 d和15 d粘結(jié)強度均超過規(guī)范要求，耐火性能最優(yōu)；優(yōu)化設(shè)計配方的隧道防火涂料各項指標均優(yōu)于國家標準。

磷酸鹽膠粘劑；隧道防火涂料；粘結(jié)強度；防火性能

0 引言

近年來隨著我國隧道建設(shè)加快，交通流量不斷增加和運輸物品的復(fù)雜性，增加了隧道火災(zāi)的風險。隧道中一旦發(fā)生火災(zāi)，往往是經(jīng)濟損失大、搶修難、中斷行車時間長的交通事故[1-4]。目前較為經(jīng)濟、可行的防火措施是在隧道混凝土結(jié)構(gòu)表面噴涂隧道防火涂料。

隧道防火涂料是專門用于隧道結(jié)構(gòu)拱頂和側(cè)墻免受火災(zāi)而設(shè)計的專用涂料?，F(xiàn)主要分為兩大類：無機隧道防火涂料和有機隧道防火涂料，無機隧道防火涂料主要以無機水性防火涂料為主，其中粘結(jié)劑是影響無機水性防火涂料綜合性能的主要因素[5-7]。目前常用的粘結(jié)劑有硅酸鹽系列、鋁酸鹽系列和磷酸鹽系列，這些粘結(jié)劑各有其特點。硅酸鹽類粘結(jié)劑的粘結(jié)強度高，耐熱、耐水性能較好，但耐堿性能較差，且固化溫度較高；用鋁酸鹽系列作為粘結(jié)劑則存在鋁酸鹽水化產(chǎn)物易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變的問題，導(dǎo)致使用狀態(tài)下強度失效等，且存在涂層厚、粘結(jié)強度低、耐水性差等缺陷。而磷酸鹽系列具有凝結(jié)硬化速度快、粘結(jié)強度高、耐火性能好、生產(chǎn)程序簡單等特點[8-17]，以其作為粘結(jié)劑的隧道防火涂料研究鮮見報道，本文研究了一種磷酸鹽隧道防火涂料的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計，并探討了其主要組成對隧道防火涂料的粘結(jié)強度及其燃燒時間的影響規(guī)律。

1 試驗

按照隧道防火涂料規(guī)范規(guī)定(GA98-2005)，隧道防火涂料性能檢驗項目為10項，選取影響涂料性能的粘結(jié)強度、耐火性能指標來進行組成結(jié)構(gòu)設(shè)計，待優(yōu)選配方后再進行剩余項目的檢驗，最后確定符合要求的最佳配方。

1.1 原材料

隧道防火涂料主要由粘結(jié)材料、添加劑和填料組成。

(1)粘結(jié)材料。選用一種新型磷酸鹽膠凝劑，由氧化鎂、磷酸鹽和緩凝劑按照一定比例組成，作為隧道涂料的基礎(chǔ)材料。

(2)添加劑。主要有引氣劑、二氧化鈦、聚丙烯纖維。

(3)礦物摻合料。有白剛玉砂、硅灰、富鎂廢渣粉A、富鎂廢渣粉B、蛭石等。

除防火涂料外，本實驗制作試件需要基體有：①混凝土試塊，其邊長為70.7 mm的立方體，在常溫下養(yǎng)護28 d，用于制作防火涂料粘結(jié)強度試件。②水泥砂漿板，長為20 cm，寬為13 cm，以及中空15 cm×7.5 cm鋼框模具，用于制作防火涂料耐火性能試件。

1.2 試件制作與實驗方法

(1)粘結(jié)強度試件。將試驗原料按一定比例混合均勻后，加入適量水攪勻。在兩個混凝土試塊間填入10 mm厚涂料連接層，并用刮刀插搗15次使其密實，放置振動臺上振動30 s，待涂料微干后，用保鮮膜進行包裹，20 ℃±5 ℃，50～70 RH下養(yǎng)護3 d和15 d，滿足規(guī)范(GB/T7897.4-1987)劈裂抗拉試驗要求。試件如圖1(a)所示。

1.試驗機壓板 2.鋼制弧墊條 3.木制墊板 4.成型試件 5.防火涂料 (A)劈裂試驗示意圖 (A)Schematic diagram of splitting test

(B)劈裂試驗實物圖 (B)Splitting test Picture圖1 劈裂抗拉試驗示意和實物圖Fig.1 Schematic and physical diagram of splitting tensile test

