新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料的研制

徐世烺，李賓賓，李賀東

（浙江大學(xué) 高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所，浙江 杭州　310058）

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新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料的研制

徐世烺，李賓賓，李賀東

（浙江大學(xué) 高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所，浙江 杭州310058）

摘要：為了使新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研制過(guò)程中能夠快速地進(jìn)行配合比優(yōu)化，通過(guò)一系列的試驗(yàn)分析了粉煤灰、膨脹珍珠巖粉、水含量和引氣劑等對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，對(duì)開(kāi)發(fā)的材料在簡(jiǎn)單加載條件下按照火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行高溫模擬，作為快速進(jìn)行防火保護(hù)材料的篩選依據(jù)，并對(duì)篩選出的防火涂料進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火極限測(cè)試。結(jié)果表明：粉煤灰、膨脹珍珠巖粉、水含量以及引氣劑都對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)有影響，但是起決定性因素的是引氣劑摻量；按所篩選出的配合比制備的防火涂料耐高溫性能良好，且在高溫加載下仍能保持完整性和很好的韌性；該類型防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)與密度有著密切的聯(lián)系，并給出了對(duì)應(yīng)的模擬曲線。研制的新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料的性能符合GB 14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》規(guī)定的一級(jí)防火涂料要求。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；新型混凝土材料；配合比設(shè)計(jì)；模擬曲線

鋼結(jié)構(gòu)作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮慕Y(jié)構(gòu)形式迅速得到發(fā)展，但鋼結(jié)構(gòu)耐火性能極差的特點(diǎn)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展造成了阻礙［1-2］。目前，鋼結(jié)構(gòu)防火最行之有效的辦法就是涂抹防火涂料，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的一些建筑防火保護(hù)材料的生產(chǎn)也初具規(guī)模［3］。以鋼結(jié)構(gòu)防火涂料為例，涂料主要分為厚型和薄型2類，按照習(xí)慣性的做法，防火效果均以材料的耐火極限為標(biāo)志。試驗(yàn)方法以國(guó)家防火建材質(zhì)檢中心的測(cè)試方法為依據(jù)，耐火極限的測(cè)試須將涂料按照嚴(yán)格的步驟涂敷在型鋼I36b（或焊接I40）表面，然后再對(duì)試件按照GB 14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)出其對(duì)應(yīng)的耐火極限。按照以上的方法進(jìn)行試驗(yàn)耗資大并且費(fèi)時(shí)，而新型耐火材料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程往往需要大量的試驗(yàn)測(cè)定，因此，在此過(guò)程中需要用一些簡(jiǎn)單而有說(shuō)服力的試驗(yàn)來(lái)對(duì)材料進(jìn)行初步的篩選。本文主要通過(guò)初期導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)和簡(jiǎn)單加載條件下的模擬標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)的高溫試驗(yàn)對(duì)材料配比進(jìn)行篩選。

膨脹珍珠巖是一種保溫效果良好的天然酸性玻璃質(zhì)火山熔巖非金屬礦產(chǎn)，常用于農(nóng)業(yè)的無(wú)土栽培和改良土壤。而進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著建筑火災(zāi)對(duì)社會(huì)危害越來(lái)越大，膨脹珍珠巖逐漸受到重視，開(kāi)始越來(lái)越多地用于建筑結(jié)構(gòu)的防火涂料研制中［4］。本文通過(guò)一系列對(duì)比分析粉煤灰、膨脹珍珠巖粉、水含量和引氣劑對(duì)以高鋁水泥和普通硅酸鹽水泥為基體的材料的影響，研究新型低導(dǎo)熱系數(shù)混凝土材料的初期篩選。最終材料主要以高鋁水泥和普通硅酸鹽水泥為粘結(jié)劑，以膨脹珍珠巖粉、膨脹蛭石粉為無(wú)機(jī)隔熱填料，再摻入一定量的聚乙烯醇纖維、減水劑和引氣劑配制而成。這對(duì)新型防火涂料的開(kāi)發(fā)是重要的一步，對(duì)以后了解材料的防火性能也有舉足輕重的作用。

