聚丙烯纖維摻量對(duì)堿礦渣隧道防火涂料抗振動(dòng)風(fēng)吸性能的影響

季 韜，楊越凡，林旭健，張彬彬

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

粘結(jié)性能是隧道防火涂料最重要的性能之一. 在隧道中，由于往來車輛的影響，隧道防火涂料處于振動(dòng)和風(fēng)吸環(huán)境中，這對(duì)隧道防火涂料的粘結(jié)性能有不利的影響. 粘結(jié)性能的好壞不僅直接影響到隧道防火涂料的防火效果，而且也成為隧道內(nèi)安全行車的一個(gè)重要保障. 因此，研究振動(dòng)風(fēng)吸對(duì)隧道防火涂料粘結(jié)性能的影響至關(guān)重要.

目前相關(guān)研究主要集中在振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響及風(fēng)吸對(duì)列車的影響[1-6]. 堿礦渣水泥具有良好的耐火性能、 抗凍融循環(huán)性能、 耐腐蝕性能[7]. 據(jù)可查閱文獻(xiàn)，將堿激發(fā)水泥應(yīng)用于隧道防火涂料的研究較少； 將堿礦渣水泥應(yīng)用于隧道防火涂料，并開展振動(dòng)風(fēng)吸的研究還未見報(bào)道. 聚丙烯纖維(polypropylene fiber，PPF)亂向、 均勻分布在隧道防火涂料中，改善了涂層的空隙結(jié)構(gòu)，能夠提高涂層的耐沖擊性、 抗裂性、 粘結(jié)強(qiáng)度及抗凍融性等. 火災(zāi)下PPF融化形成無數(shù)微小的空洞，隧道防火涂料在燃燒過程產(chǎn)生的水分能夠通過這些小孔排出，這可避免隧道防火涂料在高溫下崩裂[8].

堿礦渣隧道防火涂料(alkali-activated slag tunnel fireproof，ASF)的耐火性能優(yōu)于采用普通硅酸鹽水泥作為粘結(jié)劑的傳統(tǒng)隧道防火涂料[9]，然而還未有學(xué)者開展PPF摻量對(duì)堿礦渣隧道防火涂料抗振動(dòng)風(fēng)吸性能影響的研究. 本文采用改裝的振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn)裝置，對(duì)ASF進(jìn)行振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn)，研究PPF摻量對(duì)ASF抗振動(dòng)風(fēng)吸性能的影響，并揭示其機(jī)理.

1 原材料

傳統(tǒng)隧道防火涂料通常是由粘結(jié)材料、 耐火隔熱材料、 發(fā)泡材料、 助劑四部分組成[10-11]，本文ASF配方剔除了傳統(tǒng)隧道防火涂料中的聚磷酸銨、 三聚氰胺以及季戊四醇等發(fā)泡材料，并用堿礦渣水泥替代傳統(tǒng)隧道防火涂料中的普通硅酸鹽水泥.

1.1 粘結(jié)材料

粘結(jié)材料由堿礦渣水泥、 可再分散乳膠粉和聚乙烯醇(PVA)組成. 堿礦渣水泥由氫氧化鈉和礦渣組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為： 礦渣93.4%，氫氧化鈉6.6%. 氫氧化鈉由北京康普匯維科技有限公司生產(chǎn)； 礦渣來自福州泰寧混凝土廠，其化學(xué)成分含量見表1，其燒失量為0.2%. 可再分乳膠粉為英國康凱爾公司生產(chǎn)，型號(hào)為Con Care LA4500，其理化指標(biāo)見表2. PVA采用福州四方化工有限公司的產(chǎn)品，其理化指標(biāo)見表3.

表1 礦渣化學(xué)成分

表2 可再分散乳膠粉理化指標(biāo)

表3 PVA理化指標(biāo)

1.2 隔熱耐火材料

隔熱耐火材料由膨脹珍珠巖、 膨脹蛭石、 海泡石、 空心漂珠組成. 膨脹珍珠巖和膨脹蛭石均采用福州友程耐火材料有限公司的產(chǎn)品； 海泡石為南陽市臥龍區(qū)磊寶海泡石加工有限公司產(chǎn)品； 空心漂珠為河南信陽天梯礦業(yè)開發(fā)總公司產(chǎn)品. 隔熱耐火材料性能指標(biāo)見表4.