實驗方法：使用環(huán)境加載電子萬能試驗機進行劈裂實驗，試驗時在上下鋼制弧墊條與成型的試件之間各墊一塊木質(zhì)墊板，木質(zhì)墊板應(yīng)放置在成型的試件中央，鋼制弧墊條應(yīng)與成型試件垂直，如圖1(b)所示。

試驗時，開動試驗機后，當加載裝置的上壓板與劈裂抗拉夾具接近時，調(diào)整試件位置，使接觸后的壓力均衡，然后連續(xù)均勻加荷，加荷速度為每秒500 N±50 N，連續(xù)均勻加荷直至試件破壞，記錄破壞荷載。根據(jù)規(guī)范計算粘結(jié)強度值，精確至0.01 MPa。

(2)耐火性能試件。將鋼框模具與水泥板固定夾好，將攪拌好的隧道防火涂料倒入模具并用刮刀抹平，涂料的高度與模具的上表面齊平，5 min后拆去模具，得到一個長15 cm，寬為7.5 cm的長方體涂層試板，并貼好日期標簽，用保鮮膜包裹，放置20 ℃±5 ℃，50～70 RH下養(yǎng)護3 d或15 d，然后進行耐火性能試驗，試板如圖2(a)所示。

實驗方法：本實驗使用座式酒精噴燈，點燃前先將燈體倒轉(zhuǎn)2～3次，使燈芯浸透酒精，往預(yù)熱盤中注入酒精并將其點燃。在底部的容器中注入適量水，以降低酒精噴燈燃燒時所產(chǎn)生的溫度。將點燃的酒精噴燈調(diào)制最大火力，燃燒幾分鐘后放入自制的防護架中，將架體放置在離底部容器5 cm處，以保證燃燒時有充足的氧氣。將制備好的試件放在架子上面，并將有涂料一面的中心對準酒精噴燈火焰，并使用兩個溫度計對準水泥砂漿板背面的中心(如圖2(b)、(c)所示)，同時按下計時表開始計時，溫度計每升高50 ℃記錄一次時間，并取兩個溫度計讀數(shù)的平均值，待水泥砂漿板背面溫度達到250 ℃時，立即停止計時并記錄時間。用石棉網(wǎng)覆蓋燃燒口，燈焰即熄滅。然后稍微擰松旋塞，使燈壺內(nèi)的酒精蒸汽放出。

圖2 耐火試板和燃燒測溫裝置Fig.2 Fire resistant test board and combustion temperature measuring device

2 試驗結(jié)果及分析

試驗在新型磷酸鹽膠粘劑基礎(chǔ)摻量不變情況下，首先對摻合料白剛玉砂含量調(diào)整，找出最佳摻量，然后對礦物摻合料(硅灰、富鎂廢渣粉A、富鎂廢渣粉B)的摻量和種類進行優(yōu)化，確定最優(yōu)礦物摻合料，再添加紅外熱反射材料二氧化鈦進行對比試驗，改變蛭石摻量，確定蛭石最優(yōu)摻量，最終確定磷酸鹽基隧道防火涂料最佳配方。

2.1 白剛玉砂摻量對磷酸鹽基隧道涂料性能的影響

圖3給出了養(yǎng)護時間分別為3d和15d時不同白剛玉砂摻量與隧道涂料粘結(jié)強度關(guān)系圖。

圖3 白剛玉砂摻量與涂料粘結(jié)強度關(guān)系圖Fig.3 Relationship between content of white corundum sand and bond strength of coatings

實驗結(jié)果表明：養(yǎng)護3 d的試件，白剛玉砂摻量為10%～30%的隧道防火涂料粘結(jié)強度比不摻白剛玉砂大，但白剛玉砂摻量40%的粘結(jié)強度比不加白剛玉砂低，其中白剛玉砂摻量為10%的涂料粘結(jié)強度最大，比不加白剛玉砂粘結(jié)強度增加了25%。養(yǎng)護15 d試件粘結(jié)強度規(guī)律相似，與養(yǎng)護3 d比較，其粘結(jié)強度平均增加了48%，效果較明顯。其原因：在水灰比一定情況下，隨著白剛玉砂摻量增加，降低防火涂料的干縮，提高漿體強度；當白剛玉砂摻量繼續(xù)增加，降低涂料的裹膠比，從而降低涂料粘結(jié)強度。

