地质聚合物隧道防火涂料配方设计及应用

景宏君，景宏彬，艾 涛，杨宗斌

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054； 2.陕西省水务集团有限公司，陕西 西安 710068；3.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064； 4.陕西省安康市交通运输局，陕西 安康 725000)

地质聚合物隧道防火涂料配方设计及应用

景宏君1，景宏彬2，艾 涛3，杨宗斌4

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054； 2.陕西省水务集团有限公司，陕西 西安 710068；3.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064； 4.陕西省安康市交通运输局，陕西 安康 725000)

为了评价自制地质聚合物隧道防火涂料在不同隧道类型等级条件下的适用性，以粉煤灰地质聚合物作为黏结剂，多种轻质矿物材料作为骨料，通过耐火、耐酸碱性、抗沾污、耐水性、耐冷热冻融性等多种物理化学性能测试，分析发泡剂、胶粉、耐火骨料以及SiO2气凝胶对涂料耐火性能、黏结性能等的影响。经过室内及工程实际测试，发现筛选出的隧道防火涂料配方的各项性能均优于相关技术规范指标的要求。

隧道工程；地质聚合物；黏结性能；隧道防火涂料

0 引 言

隧道是一种与外界直接连通有限的、相对封闭的建筑物。隧道内有限的逃生条件和热烟排除出口，导致隧道火灾具有燃烧后温度升高较快、持续时间长、着火范围较大、消防扑救与人员疏散困难、隧道衬砌和结构易受到破坏等特点，一旦发生火灾，其直接损失和间接损失巨大。从材料性价比和施工难易性考虑，目前较为简单可行的防火措施是喷涂隧道专用防火涂料[1-3]。通常隧道防火涂料由黏结剂、无机隔热材料、助剂等组成，根据隧道防火涂料性能要求和使用环境进行配方设计时，须考虑其与基材的黏结性、均衡的热力学性质等因素，并使无机隔热材料有一定级配，这样配制出的防火涂料才能具有高黏结性、不燃性、低导热性和吸热的防火隔热性质[4]。

在隧道防火涂料方面，国内外目前的研究成果普遍存在装饰性差、黏结强度低、过厚易脱落等缺陷，以及防火等级低、涂层毒性较大的问题[5-11]。本文以粉煤灰地质聚合物为基体材料，以膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石作为轻质骨料，以铝粉和双氧水、表面活性剂分别作为发泡剂和稳泡剂，研究不同助剂对其耐水性、黏结性能的影响，优选出密度低、质轻、防火性能和黏结强度高、易施工、性价比高的隧道用环保型防火涂料，以解决现实的隧道防火难题。

1 试验材料选择

黏结剂由CA50型铝酸盐水泥、粉煤灰、模数2.1的水玻璃、NaOH和化学纯试剂等配制而成。耐温隔热骨料采用膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石等。发泡剂采用水溶性铝粉。其他助剂采用可再分散性乳胶粉、渗透结晶母粒、引气剂、减水剂等。

2 隧道防火涂料的制备

(1)粉煤灰的筛选及加工。选择不同生产厂家的粉煤灰，采用X射线光谱测定其成分，扫描电镜分析其显微结构，并根据需要将粉煤灰原灰用行星式球磨机粉磨 60 min得到磨细灰。

(2)激发剂的制作。水玻璃、氢氧化钠和水按一定质量配制激发剂，陈化一定时间后待用。

(3)粉煤灰的活性测定。室温下用维卡仪测定粉煤灰地质聚合物的初始和最后固化凝结时间，每2、5、10 min分别测试其针入度[12]。

(4)地质聚合物发泡。以双氧水为发泡剂，将其与表面活性剂和激发剂混合均匀后加入粉煤灰，搅拌均匀；之后倒入模具，用塑料自封袋密封，放入养护箱养护24 h后取出脱模；空气中自然干燥28 d后，得到地质聚合物轻质材料样品[13-14]。将样品切割成规则形状，测试抗压强度、体积和质量，求出样品的表观密度。用马弗炉对样品进行锻烧，对样品的耐高温性能进行研究。

(5)隧道防火涂料的制备。隧道防火涂料的制备流程如图1所示。

图1 隧道防火涂料制备流程

3 粉煤灰测试

3.1 粉煤灰筛选

粉煤灰一般呈灰褐色、酸性、球状颗粒。依据煤种和粉煤灰中氧化物含量的不同，可将其分为F类(低钙粉煤灰)和C类(高钙粉煤灰)，一般前者为制作地质聚合物涂料的首选原料[15]。