表4 隔熱耐火材料性能指標(biāo)

1.3 阻燃劑及纖維材料

阻燃劑由氫氧化鋁(Al(OH)3)及氫氧化鎂(Mg(OH)2)組成，均為天津市福晨化學(xué)試劑廠的產(chǎn)品，其性能指標(biāo)見表5； PPF采用濱州恒泰化纖制品有限公司的產(chǎn)品，其性能指標(biāo)見表6.

表5 阻燃劑性能指標(biāo)

表6 PPF性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)配合比及方法

2.1 試驗(yàn)配合比

為研究PPF摻量對(duì)ASF抗振動(dòng)風(fēng)吸性能的影響，在A0組(未摻PPF)基礎(chǔ)上，摻入不同數(shù)量的PPF，ASF配合比見表7. 用水量為干料(包括PVA、 可再分散乳膠粉(RP)、 礦渣(Slag)、 PPF、 膨脹蛭石(EV)、 膨脹珍珠巖(EP)、 海泡石(Sepiolite)、 空心漂珠(HDB)、 Mg(OH)2、 Al(OH)3)總質(zhì)量的70%. 先將干料攪拌均勻，再將NaOH溶于水制成氫氧化鈉水溶液，最后將氫氧化鈉水溶液倒入干料中，將其攪拌均勻.

表7 ASF配合比

2.2 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法

按照《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》JG/T 24—2000[12]中的試驗(yàn)方法和下式可獲得ASF的粘結(jié)強(qiáng)度.

(1)

式中：σ為粘結(jié)強(qiáng)度，Pa；P為拉伸荷載，N；A為粘結(jié)面積，m2.

2.3 振動(dòng)風(fēng)吸的試驗(yàn)方法

采用改裝的振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn)儀器，測(cè)試ASF破壞時(shí)間及不同振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間下的粘結(jié)強(qiáng)度，評(píng)價(jià)ASF抗振動(dòng)風(fēng)吸性能，其主要參數(shù)選取依據(jù)如下.

1) 風(fēng)吸力取18 N. 根據(jù)田紅旗研究結(jié)果[7]，在列車最高車速111 m·s-1(即400 km·h-1)下，其壓力波平均幅值為2.250 kPa，若該幅值作用在面積為4 cm×4 cm的隧道防火涂料上，其產(chǎn)生的理論作用力大小為1.8 N. 以此作為參考，在試驗(yàn)過程中，為了能在較短時(shí)間內(nèi)得到較為顯著的試驗(yàn)效果，選取10倍的理論作用力18 N(實(shí)際為(18±0.1)N)作為振動(dòng)風(fēng)吸作用下的風(fēng)吸力.

2) 破壞時(shí)間. 對(duì)表7中的配方進(jìn)行試驗(yàn)，記錄由試驗(yàn)開始至試件破壞所需的時(shí)間.

3) 振動(dòng)風(fēng)吸作用下的粘結(jié)強(qiáng)度. 測(cè)試各組試件振動(dòng)風(fēng)吸0、 5、 10、 20和30 min后的粘結(jié)強(qiáng)度.

4) 振動(dòng)頻率采用10～30 Hz. 交通引起的環(huán)境振動(dòng)的顯著特點(diǎn)是低頻、 微振動(dòng)，與地震、 建筑施工和工廠動(dòng)力設(shè)備等其他類型振源區(qū)別明顯. 調(diào)查表明，鐵路和公路交通引起環(huán)境振動(dòng)頻率范圍在幾赫茲到30 Hz之間，因此采用10～30 Hz掃頻振動(dòng).

5) 振動(dòng)幅度取3 mm. 在實(shí)際工程中，鐵路和公路交通環(huán)境引起振幅非常小，引起地基土動(dòng)應(yīng)變一般為10-5或更小，完全屬于彈性變形階段，因此交通環(huán)境振動(dòng)及防治措施的研究范圍常常是在振幅小于1 mm[13]. 考慮到儀器的限制及能在較短時(shí)間內(nèi)得到顯著的效果，采用振幅3 mm進(jìn)行振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn).

6) 振動(dòng)方向采用垂直振動(dòng). 張國斌[14]研究了列車-隧道耦合作用下的振動(dòng)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，隧道的振動(dòng)方向以垂直振動(dòng)為主，水平方向振動(dòng)影響較小. 因此采用電磁式垂直振動(dòng)臺(tái).

