地質聚合物隧道防火涂料配方設計及應用

景宏君，景宏彬，艾 濤，楊宗斌

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054； 2.陜西省水務集團有限公司，陜西 西安 710068；3.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064； 4.陜西省安康市交通運輸局，陜西 安康 725000)

地質聚合物隧道防火涂料配方設計及應用

景宏君1，景宏彬2，艾 濤3，楊宗斌4

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054； 2.陜西省水務集團有限公司，陜西 西安 710068；3.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064； 4.陜西省安康市交通運輸局，陜西 安康 725000)

為了評價自制地質聚合物隧道防火涂料在不同隧道類型等級條件下的適用性，以粉煤灰地質聚合物作為黏結劑，多種輕質礦物材料作為骨料，通過耐火、耐酸堿性、抗沾污、耐水性、耐冷熱凍融性等多種物理化學性能測試，分析發泡劑、膠粉、耐火骨料以及SiO2氣凝膠對涂料耐火性能、黏結性能等的影響。經過室內及工程實際測試，發現篩選出的隧道防火涂料配方的各項性能均優于相關技術規范指標的要求。

隧道工程；地質聚合物；黏結性能；隧道防火涂料

0 引 言

隧道是一種與外界直接連通有限的、相對封閉的建筑物。隧道內有限的逃生條件和熱煙排除出口，導致隧道火災具有燃燒后溫度升高較快、持續時間長、著火范圍較大、消防撲救與人員疏散困難、隧道襯砌和結構易受到破壞等特點，一旦發生火災，其直接損失和間接損失巨大。從材料性價比和施工難易性考慮，目前較為簡單可行的防火措施是噴涂隧道專用防火涂料[1-3]。通常隧道防火涂料由黏結劑、無機隔熱材料、助劑等組成，根據隧道防火涂料性能要求和使用環境進行配方設計時，須考慮其與基材的黏結性、均衡的熱力學性質等因素，并使無機隔熱材料有一定級配，這樣配制出的防火涂料才能具有高黏結性、不燃性、低導熱性和吸熱的防火隔熱性質[4]。

在隧道防火涂料方面，國內外目前的研究成果普遍存在裝飾性差、黏結強度低、過厚易脫落等缺陷，以及防火等級低、涂層毒性較大的問題[5-11]。本文以粉煤灰地質聚合物為基體材料，以膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、海泡石作為輕質骨料，以鋁粉和雙氧水、表面活性劑分別作為發泡劑和穩泡劑，研究不同助劑對其耐水性、黏結性能的影響，優選出密度低、質輕、防火性能和黏結強度高、易施工、性價比高的隧道用環保型防火涂料，以解決現實的隧道防火難題。

1 試驗材料選擇

黏結劑由CA50型鋁酸鹽水泥、粉煤灰、模數2.1的水玻璃、NaOH和化學純試劑等配制而成。耐溫隔熱骨料采用膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、海泡石等。發泡劑采用水溶性鋁粉。其他助劑采用可再分散性乳膠粉、滲透結晶母粒、引氣劑、減水劑等。

2 隧道防火涂料的制備

(1)粉煤灰的篩選及加工。選擇不同生產廠家的粉煤灰，采用X射線光譜測定其成分，掃描電鏡分析其顯微結構，并根據需要將粉煤灰原灰用行星式球磨機粉磨 60 min得到磨細灰。

(2)激發劑的制作。水玻璃、氫氧化鈉和水按一定質量配制激發劑，陳化一定時間后待用。

(3)粉煤灰的活性測定。室溫下用維卡儀測定粉煤灰地質聚合物的初始和最后固化凝結時間，每2、5、10 min分別測試其針入度[12]。

(4)地質聚合物發泡。以雙氧水為發泡劑，將其與表面活性劑和激發劑混合均勻后加入粉煤灰，攪拌均勻；之后倒入模具，用塑料自封袋密封，放入養護箱養護24 h后取出脫模；空氣中自然干燥28 d后，得到地質聚合物輕質材料樣品[13-14]。將樣品切割成規則形狀，測試抗壓強度、體積和質量，求出樣品的表觀密度。用馬弗爐對樣品進行鍛燒，對樣品的耐高溫性能進行研究。