1　配合比試驗(yàn)

1.1原材料

拉法基高鋁水泥（HAC），杭州永豐耐火材料有限公司，成分：SiO2（34.69%）、Al2O3（57.4%），導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/（m·K）；普通工業(yè)用42.5級(jí)硅酸鹽水泥（OPC）；Ⅰ級(jí)粉煤灰（FA）；膨脹珍珠巖粉（300目），信陽(yáng)同創(chuàng)礦業(yè)；膨脹蛭石粉（50目），行唐縣鑫磊礦物粉體加工廠；漂珠，靈壽縣巖誠(chéng)礦產(chǎn)品加工廠；聚乙烯醇纖維（PVA），RECS15×12，大廣安浩昌保溫材料銷售部；聚羧酸系高效減水劑，杭州絮媒化工有限公司；引氣劑，杭州中野天然植物科技有限公司。水泥和其它摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　水泥等摻合料的化學(xué)成分　%

表2　部分新型混凝土鋼結(jié)構(gòu)防火涂料試件的配合比

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)共制作了135組試件，部分配合比如表2所示，試件均為300mm×300mm×30mm的標(biāo)準(zhǔn)板狀，試件制作完成后在養(yǎng)護(hù)室按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)養(yǎng)護(hù)7 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后在室內(nèi)條件下放置1 d晾干，稱量，按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》測(cè)試試件的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)試過(guò)程中室內(nèi)溫度維持在25℃、環(huán)境保持干燥狀態(tài)，以避免濕度對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)造成影響，試驗(yàn)機(jī)控制熱板溫度為35℃，冷板溫度為10℃，讀數(shù)時(shí)保證試驗(yàn)機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)不再變化。測(cè)量完畢后，將試件放入烘箱烘干，烘箱溫度設(shè)置為60℃，24h后取出，稱量，用同樣的方法繼續(xù)測(cè)定每組試件的導(dǎo)熱系數(shù)。最后，再將每組試件放入燃燒爐中高溫灼燒90min，爐內(nèi)溫度按照火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)高溫灼燒后，待爐內(nèi)溫度低于100℃后將試件取出，室溫下干燥冷卻1 d，稱量，再分別測(cè)定其導(dǎo)熱系數(shù)，每組均為3個(gè)試件，以3個(gè)試件的算術(shù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)主要研究4種原材料對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，所提到的摻量均指原料占防火涂料的質(zhì)量百分比。

2.1粉煤灰摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖1給出了表2中1～3組配比的防火涂料在不同干燥條件下粉煤灰摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖1　粉煤灰摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖1可見(jiàn)：（1）對(duì)于同一組試件的不同干燥條件，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨內(nèi)部的水含量的降低而大幅降低，這是由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比試驗(yàn)材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)大，防火涂料內(nèi)部水含量越低，導(dǎo)熱系數(shù)越小；（2）與普通混凝土不同的是［5］，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而增加，這是由于粉煤灰在20℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/（m·K），低于防火涂料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，并且粉煤灰水化過(guò)程容易填充材料內(nèi)部氣孔，空氣在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/（m·K）。因此，在防火涂料的配比中不建議使用粉煤灰或嚴(yán)格限制粉煤灰的用量。

2.2膨脹珍珠巖粉摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2為表2中4～7組配比的防火涂料在不同干燥條件下膨脹珍珠巖粉摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

由圖2可以看出：（1）對(duì)于同一組試件的不同干燥條件，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨試件內(nèi)部的水含量的降低而大幅降低；（2）膨脹珍珠巖粉摻量越高，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，這是由于膨脹珍珠巖粉在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0245～0.048 W/（m·K），并且膨脹珍珠巖粉是經(jīng)過(guò)預(yù)熱體積膨脹10～30倍的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量氣孔。另外，由于膨脹珍珠巖粉具有明顯的吸水性，其添加量還受到可攪拌性和工作性的限制，建議在較高摻量下配合高效減水劑一起使用為宜。