在東莞市海達(dá)(國際)儀器有限公司生產(chǎn)HD-A521-1C電磁式垂直振動(dòng)臺(tái)(圖1中的底座)基礎(chǔ)上，專門加工固定ASF試件，ASF試件見圖2(包括纖維水泥板7、 待測(cè)ASF 8、 鋼質(zhì)夾具9和外掛重物10)的支架(圖1中底座上的支架). 用上夾片夾緊ASF試件，并用螺栓鎖緊，保證ASF試件能牢固地固定在支架上，試件的振幅和頻率等振動(dòng)特性與振動(dòng)臺(tái)的一致. ASF表面抗拉用鋼質(zhì)夾具9的質(zhì)量為(112±2) g，外掛重物10的質(zhì)量為(1 728±5) g. 因此，ASF表面共受到向下的作用力為(18±0.1) N((0.112+1.728)×9.8). 安裝完畢之后打開振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行計(jì)時(shí)振動(dòng)，振動(dòng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后立即關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)，將試件取下，測(cè)試其粘結(jié)強(qiáng)度.

圖1 改裝后的電磁式垂直振動(dòng)臺(tái)Fig.1 Modified electromagnetic vertical vibration platform

圖2 ASF試件Fig.2 Specimen of ASF

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞時(shí)間

圖3 PPF摻量對(duì)ASF破壞時(shí)間的影響Fig.3 Influence of PPF content on the failure time of ASF

ASF在振動(dòng)風(fēng)吸作用下的破壞時(shí)間隨PPF摻量(w)增加的變化規(guī)律如圖3所示. 由圖3可知，各組試件破壞時(shí)間為35～105 min. 在振動(dòng)風(fēng)吸作用下，ASF的破壞時(shí)間隨PPF摻量的增大呈遞增趨勢(shì)，最終趨于收斂. 當(dāng)PPF摻量不大于0.6%時(shí)，ASF破壞時(shí)間隨PPF摻量的增大而增長； 當(dāng)PPF摻量為0.6%(A6組)時(shí)，ASF的破壞時(shí)間與不摻PPF的(A0組)相比增加了177%. 當(dāng)PPF摻量為1%(A10組)時(shí)，ASF破壞時(shí)間與摻量為0.6%的(A6組)相比僅增加了8%，顯然，當(dāng)PPF摻量大于0.6%時(shí)，ASF破壞時(shí)間受PPF摻量的影響較小.

3.2 粘結(jié)強(qiáng)度及其損失率

對(duì)于不同摻量PPF，在不同振動(dòng)風(fēng)吸作用時(shí)間(0、 5、 10、 20和30 min)下的ASF粘結(jié)強(qiáng)度見圖4. 不同PPF摻量下，ASF粘結(jié)強(qiáng)度損失率p按下式計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見圖5.

(2)

式中：p為振動(dòng)Nmin后試件粘結(jié)強(qiáng)度損失率(%)；σ0為試件初始粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)；σn為振動(dòng)Nmin后試件粘結(jié)強(qiáng)度(MPa).

圖4 不同振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間下ASF的粘結(jié)強(qiáng)度Fig.4 ASF bond strength after different vibration and wind suction time

圖5 不同振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間下ASF的粘結(jié)強(qiáng)度損失率Fig.5 Bond strength loss rate of ASF after different vibration and wind suction time

由圖4和圖5可見，在振動(dòng)風(fēng)吸作用下，A0～A10組粘結(jié)強(qiáng)度(σ)均隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而降低，PPF的摻入可有效減緩ASF粘結(jié)強(qiáng)度的下降速率. 當(dāng)不摻PPF(A0組)時(shí)，ASF粘結(jié)強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間下降速率最顯著； 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間為0、 5、 10、 20和30 min時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.312、 0.262、 0.225、 0.182和0.153 MPa； 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間為30 min時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度損失率為50.9%. 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間為0、 5、 10、 20和30 min時(shí)，A6組的粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.350、 0.320、 0.311、 0.300和0.290 MPa； 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間30 min時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度損失率為17.1%. 在各振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間下，A6組的粘結(jié)強(qiáng)度均高于A0組. 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間為30 min時(shí)，相比A0組，A6組的粘結(jié)強(qiáng)度損失率降低了33.8%，顯然，PPF的摻入能有效提高ASF的抗振動(dòng)風(fēng)吸性能.

當(dāng)PPF摻量大于0.6%時(shí)，PPF摻量對(duì)ASF抗振動(dòng)風(fēng)吸性能影響不明顯. 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間為30 min時(shí)，A10組(PPF摻量1%)的粘結(jié)強(qiáng)度損失率為16.1%. 與A6組相比，A10組粘結(jié)強(qiáng)度損失率下降不明顯. 由于PPF的價(jià)格較高，考慮ASF經(jīng)濟(jì)性，PPF摻量為0.6%時(shí)性價(jià)比最高.

