氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能

鐘支葵，葛全偉，吳會(huì)軍，丁云飛

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州　510006；2.河南省清豐縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河南 清豐　457300）

氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能

鐘支葵1，葛全偉2，吳會(huì)軍1，丁云飛1

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.河南省清豐縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河南 清豐457300）

以耐火硅酸鋁纖維為支撐體，超級(jí)絕熱SiO2氣凝膠為填充介質(zhì)，制備了硅酸鋁纖維/氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料，表征了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試了不同厚度復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)和超低導(dǎo)熱系數(shù)［0.0251 W/（m·K）］，鋼板在3 mm厚復(fù)合材料保護(hù)下，經(jīng)800℃持續(xù)加熱1 h后鋼板表面溫度為121.55℃，遠(yuǎn)低于鋼結(jié)構(gòu)的軟化溫度，具有優(yōu)異的防火和安全性能。

鋼結(jié)構(gòu)；防火；氣凝膠；絕熱

0　前言

鋼結(jié)構(gòu)因具有構(gòu)件截面小、自重輕、運(yùn)輸安裝方便、可回收再利用等特點(diǎn)，作為綠色建筑材料和結(jié)構(gòu)目前已廣泛應(yīng)用于超高層建筑、機(jī)場(chǎng)、車站、科技場(chǎng)館等建筑。但鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差，在正常荷載情況下，500℃左右時(shí)鋼結(jié)構(gòu)即會(huì)失去承載作用，而火場(chǎng)溫度通常會(huì)在10 min內(nèi)上升至800℃以上，裸露的鋼結(jié)構(gòu)很快會(huì)出現(xiàn)變形情況，產(chǎn)生局部破壞，最終失去承載力［1］，引起坍塌，造成嚴(yán)重的傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，為提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，已有多種防火方法，其中輕質(zhì)高強(qiáng)，具有優(yōu)良防火性能的防火板法逐漸得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用［2］。徐國(guó)強(qiáng)等［3］把目前絕熱性能優(yōu)良的SiO2氣凝膠超級(jí)絕熱材料與硅酸鈣復(fù)合制備出硅酸鈣/氣凝膠復(fù)合材料，用于鋼結(jié)構(gòu)防火，并采用ANSYS有限元軟件分析了硅酸鈣防火板的耐火性能，發(fā)現(xiàn)其耐火極限是普通防火涂料的2.5倍，與常規(guī)防火材料相比，氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料大幅提高了鋼結(jié)構(gòu)防火材料的隔熱和防火性能。

SiO2氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)對(duì)熱流具有超低導(dǎo)熱、無對(duì)流和無窮多遮熱板效應(yīng)，使其有效導(dǎo)熱系數(shù)［低至0.013W/（m·K）］低于同溫度下的空氣，具有超級(jí)絕熱和良好的防火性能，作為隔熱保溫材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和航天、化學(xué)工程、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域［4-9］。Hansen和Frame［10］對(duì)SiO2氣凝膠保溫材料、陶瓷保溫紙、氧化硅保溫墊、干料濕料硅保溫墊、陶瓷隔熱層進(jìn)行了耐火實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)僅SiO2氣凝膠材料是耐火測(cè)試中唯一沒有穿孔而具有良好性能的耐火材料。Motahari和Abolghasemi［11］對(duì)厚度為4 mm的玻璃纖維/氣凝膠復(fù)合材料進(jìn)行了鋼板防火性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)玻璃纖維/氣凝膠復(fù)合材料防火處理后鋼板側(cè)溫度達(dá)到300℃時(shí)需要42 min，有效改善了鋼板的耐火性能，但由于玻璃纖維高溫下易融、耐高溫性能差，限制了玻璃纖維/氣凝膠復(fù)合材料的防火應(yīng)用。

針對(duì)目前鋼結(jié)構(gòu)防火材料存在的問題，本文擬以耐火硅酸鋁纖維為支撐體、超級(jí)絕熱SiO2氣凝膠為孔隙填充介質(zhì)，制備硅酸鋁纖維/SiO2氣凝膠超級(jí)絕熱材料的高性能防火復(fù)合材料，并通過鋼結(jié)構(gòu)防火性能測(cè)試研究氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料在鋼結(jié)構(gòu)中的發(fā)展與應(yīng)用。

1　硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)制備

1.1試劑與原材料

正硅酸乙酯：分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠；無水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷、氨水：分析純，天津百世化工有限公司；鹽酸：分析純，廣東光華化學(xué)廠有限公司；N，N—二甲基甲酰胺：分析純，天津富宇精細(xì)化工有限公司；硅酸鋁纖維氈：淄博鼎榮高溫材料有限公司。