2.3水含量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖3給出了表2中11～14組配比的防火涂料不同干燥條件下不同水含量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖2　膨脹珍珠巖粉摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖3　水含量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖3可以看出：（1）對(duì)于同一組試件的不同干燥條件，試件的導(dǎo)熱系數(shù)隨試件內(nèi)部的水含量的降低而降低，但是防火涂料配制過(guò)程中水含量較低時(shí)，各組導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，說(shuō)明此時(shí)水化程度較高，自由水和結(jié)合水含量相對(duì)較低；（2）在同一干燥條件下，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著水含量的變化較為平穩(wěn)，這是由于隨著水含量的變化，經(jīng)過(guò)干燥的防火涂料內(nèi)部的實(shí)際水含量較為接近，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響。

2.4引氣劑摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為表2中15～17組配比的防火涂料在不同干燥條件下不同引氣劑摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

由圖4可以看出：（1）對(duì)于同一組試件在不同養(yǎng)護(hù)處理?xiàng)l件下，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨試件內(nèi)部的水含量的降低而稍有降低，但是引氣劑摻量較高時(shí)，各組試件的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，這是因?yàn)殡S著引氣劑摻量的增加，試件內(nèi)部的氣孔大幅增加而連通，使防火涂料內(nèi)部的自由水和結(jié)合水能夠比較容易的揮發(fā)出來(lái)；（2）在相同干燥條件下，不同摻量的引氣劑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響顯著，主要因?yàn)殡S著引氣劑摻量適量的增加，防火涂料結(jié)構(gòu)內(nèi)部多孔疏松，充滿空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于材料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，并且防火涂料內(nèi)部的氣孔隨機(jī)分布，使材料的導(dǎo)熱系數(shù)大幅降低。因此，在防火涂料中引入適量的引氣劑是有利的。

2.5防火涂料的密度分析

圖5為表2中1、4、6、7、8組和11～25組試件的密度-導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系。

圖4　引氣劑摻量對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖5　防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)隨密度變化的擬合直線

由圖5可知，該系列防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)與防火涂料的密度有一定的正相關(guān)關(guān)系，但由于只是經(jīng)驗(yàn)性的分析，還不能武斷地給出其準(zhǔn)確的公式去計(jì)算其相關(guān)度。但對(duì)于研究防火涂料有重要的指導(dǎo)意義，并對(duì)防火材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)起到關(guān)鍵性的作用。

2.6防火涂料的簡(jiǎn)單高溫加載試驗(yàn)

將表2中第18組配合比的防火涂料在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)模擬標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線進(jìn)行高溫加載，試驗(yàn)選取的試件為導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)試件，試件兩端放置在試驗(yàn)爐內(nèi)預(yù)先設(shè)置的鐵棒上，保證試件下表面距離試驗(yàn)爐底部的距離為20mm，在試件上部沿著兩端簡(jiǎn)支方向放置一根直徑為20mm的鐵棒，圖6為試件加載示意圖。關(guān)上試驗(yàn)爐爐門(mén)，按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為90min，高溫加載后的試件見(jiàn)圖7。

圖6　試件加載示意

圖7　高溫加載后試件

由圖7可以看出，試件經(jīng)過(guò)模擬標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線的高溫后依然可以保證其完整性，高溫過(guò)程有加載的試件中心撓度達(dá)到跨度的1/15時(shí)試件裂縫不明顯，并且沒(méi)有貫通，說(shuō)明材料在高溫條件下仍保留一定的韌性，完整性也很好，具備防火涂料的基本屬性。