不同白剛玉砂摻量下，養(yǎng)護3 d的涂層試板燃燒試驗時，背面溫度變化與時間關(guān)系如圖4所示。圖4表明：隨著溫度增加，所需要的時間在增長，10%摻量涂料時間隨溫度增長幅度最大。養(yǎng)護3 d的試樣，白剛玉砂摻量為10%涂層試板，其背面達到250 ℃所需要的時間比40%摻量的增加了220 s。其原因為：白剛玉砂本身經(jīng)2 000 ℃以上高溫熔煉，主要成分為Al2O3，遇熱會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸熱，摻入適量的白剛玉砂，涂料的耐火性能提升。圖5為養(yǎng)護3 d和15 d不同摻量白剛玉砂的試件其背面達到250 ℃的時間圖，由圖可知，隨著白剛玉砂摻量增加，隧道涂料的燃燒時間出現(xiàn)先增加后減小。15 d試樣背面達到250 ℃所需要的時間比養(yǎng)護3 d的試樣略低，主要由于隨養(yǎng)護時間增加試件致密性的提高。

圖4 白剛玉砂摻量與涂料燃燒時間關(guān)系圖(養(yǎng)護3d)Fig.4 Relationship between content of white corundum sand and combustion time of coatings(3 d)

10%白剛玉砂摻量的隧道防火涂料粘結(jié)強度為0.16 MPa，達到隧道涂料規(guī)范要求(≥0.15 MPa)，其耐火性能最優(yōu)，故白剛玉砂最優(yōu)摻量為10%。

圖5 白剛玉砂摻量與試件耐火時間關(guān)系圖(3d，15d)Fig.5 Relationship between content of white corundum sand and refractory time of test specimen(3 d，15 d)

2.2 礦物摻合料對磷酸鎂基隧道涂料性能的影響

在確定白剛玉砂摻量為10%后，進行礦物摻合料的優(yōu)化。將富鎂廢渣粉A、硅灰、富鎂廢渣粉B這三種礦物摻合料進行平行比較，富鎂廢渣粉A以0%、10%、20%、30%的摻量變化，硅灰0%、5%、10%的摻量變化，富鎂廢渣粉B以0%、10%、20%的摻量變化，先選出不同種類的礦物摻合料各自的最優(yōu)摻量，再將最優(yōu)摻量的富鎂廢渣粉A、硅灰、富鎂廢渣粉B進行耐火性能的比較，選出這三種礦物摻合料中的耐火性能最優(yōu)的。實驗結(jié)果見表1。

由表1可知：養(yǎng)護3 d的試件，富鎂廢渣粉A摻量為30%時，試件的粘結(jié)強度最大，比不加富鎂廢渣粉A的增大了56.3%，比20%摻量富鎂廢渣粉A的增大了13.6%。其原因：富鎂廢渣粉A的細小顆粒能很好地填補涂料內(nèi)部的空隙，從而提高試件的粘結(jié)強度；養(yǎng)護15 d試件，摻富鎂廢渣粉A的粘結(jié)強度比養(yǎng)護3 d的平均增大了20%，富鎂廢渣粉A摻量30%的試件粘結(jié)強度最大，比養(yǎng)護3 d提高32%。其原因為：隨著養(yǎng)護時間的增加，富鎂廢渣粉A中的部分成分會發(fā)生水化反應(yīng)，改善涂料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而試件后期粘結(jié)強度會有一定增加。

從表1可知，養(yǎng)護3 d，富鎂廢渣粉A 30%摻量試件與20%試件燃燒試件耐火時間接近，但粘結(jié)強度增大了13.6%；養(yǎng)護15 d的試件來看，富鎂廢渣粉A摻量為30%試件燃燒耐火性能最好。究其原因為：富鎂廢渣粉A本身在1 500～1 700 ℃下形成，抗高溫性能好，隨著齡期的增長，富鎂廢渣粉A摻合料的水化效應(yīng)，能提高磷酸鹽基隧道涂料的耐火性能。

表1 不同摻量隧道防火涂料性能Tab.1 Performance of fire retardant coating of tunnels with different mixing proportion

試驗環(huán)境：富鎂廢渣粉A室溫：19.9℃(3d) 21℃(15d) 硅灰室溫：22℃(3d) 26.8℃(15d) 富鎂廢渣粉室溫：20.5℃(3d) 28.8℃(15d)

綜合考慮摻合料富鎂廢渣粉A選取30%為最優(yōu)摻量。

根據(jù)平行試驗結(jié)果，在粘結(jié)強度滿足規(guī)范要求前提下，重點考慮涂料的耐火性能影響為原則，確定硅灰最優(yōu)摻量為5%，富鎂廢渣粉B最優(yōu)摻量為10%。