(5)隧道防火涂料的制備。隧道防火涂料的制備流程如圖1所示。

圖1 隧道防火涂料制備流程

3 粉煤灰測試

3.1 粉煤灰篩選

粉煤灰一般呈灰褐色、酸性、球狀顆粒。依據煤種和粉煤灰中氧化物含量的不同，可將其分為F類(低鈣粉煤灰)和C類(高鈣粉煤灰)，一般前者為制作地質聚合物涂料的首選原料[15]。

3.2 粉煤灰成分分析

因粉煤灰中鈣含量過高會影響聚合過程，改變微觀結構，本研究選用4種不同類型粉煤灰進行成分分析，結果見表1。可以看出，幾種粉煤灰都屬于F類，可用作地質聚合物涂料原材料。

表1 粉煤灰成分組成 %

3.3 粉煤灰顯微分析

圖2為4種粉煤灰顯微分析照片。可以看出，4種粉煤灰都有團聚現象，球形珠尺寸基本都小于10 μm，符合地質聚合物對粉煤灰的要求，但仍需要球磨加工。另外，從圖3電鏡圖中可知，粉煤灰的大球中還包含有較多小球，這些大球需進行球磨加工破碎成微小球，這樣粉煤灰的活性才可進一步釋放。圖4為粉煤灰球磨60 min后的顯微照片，可以看出，粉煤灰中中間顆粒的大小基本不再變化，細顆粒的細度明顯減小，消除了球形珠的分級現象。

圖2 粉煤灰顯微分析

圖3 粉煤灰中球珠電鏡放大

圖4 球磨后粉煤灰微觀狀態

3.4 粉煤灰反應活性測定

不同來源粉煤灰的反應活性測定結果見表2。由表2可知，西安灰活性最好，凝結時間也符合工作期的要求。因此，篩選出西安灰作為本研究地質聚合物的原材料。

表2 粉煤灰反應活性測定結果

4 地質聚合物性能影響分析

本研究根據表3中正交試驗方案分別進行地聚物發泡，固化28 d后，測試其密度、抗壓強度，并進行影響因素分析。

表3 正交試驗方案

4.1 發泡劑和引氣劑用量的影響

樣品中均加入了引氣劑，圖5、6分別為發泡劑用量和引氣劑用量對樣品抗壓強度和密度的影響。從圖5可以看出，樣品密度隨發泡劑用量的增加呈線性下降趨勢，抗壓強度也同樣不斷下降。這主要是因為：發泡劑增加，放出的氣體也增多，樣品中氣孔增加導致密度和抗壓強度下降。

圖5 發泡劑用量對地質聚合物性能的影響

圖6 引氣劑用量對地質聚合物性能的影響

由圖6可以看出，樣品抗壓強度隨表面活性劑用量的增加而升高，但其密度在達到最高值后又開始下降。即通過控制引氣劑加入量來控制樣品的密度和抗壓強度，能使其密度保持較低值，抗壓強度保持較高值。

圖7為本研究中發泡樣品的顯微照片，可以看出，未加入引氣劑樣品的孔徑大小基本都在2～10 mm之間，加入引氣劑后孔徑明顯變小，且更均勻，使得樣品密度上升。

圖7 引氣劑對發泡的影響

4.2 發泡對地質聚合物耐火性和黏結性的影響

發泡前后地質聚合物耐火極限和黏結性能測試結果見表4。可以看出，地質聚合物發泡后，其黏結性能大幅度下降，特別是不加引氣劑發泡的地質聚合物表面變得疏松，有效黏結面積變小，導致黏結性能劣化。另外，不加引氣劑發泡的地質聚合物內部孔道較大，且為開孔，導致其絕熱性能下降；加入引氣劑發泡的地質聚合物表面呈微孔，且多為閉孔，從而提高了其絕熱性能。

表4 發泡前后地質聚合物的耐火性能和黏結性能

4.3 膠粉對地質聚合物黏結性能的影響

圖8為加入膠粉后地聚合物涂料黏結性能曲線，可以看出：隧道防火涂料黏結強度隨膠粉加入量的增大而增大；但在試驗中發現膠粉用量越大，涂料固化時間越長，因此經過對比，選擇3%的膠粉量作為涂料配方最佳加入量。