3　防火涂料耐火極限試驗(yàn)驗(yàn)證

本文試驗(yàn)?zāi)康闹饕獮榱诉x取合適配比的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)和簡(jiǎn)單高溫加載試驗(yàn)均是前期能夠?qū)ε浜媳冗M(jìn)行快速的篩選。最終，選取表2的18號(hào)試驗(yàn)組作為最終的配合比，利用華南理工大學(xué)亞熱帶高溫耐火實(shí)驗(yàn)室水平試驗(yàn)爐，按照GB 14907—2002進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火極限測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：30mm厚的防火涂料的耐火極限為144min（見(jiàn)圖8），符合一級(jí)防火涂料（鋼梁構(gòu)件120min）的要求。

圖8　耐火試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)

4　結(jié)論

（1）對(duì)于同一組試件的不同養(yǎng)護(hù)處理?xiàng)l件，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)隨試件內(nèi)部的水含量的降低而大幅降低。

（2）在相同干燥條件下，隨粉煤灰摻量增加，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)升高。因?yàn)榉勖夯以?0℃導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/（m·K），低于材料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，并且粉煤灰水化過(guò)程容易填充材料內(nèi)部氣孔［空氣在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/（m·K）］；隨膨脹珍珠巖粉摻量增大，防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，由于膨脹珍珠巖粉在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0245～0.048W/（m·K），遠(yuǎn)低于材料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，并且膨脹珍珠巖粉是經(jīng)過(guò)預(yù)熱體積膨脹10～30倍的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量氣孔；不同摻量的引氣劑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響顯著，主要因?yàn)殡S著引氣劑摻量適量增加，防火涂料結(jié)構(gòu)內(nèi)部多孔疏松，充滿空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于材料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，并且材料內(nèi)部的氣孔隨機(jī)分布，使材料的導(dǎo)熱系數(shù)大幅降低。

（3）通過(guò)對(duì)防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)影響因素分析可以看出，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)起決定性因素的是引氣劑摻量，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)材料導(dǎo)熱系數(shù)與密度呈正相關(guān)關(guān)系和篩選出的部分材料良好的耐高溫性，說(shuō)明此方法在一定程度上是可行的，這對(duì)前期能夠快速篩選合適的配比是合適的，對(duì)未來(lái)新型防火保護(hù)材料的開(kāi)發(fā)也具有重要的意義。

（4）根據(jù)試驗(yàn)篩選出的試驗(yàn)組配比，當(dāng)防火涂料厚度為30mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的耐火極限達(dá)到144min，符合GB 14907—2002規(guī)定的一級(jí)防火涂料要求。

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中圖分類號(hào)：TU545

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0001-04

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ13B04）

收稿日期：2015-12-07；

修訂日期：2015-04-06

作者簡(jiǎn)介：徐世烺，男，1953年生，浙江杭州人，教授，博士生導(dǎo)師。

Development of new thick concrete of fire retardant coatings for steel structures

XU Shilang，LI Binbin，LIHedong
（Zhejiang University High-Performance Building and Material Institute，Hangzhou 310058，China）

Abstract：In order to quickly optimize the mix proportion of new concrete fire retardant coatings for steel structures in the development process of fire protection materials，through a series of experiments，the influence of fly ash，perlite powder，water content and air entraining agent on the thermal conductivity of fire retardant coating was analyzed.High temperature simulation of developed material was carried out in the simple load condition according to the fire standard temperature curve，which was used as the basis for quick screening of fire protection materials，finally ultimate fire-retardant test of the selected fire retardant coatings for steel structures was carried out.The experimental results show that：fly ash，expanded perlite powder，water content and air entraining agent all have influence to the thermal conductivity of materials，but the decisive factor is the dosage of air entraining agent.The selected mix ratio has good high temperature performance，and still maintain the integrity and good toughness while loading at high temperature.Experiment also finds that this type fireproof coating thermal conductivity coefficient and density has a close relationship，and gives the corresponding simulation curve.At the same time，the properties of the developed newthick concrete of fire retardant coatings for steel structures has reached the first grade fire retardant coating requirements as specified in national standard GB 14907—2002"fire retardant coatings for steel structures".

Keywords：fire retardant coatings for steel structures，new type concrete，mix proportion design，simulation curve