气凝胶超级绝热复合材料对钢结构的防火性能

钟支葵，葛全伟，吴会军，丁云飞

（1.广州大学 土木工程学院，广东 广州　510006；2.河南省清丰县住房和城乡建设局，河南 清丰　457300）

气凝胶超级绝热复合材料对钢结构的防火性能

钟支葵1，葛全伟2，吴会军1，丁云飞1

（1.广州大学 土木工程学院，广东 广州510006；2.河南省清丰县住房和城乡建设局，河南 清丰457300）

以耐火硅酸铝纤维为支撑体，超级绝热SiO2气凝胶为填充介质，制备了硅酸铝纤维/气凝胶超级绝热复合材料，表征了复合材料的微观结构和导热系数，测试了不同厚度复合材料对钢结构防火性能的影响。结果表明，复合材料具有纳米多孔结构和超低导热系数［0.0251 W/（m·K）］，钢板在3 mm厚复合材料保护下，经800℃持续加热1 h后钢板表面温度为121.55℃，远低于钢结构的软化温度，具有优异的防火和安全性能。

钢结构；防火；气凝胶；绝热

0　前言

钢结构因具有构件截面小、自重轻、运输安装方便、可回收再利用等特点，作为绿色建筑材料和结构目前已广泛应用于超高层建筑、机场、车站、科技场馆等建筑。但钢结构的耐火性差，在正常荷载情况下，500℃左右时钢结构即会失去承载作用，而火场温度通常会在10 min内上升至800℃以上，裸露的钢结构很快会出现变形情况，产生局部破坏，最终失去承载力［1］，引起坍塌，造成严重的伤亡事故和经济损失。

近年来，为提高钢结构的防火性能，已有多种防火方法，其中轻质高强，具有优良防火性能的防火板法逐渐得到越来越多的关注和应用［2］。徐国强等［3］把目前绝热性能优良的SiO2气凝胶超级绝热材料与硅酸钙复合制备出硅酸钙/气凝胶复合材料，用于钢结构防火，并采用ANSYS有限元软件分析了硅酸钙防火板的耐火性能，发现其耐火极限是普通防火涂料的2.5倍，与常规防火材料相比，气凝胶超级绝热复合材料大幅提高了钢结构防火材料的隔热和防火性能。

SiO2气凝胶的纳米多孔结构对热流具有超低导热、无对流和无穷多遮热板效应，使其有效导热系数［低至0.013W/（m·K）］低于同温度下的空气，具有超级绝热和良好的防火性能，作为隔热保温材料广泛应用于飞机和航天、化学工程、建筑结构等领域［4-9］。Hansen和Frame［10］对SiO2气凝胶保温材料、陶瓷保温纸、氧化硅保温垫、干料湿料硅保温垫、陶瓷隔热层进行了耐火实验测试，发现仅SiO2气凝胶材料是耐火测试中唯一没有穿孔而具有良好性能的耐火材料。Motahari和Abolghasemi［11］对厚度为4 mm的玻璃纤维/气凝胶复合材料进行了钢板防火性能测试，发现经玻璃纤维/气凝胶复合材料防火处理后钢板侧温度达到300℃时需要42 min，有效改善了钢板的耐火性能，但由于玻璃纤维高温下易融、耐高温性能差，限制了玻璃纤维/气凝胶复合材料的防火应用。

针对目前钢结构防火材料存在的问题，本文拟以耐火硅酸铝纤维为支撑体、超级绝热SiO2气凝胶为孔隙填充介质，制备硅酸铝纤维/SiO2气凝胶超级绝热材料的高性能防火复合材料，并通过钢结构防火性能测试研究气凝胶超级绝热复合材料在钢结构中的发展与应用。

1　硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的实验制备

1.1试剂与原材料

正硅酸乙酯：分析纯，天津福晨化学试剂厂；无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷、氨水：分析纯，天津百世化工有限公司；盐酸：分析纯，广东光华化学厂有限公司；N，N—二甲基甲酰胺：分析纯，天津富宇精细化工有限公司；硅酸铝纤维毡：淄博鼎荣高温材料有限公司。