圖8 膠粉對地質聚合物黏結性能的影響

4.4 耐火骨料對地質聚合物耐火性能的影響

選擇膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、玻璃微珠、海泡石等不同粒徑輕質耐火骨料組成密集配，并與地質聚合物黏結劑配成涂料，進行耐火試驗，結果見表5。可以看出，膨脹珍珠巖的耐火性優于蛭石，但膨脹珍珠巖與水的親和性不佳，涂料和易性差。同樣，玻璃微珠也存在和易性差問題。膨脹蛭石、海泡石與水親和性良好，形成的涂料拌和性良好。

4.5 二氧化硅氣凝膠對涂料耐火極限影響

SiO2氣凝膠具有質輕、熱導率極低、耐高溫等特性[16-18]， 本研究配方中添加5% SiO2氣凝膠后，涂料耐火極限提高約30 min，達到了減薄防火涂料厚度的目的。

表5 耐火骨料對涂料耐火極限的影響

4.6 耐水劑對涂料耐火性能的影響

本研究分別選擇可分散性膠粉與水泥形成的聚合物水泥和滲透結晶母粒作為涂料耐水劑，通過變化兩者用量，觀察涂料浸泡水前后的狀態變化。試驗結果表明，摻量為3%的滲透結晶母粒可使涂料的耐水性能大幅度提高，而且從經濟角度分析，其價格較為低廉，是一種良好的耐水劑。

5 隧道防火涂料配方及其性能

確定隧道防火涂料配方，見表6，其各項性能測試結果見表7。

表6 隧道基層防火涂料配方

表7 隧道防火涂料性能

6 結 語

(1)粉煤灰地質聚合物經適度發泡可提高其耐火極限；添加3%的可分散性膠粉可提高粉煤灰地質聚合物的黏結性能，且其固化時間適于施工；添加3%的滲透結晶母粒可使粉煤灰地聚合物防火涂料具有一定的防水性能；添加SiO2氣凝膠可明顯提高粉煤灰地質聚合物防火涂料的耐火極限。

(2)優選出的粉煤灰地質聚合物防火涂料配方為：激發劑、可分散性膠粉、粉煤灰、高鋁水泥、SiO2氣凝膠、珍珠巖、海泡石、蛭石、發泡劑、引氣劑、塑化劑、滲透結晶母粒的比例為44∶3∶80∶20∶0.03∶4∶2∶10∶10∶0.1∶1∶3；優選出的粉煤灰地質聚合物防火涂料配方防火性能優良，各項性能符合指標要求。

(3)目前，該配方涂料已應用到國道312陜西咸陽境內長1 100 m的某隧道中，用戶反映實際應用效果較好，下一步可進行更大范圍的推廣應用。

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FormulationDesignandApplicationofGeopolymerasTunnelFireproofCoating

JING Hong-jun1, JING Hong-bin2, AI Tao3, YANG Zong-bin4

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054,Shaanxi, China; 2. Shaanxi Water Affair Group Co., Ltd., Xi’an 710068, Shaanxi, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China；4. Ankang Transportation Bureau, Ankang 725000, Shaanxi, China)

In order to evaluate the applicability of self-made tunnel fireproof coating with geopolymer in different types and grades of tunnels, with geopolymer made from fly ash as binder and a variety of lightweight mineral materials as aggregate, the effects of foaming agent, rubber powder, refractory aggregate and SiO2aerogel on the fire resistance and bonding properties of the coating were analyzed by means of a series of tests on the resistance to fire, acid-base, stain, water and freeze-thaw cycle. It was found by indoor tests and engineering practice that the selected tunnel fireproof coating formulation has better properties than required by relevant technical specifications.

tunnel engineering; geopolymer; bonding property; tunnel fireproof coating

U414.45

B

1000-033X(2017)11-0072-05

2017-04-13

國家自然科學基金項目(51608041)；交通運輸部西部交通建設科技項目(2011 318 812 1720)

景宏君(1974-)，男，陜西吳堡人，正高級工程師，工學博士，從事土木工程方面的教學與研究工作。

[責任編輯:杜敏浩]