為了優(yōu)選摻和料的種類和摻量，排除室溫對耐火性能的影響，在同室溫條件下，分別將最優(yōu)摻量的富鎂廢渣粉A、硅灰、富鎂廢渣粉B的隧道涂料試件進行耐火性能實驗。實驗結(jié)果表明：摻有5%硅灰涂料和30%富鎂廢渣粉A涂料耐火性能優(yōu)于10%富鎂廢渣粉B涂料，因此將摻量5%硅灰和30%摻量富鎂廢渣粉A作為最優(yōu)摻量進行下一輪試驗。

2.3 二氧化鈦對磷酸鎂基隧道涂料性能的影響

在最優(yōu)摻量30%富鎂廢渣粉A和硅灰5%基礎(chǔ)上再摻0.75%二氧化鈦進行防火涂料配方優(yōu)化。圖6和圖7給出了在摻有0.75%二氧化鈦涂料前后養(yǎng)護3 d和養(yǎng)護15 d的試件粘結(jié)強度對比圖，從圖中可以看出：養(yǎng)護3 d添加30%富鎂廢渣粉A隧道涂料，摻有0.75%二氧化鈦的試件粘結(jié)強度比不添加的增大4%。5%硅灰摻合料隧道涂料，摻有0.75%二氧化鈦的試件粘結(jié)強度比不添加的增大了7.7%；養(yǎng)護15 d的30%富鎂廢渣粉A摻合料的隧道涂料試件，摻0.75%二氧化鈦的試件其粘結(jié)強度比不添加的增大了6%。對5%硅灰摻合料隧道涂料，摻有0.75%二氧化鈦試件粘結(jié)強度比不添加的增大了23%。其原因為：二氧化鈦的細小顆?？梢蕴钛a漿體中的孔隙，從而添加二氧化鈦后的試件其粘結(jié)強度有一定的提高，且在5%硅灰涂料中效果顯著。

圖8為添加二氧化鈦前后耐火性能對比圖，由圖可知：第一組富鎂廢渣粉A試件添加二氧化鈦后其背面達到250 ℃所需要的時間比不添加延長了37 s，第二組硅灰試件延長了47 s。其原因為：二氧化鈦形成于高溫下，熔點為1 560～1 580 ℃，具有紅外熱反射功能，添加二氧化鈦可以優(yōu)化基于磷酸鹽為膠粘劑的隧道涂料的耐火性能。因此將摻量5%硅灰+0.75%二氧化鈦作為最優(yōu)摻量進行下一輪試驗。

圖6 添加二氧化鈦前后隧道涂料粘結(jié)強度對比圖 (養(yǎng)護3 d)Fig.6 Contrast diagram of bond strength of tunnel coatings before and after adding TiO2(3 d)

圖7 添加二氧化鈦前后隧道涂料粘結(jié)強度對比圖 (養(yǎng)護15 d)Fig.7 Contrast diagram of bond strength of tunnel coatings before and after adding TiO2(15 d)

圖8 添加二氧化鈦前后涂料耐火性能對比圖(3 d)Fig.8 Contrast diagram of fire resistance of tunnel coatings before and after adding TiO2(3 d)

2.4 蛭石摻量對磷酸鹽基隧道涂料性能的影響

圖9給出了不同摻量蛭石與磷酸鹽基隧道涂料粘結(jié)強度關(guān)系圖，粘結(jié)強度實驗分兩組，一組養(yǎng)護3 d，一組養(yǎng)護15 d。實驗結(jié)果表明：隨蛭石摻量的增加，隧道涂料的粘結(jié)強度先增大后減小，80%摻量試件粘結(jié)強度最大；養(yǎng)護3d試件，80%摻量試件粘結(jié)強度比70%摻量增大了14.3%，相比100%摻量蛭石的增大1倍；養(yǎng)護15 d的改性隧道防火涂料粘結(jié)強度比養(yǎng)護3 d的平均增大了70.8%，從曲線斜率看出，摻量到達90%后，若繼續(xù)增加，涂料的粘結(jié)強度下降明顯。

圖9 蛭石摻量與隧道涂料粘結(jié)強度關(guān)系圖Fig.9 The relationship between bond strength of tunnel coatings and amount of vermiculite