1.2硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的制备

以耐火硅酸铝纤维为支撑体、超级绝热SiO2气凝胶为孔隙填充介质制备出硅酸铝纤维/气凝胶超级绝热复合材料，主要步骤包括：以正硅酸乙酯（TEOS）、去离子水为原料，无水乙醇为溶剂，盐酸和氨水为催化剂，在酸性条件下进行水解反应［见式（1）］，加入碱之后进行缩聚反应［见式（2）］，制备SiO2溶胶；将得到的SiO2溶胶加入到硅酸铝耐火纤维毡中，经凝胶、改性、常压干燥制备硅酸铝纤维/气凝胶复合材料，具体制备工艺参数见文献［12］。

2　硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的性能测试

2.1微观形貌表征

硅酸铝纤维/气凝胶复合材料为多孔纳米材料。采用日本电子株式会社生产的型号为JSM7001F的场发射扫描电镜观察气凝胶、硅酸铝纤维的微观形貌，分析气凝胶微观骨架结构，定性分析其孔洞大小、硅酸铝纤维直径及纤维分布，以及分析硅酸铝纤维与气凝胶的结合情况；表征硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的微观形貌。在表征前先对样品进行表面喷金处理。

2.2防火性能测试

根据GB 14907—2002《钢结构防火涂料》中钢结构防火涂料分类，按使用厚度可分为：超薄型钢结构防火涂料（涂层厚度≤3mm），薄型钢结构防火涂料（3mm＜涂层厚度≤7 mm），厚型钢结构防火涂料（7 mm＜涂层厚度≤45 mm）。实验测试厚度分别为3 mm、6 mm及12 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料对钢结构防火性能的影响。

将不同厚度的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料（尺寸为11 cm× 11 cm）并排紧贴2块5 mm厚的钢板（尺寸为10 cm×10 cm）进行防火性能测试。用丁烷火焰对准硅酸铝纤维/气凝胶复合物外侧表面，采用Testo435温度测试记录仪测试硅酸铝纤维/气凝胶表面处的温度，通过调节喷枪与硅酸铝纤维/气凝胶复合物的距离维持温度在800℃左右，使用K型热电偶夹（紧贴）在2块钢板中间对钢板表面的温度进行测试，采用Agilent数据采集仪记录钢板侧温度。

测试过程中，硅酸铝纤维/气凝胶复合材料受热处温度用K型（NiCr-Ni）热电偶探头，量程-200～1370℃，精度±0.3℃（-60.0～60.0℃），±0.5%（其余量程）；测量2块钢板表面的温度用K型热电偶量程为0～400℃，精度为±1%。

2.3导热系数测试

采用瑞典Hot Disk公司生产的TPS2500瞬变热常数测试仪测试硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的导热系数，测试过程中将测试探头放在2个表面平整的样品中间，盖上全黑盖子以减少外界的能量对其测试结果的影响，测试过程中要求上下2个与探头接触的样品表面平整。

3　结果与讨论

3.1硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的微观结构及导热系数

图1为硅酸铝纤维、硅酸铝纤维/气凝胶复合材料、气凝胶的SEM照片。表1为气凝胶复合材料与常规防火材料的密度及导热系数。

图1　硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的微观形貌及结构

从图1（a）可以看出，所用硅酸铝纤维毡是杂乱无序的微米结构材料，直径约为2～12 μm；从图1（b）可以看出，以硅酸铝纤维为支撑体、气凝胶为孔隙填充介质，且硅酸铝纤维与气凝胶的界面结合呈现出鳞状结合，从而制备出成块性好的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料；从图1（c）可以看出，SiO2气凝胶具有较均匀的纳米多孔网络结构，孔径大多在50 nm以下，说明硅酸铝纤维/气凝胶中的气凝胶具有纳米级孔洞结构。

表1　气凝胶复合材料与常规防火材料的密度及导热系数

由表1可知，硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的导热系数为（0.0251±0.0005）W/（m·K），膨胀珍珠岩板和膨胀蛭石防火板［13］的导热系数分别为0.055～0.116 W/（m·K）和0.111～0.141 W/（m·K），硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的导热系数最小。

由微米级的硅酸铝纤维为支撑体、纳米级的气凝胶为孔隙填充介质制备的超级绝热的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料，具有超低导热系数和优异的防火性能，这是由于其纳米多孔结构，气凝胶的纳米孔隙使气孔内的空气分子失去了自由流动的能力，只能直接与气孔壁发生弹性碰撞而保留自身的速度与能量，这是材料处于近视真空状态，即产生“零对流效应”。由于材料内气孔均为纳米级气孔，再加上材料本身的极低的体积密度，使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”，对于每一个气孔壁来说都具有遮阳板的作用，因而产生近于“无穷多遮挡板”的效应，从而使辐射传热下降到几乎最低极限；近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递，近无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

