复配型隧道防火涂料的研究
发布日期：2011/10/8 中冶集团建筑研究总院 作者：陈夙，刘军辉，杨力，仲晓林

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

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。

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×70mm×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。

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）=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。

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]。

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。

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。

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。