不同養(yǎng)護時間下蛭石摻量與磷酸鹽基隧道涂料耐火性能關(guān)系如圖10和圖11所示，從圖10可看出：隨著蛭石摻量的增加，基于磷酸鹽為膠粘劑的隧道涂料(養(yǎng)護3 d)的燃燒時間先增大后減小，90%摻量蛭石試件耐火性能達到最好，其背面達到250 ℃所需要的時間比70%摻量蛭石的延長了89 s，分析原因為：蛭石在遭遇高溫時可迅速膨脹6～20倍，具有很強的保溫隔熱作用，但過高摻量會抵消其他摻合料防火性能。

圖10 不同摻量蛭石試件耐火性能圖(養(yǎng)護3d)Fig.10 Refractory performance diagram under different content of vermiculite specimen(3 d)

圖11 不同摻量蛭石試件耐火性能(養(yǎng)護15d)Fig.11 Refractory performance diagram under different content of vermiculite specimen(15 d)

對比圖10與圖11每一小段的曲線：養(yǎng)護15 d的試件其蛭石摻量-時間曲線斜率相比于養(yǎng)護3 d的更大，表明隨著齡期的增長，蛭石摻量對基于磷酸鹽為膠粘劑的隧道涂料其耐火性能的影響更顯著。

2.5 綜合條件試驗

在前述試驗基礎(chǔ)上，確定了一組優(yōu)化的隧道防火涂料配方，新型磷酸鹽膠粘劑：白剛玉砂∶硅灰∶二氧化鈦∶蛭石=1∶0.1∶0.05∶0.007 5∶0.9。該配方涂料涂層按《預(yù)應(yīng)力混凝土樓板防火涂料通用技術(shù)條件》GA98-1995 進行綜合質(zhì)量檢測。

檢測結(jié)果表明，各項指標均優(yōu)于隧道防火涂料國家規(guī)范要求。尤其粘結(jié)強度、耐火性能、抗冷凍循環(huán)性，遠超過國家標準要求。

3 結(jié)論

基于試驗分析不同摻合料種類和摻量對磷酸鹽基隧道涂料粘結(jié)強度、耐火性能等的影響，主要結(jié)論如下：

(1)白剛玉砂對磷酸鎂基隧道涂料其耐火性能有明顯影響，摻量為10%時，隧道涂料防火性能最好，涂料粘結(jié)強度超過規(guī)范要求。

(2)30%摻量富鎂廢渣粉A的涂料粘結(jié)強度最高，硅灰摻量5%時的試件耐火性能最好，養(yǎng)護3 d和15 d的粘結(jié)強度均超過符合規(guī)范(≥0.15 MPa)的要求。加入摻量為0.75%的二氧化鈦其粘結(jié)強度和耐火性能得到有效優(yōu)化。蛭石摻量對磷酸鹽基隧道涂料的耐火性能影響顯著，90%摻量蛭石隧道防火涂料耐火性能最好。

(3)優(yōu)化設(shè)計配方的隧道防火涂料各項指標均優(yōu)于國家標準。

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Composition Structure Design and Properties Study of Phosphate-based Fire Retardant Coating of Tunnels

Sun Houchao1，Ma Aiqun1，Shi Feiting1，Dai Shaohui2，Liu Jing1

(1.College of Civil Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051；2.Nanjing Construction Engineering Group Co.，Ltd.Nanjing 210012)

In order to improve the fire resistance performance of concrete tunnel structure and reduce the fire damage，the splitting tests and fire resistance experiments of concrete structure with phosphate-based fire retardant coating were carried out to reveal the relationship between composition and performance of phosphate-based fire retardant coating of tunnels.The influence of filler and additive on the adhesive strength and burning time were discussed in detail.The results showed that the best proportion for phosphate-based tunnel fireproof coating material was 10% white corundum sand，5% silica fume，0.75% TiO2，and 90% vermiculite.The adhesive strength of the composition can well meet the requirement of criterion，and has optimum fire-resistant capacity.The test indexes of the fireproof coatings configured in this study are superior to the national standard.

phosphate adhesive；tunnel fire retardant coating；adhesive strength；fire-resistant capacity

2016-09-14

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項目(2014-K4-024)

孫厚超，博士，副教授。研究方向：巖土與地下工程的教學(xué)與研究.。E-mail：sunhouchao1975@ 163.com

孫厚超，馬愛群，石飛停，等.磷酸鹽隧道防火涂料組成結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究[J].森林工程，2017，33(3)：110-115.

TU 435

A

1001-005X(2017)03-0110-06