3.3 孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

A0組與A6組的孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果見表8. 由表8可知，A6組比A0組的總孔體積和平均孔徑明顯增大，表明PPF摻量增加會(huì)加大ASF大孔的比例，增大總孔體積. PPF的加入需要較多的水泥漿包裹，在一定程度上降低ASF拌合性能，使內(nèi)部缺陷增多，這是大孔增多的主要原因. 但A6組抗振動(dòng)風(fēng)吸性能優(yōu)于A0組，這表明雖然PPF的摻入會(huì)劣化ASF的初始孔結(jié)構(gòu)，但隨著振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn)的進(jìn)行，PPF會(huì)抑制ASF內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，且起到主導(dǎo)作用，從而提高ASF的抗振動(dòng)風(fēng)吸性能.

表8 ASF的孔結(jié)構(gòu)

3.4 SEM試驗(yàn)結(jié)果

膨脹珍珠巖是隧道防火涂料中一種重要的保溫隔熱材料，在ASF配方中，膨脹珍珠巖所占體積比最大，其體積超過干料總體積的50%，對(duì)提高ASF的耐火性能以及降低干密度起到至關(guān)重要的作用. 膨脹珍珠巖內(nèi)部疏松、 多孔，對(duì)保溫隔熱性能有利，但膨脹珍珠巖作為ASF主要的骨料也較為脆弱，易破壞. 因此，水泥漿體與膨脹珍珠巖粘結(jié)是否緊密影響ASF的粘結(jié)強(qiáng)度. A0組和A6組在振動(dòng)風(fēng)吸試驗(yàn)破壞后的SEM見圖6. 由圖6可知，與A6組相比，A0組膨脹珍珠巖與漿體的界面過渡區(qū)縫隙較大(見圖6(a))，這對(duì)ASF粘結(jié)強(qiáng)度不利，會(huì)造成ASF在振動(dòng)風(fēng)吸作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，加快微裂縫的形成和發(fā)展； 而A6組內(nèi)部膨脹珍珠巖與涂料漿體的界面過渡區(qū)幾乎看不到縫隙(見圖6(b))，界面過渡區(qū)較致密. A6組中PPF隨機(jī)無序地分布在ASF內(nèi)部，在ASF內(nèi)部起到拉結(jié)作用，能有效地吸收和耗散能量，可以有效抑制微裂紋的發(fā)展. 從圖6(c)中可以看出PPF上已附著大量的水化產(chǎn)物； 從圖6(d)中發(fā)現(xiàn)許多PPF是被拉斷的，說明PPF和水泥石之間有較強(qiáng)的粘結(jié)力. 因此，PPF能提高ASF粘結(jié)強(qiáng)度和抗振動(dòng)風(fēng)吸性能. 相比A0組，A6組具有更好的粘結(jié)強(qiáng)度和抗振動(dòng)風(fēng)吸性能.

4 結(jié)語

1) 在振動(dòng)風(fēng)吸作用下，堿礦渣隧道防火涂料(ASF)的破壞時(shí)間隨聚丙烯纖維(PPF)摻量的增大呈遞增趨勢(shì)，最終趨于收斂. 當(dāng)PPF摻量不大于0.6%時(shí)，ASF破壞時(shí)間隨PPF摻量的增大而增長； 當(dāng)PPF摻量為0.6%(A6組)時(shí)，ASF的破壞時(shí)間與不摻PPF的(A0組)相比增加177%； 當(dāng)PPF摻量大于0.6%時(shí)，ASF破壞時(shí)間受PPF摻量的影響較小.

2) A6組各振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間下的粘結(jié)強(qiáng)度均高于A0組. 振動(dòng)風(fēng)吸時(shí)間30 min時(shí)，相比A0組，A6組粘結(jié)強(qiáng)度損失率降低了33.8%. PPF的摻入雖然明顯增加了ASF的總孔體積和平均孔徑，但其橋接作用能有效地吸收和耗散能量，抑制了微裂縫的發(fā)展，使界面結(jié)構(gòu)致密，能很好地抵抗振動(dòng)風(fēng)吸造成的損傷，從而提高了ASF在振動(dòng)風(fēng)吸下的粘結(jié)強(qiáng)度.