1.2硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的制備

以耐火硅酸鋁纖維為支撐體、超級(jí)絕熱SiO2氣凝膠為孔隙填充介質(zhì)制備出硅酸鋁纖維/氣凝膠超級(jí)絕熱復(fù)合材料，主要步驟包括：以正硅酸乙酯（TEOS）、去離子水為原料，無水乙醇為溶劑，鹽酸和氨水為催化劑，在酸性條件下進(jìn)行水解反應(yīng)［見式（1）］，加入堿之后進(jìn)行縮聚反應(yīng)［見式（2）］，制備SiO2溶膠；將得到的SiO2溶膠加入到硅酸鋁耐火纖維氈中，經(jīng)凝膠、改性、常壓干燥制備硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料，具體制備工藝參數(shù)見文獻(xiàn)［12］。

2　硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的性能測(cè)試

2.1微觀形貌表征

硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料為多孔納米材料。采用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的型號(hào)為JSM7001F的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察氣凝膠、硅酸鋁纖維的微觀形貌，分析氣凝膠微觀骨架結(jié)構(gòu)，定性分析其孔洞大小、硅酸鋁纖維直徑及纖維分布，以及分析硅酸鋁纖維與氣凝膠的結(jié)合情況；表征硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的微觀形貌。在表征前先對(duì)樣品進(jìn)行表面噴金處理。

2.2防火性能測(cè)試

根據(jù)GB 14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》中鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分類，按使用厚度可分為：超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料（涂層厚度≤3mm），薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料（3mm＜涂層厚度≤7 mm），厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料（7 mm＜涂層厚度≤45 mm）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試厚度分別為3 mm、6 mm及12 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火性能的影響。

將不同厚度的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料（尺寸為11 cm× 11 cm）并排緊貼2塊5 mm厚的鋼板（尺寸為10 cm×10 cm）進(jìn)行防火性能測(cè)試。用丁烷火焰對(duì)準(zhǔn)硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合物外側(cè)表面，采用Testo435溫度測(cè)試記錄儀測(cè)試硅酸鋁纖維/氣凝膠表面處的溫度，通過調(diào)節(jié)噴槍與硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合物的距離維持溫度在800℃左右，使用K型熱電偶夾（緊貼）在2塊鋼板中間對(duì)鋼板表面的溫度進(jìn)行測(cè)試，采用Agilent數(shù)據(jù)采集儀記錄鋼板側(cè)溫度。

測(cè)試過程中，硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料受熱處溫度用K型（NiCr-Ni）熱電偶探頭，量程-200～1370℃，精度±0.3℃（-60.0～60.0℃），±0.5%（其余量程）；測(cè)量2塊鋼板表面的溫度用K型熱電偶量程為0～400℃，精度為±1%。

2.3導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用瑞典Hot Disk公司生產(chǎn)的TPS2500瞬變熱常數(shù)測(cè)試儀測(cè)試硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試過程中將測(cè)試探頭放在2個(gè)表面平整的樣品中間，蓋上全黑蓋子以減少外界的能量對(duì)其測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試過程中要求上下2個(gè)與探頭接觸的樣品表面平整。

3　結(jié)果與討論

3.1硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱系數(shù)

圖1為硅酸鋁纖維、硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料、氣凝膠的SEM照片。表1為氣凝膠復(fù)合材料與常規(guī)防火材料的密度及導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1　硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的微觀形貌及結(jié)構(gòu)

從圖1（a）可以看出，所用硅酸鋁纖維氈是雜亂無序的微米結(jié)構(gòu)材料，直徑約為2～12 μm；從圖1（b）可以看出，以硅酸鋁纖維為支撐體、氣凝膠為孔隙填充介質(zhì)，且硅酸鋁纖維與氣凝膠的界面結(jié)合呈現(xiàn)出鱗狀結(jié)合，從而制備出成塊性好的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料；從圖1（c）可以看出，SiO2氣凝膠具有較均勻的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑大多在50 nm以下，說明硅酸鋁纖維/氣凝膠中的氣凝膠具有納米級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)。

表1　氣凝膠復(fù)合材料與常規(guī)防火材料的密度及導(dǎo)熱系數(shù)

由表1可知，硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為（0.0251±0.0005）W/（m·K），膨脹珍珠巖板和膨脹蛭石防火板［13］的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.055～0.116 W/（m·K）和0.111～0.141 W/（m·K），硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小。