3.2 粉煤灰成分分析

因粉煤灰中钙含量过高会影响聚合过程，改变微观结构，本研究选用4种不同类型粉煤灰进行成分分析，结果见表1。可以看出，几种粉煤灰都属于F类，可用作地质聚合物涂料原材料。

表1 粉煤灰成分组成 %

3.3 粉煤灰显微分析

图2为4种粉煤灰显微分析照片。可以看出，4种粉煤灰都有团聚现象，球形珠尺寸基本都小于10 μm，符合地质聚合物对粉煤灰的要求，但仍需要球磨加工。另外，从图3电镜图中可知，粉煤灰的大球中还包含有较多小球，这些大球需进行球磨加工破碎成微小球，这样粉煤灰的活性才可进一步释放。图4为粉煤灰球磨60 min后的显微照片，可以看出，粉煤灰中中间颗粒的大小基本不再变化，细颗粒的细度明显减小，消除了球形珠的分级现象。

图2 粉煤灰显微分析

图3 粉煤灰中球珠电镜放大

图4 球磨后粉煤灰微观状态

3.4 粉煤灰反应活性测定

不同来源粉煤灰的反应活性测定结果见表2。由表2可知，西安灰活性最好，凝结时间也符合工作期的要求。因此，筛选出西安灰作为本研究地质聚合物的原材料。

表2 粉煤灰反应活性测定结果

4 地质聚合物性能影响分析

本研究根据表3中正交试验方案分别进行地聚物发泡，固化28 d后，测试其密度、抗压强度，并进行影响因素分析。

表3 正交试验方案

4.1 发泡剂和引气剂用量的影响

样品中均加入了引气剂，图5、6分别为发泡剂用量和引气剂用量对样品抗压强度和密度的影响。从图5可以看出，样品密度随发泡剂用量的增加呈线性下降趋势，抗压强度也同样不断下降。这主要是因为：发泡剂增加，放出的气体也增多，样品中气孔增加导致密度和抗压强度下降。

图5 发泡剂用量对地质聚合物性能的影响

图6 引气剂用量对地质聚合物性能的影响

由图6可以看出，样品抗压强度随表面活性剂用量的增加而升高，但其密度在达到最高值后又开始下降。即通过控制引气剂加入量来控制样品的密度和抗压强度，能使其密度保持较低值，抗压强度保持较高值。

图7为本研究中发泡样品的显微照片，可以看出，未加入引气剂样品的孔径大小基本都在2～10 mm之间，加入引气剂后孔径明显变小，且更均匀，使得样品密度上升。

图7 引气剂对发泡的影响

4.2 发泡对地质聚合物耐火性和黏结性的影响

发泡前后地质聚合物耐火极限和黏结性能测试结果见表4。可以看出，地质聚合物发泡后，其黏结性能大幅度下降，特别是不加引气剂发泡的地质聚合物表面变得疏松，有效黏结面积变小，导致黏结性能劣化。另外，不加引气剂发泡的地质聚合物内部孔道较大，且为开孔，导致其绝热性能下降；加入引气剂发泡的地质聚合物表面呈微孔，且多为闭孔，从而提高了其绝热性能。

表4 发泡前后地质聚合物的耐火性能和黏结性能

4.3 胶粉对地质聚合物黏结性能的影响

图8为加入胶粉后地聚合物涂料黏结性能曲线，可以看出：隧道防火涂料黏结强度随胶粉加入量的增大而增大；但在试验中发现胶粉用量越大，涂料固化时间越长，因此经过对比，选择3%的胶粉量作为涂料配方最佳加入量。

图8 胶粉对地质聚合物黏结性能的影响

4.4 耐火骨料对地质聚合物耐火性能的影响

选择膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、玻璃微珠、海泡石等不同粒径轻质耐火骨料组成密集配，并与地质聚合物黏结剂配成涂料，进行耐火试验，结果见表5。可以看出，膨胀珍珠岩的耐火性优于蛭石，但膨胀珍珠岩与水的亲和性不佳，涂料和易性差。同样，玻璃微珠也存在和易性差问题。膨胀蛭石、海泡石与水亲和性良好，形成的涂料拌和性良好。

4.5 二氧化硅气凝胶对涂料耐火极限影响

SiO2气凝胶具有质轻、热导率极低、耐高温等特性[16-18]， 本研究配方中添加5% SiO2气凝胶后，涂料耐火极限提高约30 min，达到了减薄防火涂料厚度的目的。

表5 耐火骨料对涂料耐火极限的影响

4.6 耐水剂对涂料耐火性能的影响

本研究分别选择可分散性胶粉与水泥形成的聚合物水泥和渗透结晶母粒作为涂料耐水剂，通过变化两者用量，观察涂料浸泡水前后的状态变化。试验结果表明，掺量为3%的渗透结晶母粒可使涂料的耐水性能大幅度提高，而且从经济角度分析，其价格较为低廉，是一种良好的耐水剂。