3.2硅酸铝纤维/气凝胶复合材料对钢结构

防火性能的影响

图2（a）为硅酸铝纤维/气凝胶复合材料钢结构防火装置模型。在钢板1上直接测试钢板侧温度，会因热电偶与空气之间产生对流换热，产生很大的波动，可增加钢板2避免对流换热。2块钢板表面温度由K型热电偶（0～400℃）测试，并由安捷伦数据采集仪收集数据；硅酸铝纤维/气凝胶复合材料表面处的温度由K型（NiCr-Ni）热电偶探头测试并由Testo435-4采集温度数据。图2（b）为3 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料在耐火测试中的图片，图2（c）为3 mm的复合材料在测试1 h后样品受热侧图片，可见3 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料在测试1 h后没有产生融化和穿孔的现象。

图2　硅酸铝纤维/气凝胶复合材料钢结构防火性能测试

图3是硅酸铝纤维/气凝胶复合材料表面的温度测试结果，图4为钢板表面的温度变化。

图3　硅酸铝纤维/气凝胶复合材料表面的温度

图4　钢板表面的温度变化

由图3可见，3种厚度的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料表面温度基本在800℃上下波动，喷枪上的热流温度难维持在800℃不变，温度点主要分布在700～900℃区间，但钢板表面温度变化是稳定的（见图4），说明钢板表面的温度不随着复合材料表面温度在800℃波动而受到太大的影响。

由图4可以看出，用3 mm（超薄型）、6 mm（薄型）、12 mm（厚型）的硅酸铝纤维/气凝胶复合物在钢板防火性能测试中，厚度越大钢板表面温度越低。3 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的钢板表面温度在0.7～0.8 h时间段温度上升3.2℃，在0.8～0.9 h时间段温度上升1.8℃，在0.9～1.0 h时间段温度上升1.3℃。经对钢板表面温度曲线分析，在1.0 h测试过程中，钢板表面的温度上升速度越来越慢。6 mm、12 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合物的钢板表面温度在0.9～1.0 h时间段温度均上升了0.3℃，在6 min内上升的温度非常低。测试1.0 h时，3 mm、6 mm及12 mm的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料的钢板表面温度分别为121.55℃、96.25℃、78.17℃，远低于钢结构的软化温度。

4　结语

实验制备了导热系数为0.0251W/（m·K）的硅酸铝纤维/气凝胶复合材料，防火性能测试结果表明，复合材料对钢结构起到了良好的防火性能，以厚度为3 mm的复合材料为例，在800℃温度下持续加热1 h后经复合材料防护的钢板表面温度仅升至121.55℃，远低于钢结构的软化温度（300℃），因此硅酸铝纤维/气凝胶复合材料对钢结构具有良好的防火性能，在超高层建筑、机场、车站、科技场馆等建筑中具有广泛的应用前景。

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Fire retardant performance of super-thermal insulating aerogels for steel structure

ZHONG Zhikui1，GE Quanwei2，WU Huijun1，DING Yunfei1
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China；2.Qingfeng County，Henan Province，Housing and Urban Construction Bureau，Qingfeng 457300，Henan，China）

Aluminum silicate fiber/SiO2aerogel composites with super thermal insulation were successfully prepared by using aluminum silicate fiber as reinforcing materials and SiO2aerogels as filling materials.The microstructures and thermal conductivity of the composites were characterized and the fire retardant performance of various thickness were investigated.The results indicated that the composites had nano-porous structure and super-low thermal conductivity 0.0251 W/（m·K）.Under the protection of 3 mm-thick composite，the steel plate side temperature heated at 800℃ for 1 h could keep at 121.55℃，which was significantly lower than the softening temperature of the steel structure.Therefore，the as-prepared silicate fiber/aerogel composites had excellent fire retardant and security performance.

steel structures，fire retardant，aerogels，thermal insulation

TU545

A

1001-702X（2015）11-0054-04

广东省自然科学杰出青年基金项目（S2013050014139）；广东省科技计划重大专项项目（2012A010800033）

2015-08-18

钟支葵，男，1992年生，江西瑞金人，硕士研究生。