由微米級(jí)的硅酸鋁纖維為支撐體、納米級(jí)的氣凝膠為孔隙填充介質(zhì)制備的超級(jí)絕熱的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料，具有超低導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的防火性能，這是由于其納米多孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠的納米孔隙使氣孔內(nèi)的空氣分子失去了自由流動(dòng)的能力，只能直接與氣孔壁發(fā)生彈性碰撞而保留自身的速度與能量，這是材料處于近視真空狀態(tài)，即產(chǎn)生“零對(duì)流效應(yīng)”。由于材料內(nèi)氣孔均為納米級(jí)氣孔，再加上材料本身的極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)目趨于“無窮多”，對(duì)于每一個(gè)氣孔壁來說都具有遮陽板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮擋板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到幾乎最低極限；近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時(shí)就只能沿著氣孔壁傳遞，近無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長(zhǎng)路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。

3.2硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)

防火性能的影響

圖2（a）為硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料鋼結(jié)構(gòu)防火裝置模型。在鋼板1上直接測(cè)試鋼板側(cè)溫度，會(huì)因熱電偶與空氣之間產(chǎn)生對(duì)流換熱，產(chǎn)生很大的波動(dòng)，可增加鋼板2避免對(duì)流換熱。2塊鋼板表面溫度由K型熱電偶（0～400℃）測(cè)試，并由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀收集數(shù)據(jù)；硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料表面處的溫度由K型（NiCr-Ni）熱電偶探頭測(cè)試并由Testo435-4采集溫度數(shù)據(jù)。圖2（b）為3 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料在耐火測(cè)試中的圖片，圖2（c）為3 mm的復(fù)合材料在測(cè)試1 h后樣品受熱側(cè)圖片，可見3 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料在測(cè)試1 h后沒有產(chǎn)生融化和穿孔的現(xiàn)象。

圖2　硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料鋼結(jié)構(gòu)防火性能測(cè)試

圖3是硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料表面的溫度測(cè)試結(jié)果，圖4為鋼板表面的溫度變化。

圖3　硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料表面的溫度

圖4　鋼板表面的溫度變化

由圖3可見，3種厚度的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料表面溫度基本在800℃上下波動(dòng)，噴槍上的熱流溫度難維持在800℃不變，溫度點(diǎn)主要分布在700～900℃區(qū)間，但鋼板表面溫度變化是穩(wěn)定的（見圖4），說明鋼板表面的溫度不隨著復(fù)合材料表面溫度在800℃波動(dòng)而受到太大的影響。

由圖4可以看出，用3 mm（超薄型）、6 mm（薄型）、12 mm（厚型）的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合物在鋼板防火性能測(cè)試中，厚度越大鋼板表面溫度越低。3 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的鋼板表面溫度在0.7～0.8 h時(shí)間段溫度上升3.2℃，在0.8～0.9 h時(shí)間段溫度上升1.8℃，在0.9～1.0 h時(shí)間段溫度上升1.3℃。經(jīng)對(duì)鋼板表面溫度曲線分析，在1.0 h測(cè)試過程中，鋼板表面的溫度上升速度越來越慢。6 mm、12 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合物的鋼板表面溫度在0.9～1.0 h時(shí)間段溫度均上升了0.3℃，在6 min內(nèi)上升的溫度非常低。測(cè)試1.0 h時(shí)，3 mm、6 mm及12 mm的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料的鋼板表面溫度分別為121.55℃、96.25℃、78.17℃，遠(yuǎn)低于鋼結(jié)構(gòu)的軟化溫度。

4　結(jié)語

實(shí)驗(yàn)制備了導(dǎo)熱系數(shù)為0.0251W/（m·K）的硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料，防火性能測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)起到了良好的防火性能，以厚度為3 mm的復(fù)合材料為例，在800℃溫度下持續(xù)加熱1 h后經(jīng)復(fù)合材料防護(hù)的鋼板表面溫度僅升至121.55℃，遠(yuǎn)低于鋼結(jié)構(gòu)的軟化溫度（300℃），因此硅酸鋁纖維/氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有良好的防火性能，在超高層建筑、機(jī)場(chǎng)、車站、科技場(chǎng)館等建筑中具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］鄧小波，楊森，高萍，等.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用、發(fā)展方向及防火性能檢測(cè)方法的研究［J］.化工新型材料，2010，38（9）：57-60.

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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

廣東省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目（S2013050014139）；廣東省科技計(jì)劃重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2012A010800033）

2015-08-18

鐘支葵，男，1992年生，江西瑞金人，碩士研究生。