5 隧道防火涂料配方及其性能

确定隧道防火涂料配方，见表6，其各项性能测试结果见表7。

表6 隧道基层防火涂料配方

表7 隧道防火涂料性能

6 结 语

(1)粉煤灰地质聚合物经适度发泡可提高其耐火极限；添加3%的可分散性胶粉可提高粉煤灰地质聚合物的黏结性能，且其固化时间适于施工；添加3%的渗透结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气凝胶可明显提高粉煤灰地质聚合物防火涂料的耐火极限。

(2)优选出的粉煤灰地质聚合物防火涂料配方为：激发剂、可分散性胶粉、粉煤灰、高铝水泥、SiO2气凝胶、珍珠岩、海泡石、蛭石、发泡剂、引气剂、塑化剂、渗透结晶母粒的比例为44∶3∶80∶20∶0.03∶4∶2∶10∶10∶0.1∶1∶3；优选出的粉煤灰地质聚合物防火涂料配方防火性能优良，各项性能符合指标要求。

(3)目前，该配方涂料已应用到国道312陕西咸阳境内长1 100 m的某隧道中，用户反映实际应用效果较好，下一步可进行更大范围的推广应用。

[1] 何世家.隧道防火涂料的研制[J].新型建筑材料，2002(9)：30-31.

[2] 金殿春，刘希峰，李 宁，等.混凝土裂缝成因、分类与防治[J].筑路机械与施工机械化,2008,25(11)：53-55.

[2] 张硕生.隧道防火保护的现状及发展趋势[J].消防技术与产品信息,2003(7)：6-9.

[3] 毛朝君.环保型隧道防火涂料的研究[J].涂料工业,2003,33(5)：40-42.

[4] 程小伟，姚亚东.隧道防火涂料配方设计和性能研究[J].施工技术,2005,34(11)：73-75.

[5] MPRTAOGME B,BOURBIGOT S，LEBRAS M.Fire Behaviour Related to the Thermal Degradation of Unsaturated Polyesters[J].Polymer Degradation and Stability,1999,64(3)：443-448.

[6] JAARSVELD J G S,VAMDEVENIER J S J,LORENZO L.The Potential Use of Geopolymeric Materials to Immobilize Toxic Materials：Theory and Application[J].Materials Engineering,1997,10(7)：659-669.

[7] 王朝辉，王玉飞，任回兴，等.环保型路面降温涂层的现状与发展[J].筑路机械与施工机械化.2014,31(6)：40-46.

[8] 刘 宝，潘 立.抗污耐候建筑外墙涂料的研究[J].新型建筑材料,2012(3)：50-53.

[9] PROVIS J L J S,DEVENTER J.Geo Polymerisation Kinetics.2.Reaction Kinetic Modeling[J].Chemical Engineering Science,2007(62):2318-2329

[10] BAILEY C.Indicative Fire Tests to Investigate the Behaviour of Cellular Beams Protected with Intumescent Coatings[J].Fire Safety Journal,2004,39(8)：689-698.

[11] 张超灿.纳米SiO2对水性外墙涂料耐沾污性能影响研究[J].武汉理工大学学报,2003,25(10):12-15.

[12] 郑娟荣.尾砂的火山灰活性及其快速检测方法研究[J].中国矿业大学学报,2000,9(5):472-475.

[13] 马鸿文，杨 静.矿物聚合物材料:研究现状与发展前景[J].地学前沿,2002,9(4)：398-407.

[14] 汪 澜，崔源声.地质聚合物水泥与混凝土的研究(二) [J].商品混凝土,2005(2)：50-54.

[15] 任素琴.不同掺量的粉煤灰对水泥土力学性能的影响[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(1):39-42.

[16] 韩向阳.南京长江隧道管片结构耐火性分析[J].铁道工程学报,2011,151(4)：67-70.

[17] 何世家.钢筋混凝土耐火特性和隧道砌体用防火涂料[J].涂料工业,2002,32(9)：11-13，46.

[18] GRAVIT M,ANTONOV S,NEDRYSHKIN O.Research Features of Tunnel Linings with Innovations Fireproof Panels[J].Procedia Engineering,2016(165)：44-46.

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

国家自然科学基金项目(51608041)；交通运输部西部交通建设科技项目(2011 318 812 1720)

景宏君(1974-)，男，陕西吴堡人，正高级工程师，工学博士，从事土木工程方面的教学与研究工作。

[责任编辑:杜敏浩]