引氣劑對(duì)隧道防火涂料抗凍融性能影響的研究*

呂官記 季 韜 廖 聰

(福建商學(xué)院管理工程系1) 福州 350012) (福州大學(xué)土木工程學(xué)院2) 福州 350116)

0 引 言

隧道防火涂料作為隧道襯砌的保護(hù)涂層，因隧道的特殊環(huán)境使其經(jīng)常受到水害、凍害、腐蝕、空氣污染等病害的侵蝕，影響其防火隔熱功效[1-2].國(guó)內(nèi)學(xué)者就引氣劑對(duì)混凝土抗凍融性能的影響進(jìn)行了研究.李光輝等[3]研究了引氣劑摻量在0%～0.015%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)對(duì)混凝土抗凍融性能和力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明,0.01%摻量的引氣劑對(duì)凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度影響較小.蔣麗燕[4]研究了引氣劑摻量在0%～0.015%范圍內(nèi)對(duì)混凝土抗凍融性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明0.01%摻量的引氣劑對(duì)凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度影響較小.張立群等[5]研究表明，C30、C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土分別摻加0.02%和0.03%的引氣劑時(shí)，混凝土的抗鹽凍性能得到有效提高.周斌等[6]研究發(fā)現(xiàn)，合理的引氣劑摻量能夠提高混凝土抗凍融性能和耐久性能.劉性碩等[7]研究表明，合理的引氣劑摻量可以改善混凝土在凍融循環(huán)條件下的抗?jié)B性和抗凍性，提高混凝土的耐久性.董玉文等[8]研究發(fā)現(xiàn)添加引氣劑有助于增強(qiáng)混凝土的抗凍性能和抗凍耐久性，但引氣劑的摻量不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致其抗壓性能顯著降低.李靜[9]研究發(fā)現(xiàn)，引氣劑摻量為0.022%、含氣量為3.9%時(shí)混凝土的抗凍性能最優(yōu)，且混凝土抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失較小.宋鵬程[10]研究表明，引氣劑影響混凝土抗凍性能的最佳摻量為0.03%；引氣劑摻量超過0.03%時(shí)，雖然引氣量繼續(xù)增加，但是抗凍性能卻下降.

上述研究均是針對(duì)引氣劑摻量對(duì)混凝土抗凍融性能的研究，而針對(duì)引氣劑摻量對(duì)隧道防火涂料抗凍融性能的研究目前未見報(bào)道.為此，文中采用氮吸附法和Matlab圖像處理技術(shù)對(duì)涂料孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步探究引氣劑對(duì)隧道防火涂料抗凍融性能的影響.

1 原材料

粘結(jié)材料 普通硅酸鹽水泥，安徽某公司(P·O 42.5)；高鋁水泥，鄭州某公司(嘉耐CA-50-A600)；可再分散乳膠粉，英國(guó)某公司生產(chǎn)(Con Care LA4500).

隔熱耐火材料 膨脹珍珠巖(粒徑小于3 mm)和膨脹蛭石(粒徑小于2 mm)，福州某公司產(chǎn)品；海泡石，石家莊某公司產(chǎn)品 空心漂珠，河南某公司產(chǎn)品.

發(fā)泡材料 三聚氰胺和季戊四醇(天津某試劑廠產(chǎn)品)；聚磷酸銨(濟(jì)南某公司產(chǎn)品).

引氣劑 瑞士某公司產(chǎn)品(型號(hào)K12，白色粉劑)，最佳摻量為0.01%～0.03%.

助劑 氫氧化鋁及氫氧化鎂，天津某試劑廠產(chǎn)品.

其他 聚丙烯纖維(型號(hào)HT-01：長(zhǎng)度6 mm，直徑30 μm，抗拉強(qiáng)度≥350 MPa)，硅烷基粉末(型號(hào)SHP-50：粒徑100～200 μm)，粉末聚乙烯醇(福州某公司產(chǎn)品，型號(hào)1788-125).

2 試驗(yàn)配合比

生產(chǎn)廠家推薦的引氣劑摻量為0.01%～0.03%.紀(jì)士斌等[11]研究認(rèn)為，引氣劑摻量一般為水泥的質(zhì)量的0.005%～0.01%(換算后占砂漿總質(zhì)量0.0145%～0.029%)，強(qiáng)度會(huì)隨著含氣量的增加有所下降.根據(jù)防火涂料試配后的工作性能，本文將引氣劑的試驗(yàn)摻量確定為0%，0.015%，0.030%，其設(shè)計(jì)配合比見表1.

表1 涂料各成分試驗(yàn)配合比 %

3 試件制備及試驗(yàn)方法

3.1 宏觀孔測(cè)試方法

為減少試驗(yàn)分析誤差，在對(duì)每組試樣的圖像采樣過程中，相機(jī)的拍攝焦距、拍攝距離(45 cm)、拍攝方向(正對(duì)試樣破壞斷面)均保持一致.

使用Matlab圖像處理技術(shù)圖像時(shí)，采用regionprops函數(shù)獲取目標(biāo)孔隙特征信息，利用ismember函數(shù)拾取像素面積范圍內(nèi)的目標(biāo)圖像，用sum函數(shù)統(tǒng)計(jì)圖像內(nèi)目標(biāo)總面積的像素值，用numel函數(shù)統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖像面積總和的像素值.

3.2 微觀孔測(cè)試方法

趙魯慶等[12]進(jìn)行凍融循環(huán)作用下的黃土掃描電鏡試驗(yàn)，通過圖像處理技術(shù)獲取土顆粒微結(jié)構(gòu)特征的定量信息，研究了凍融循環(huán)過程中黃土顆粒微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)、排列、尺寸分布的變化規(guī)律.微觀孔徑分析方法是采用氮?dú)馕椒ǎ囼?yàn)儀器為北京金埃譜公司F-Sorb2800孔結(jié)構(gòu)分析儀.

3.3 凍融試驗(yàn)

目前，用于凍融循環(huán)試驗(yàn)的試件主要有平板試件(用于觀察凍融循環(huán)中涂料是否開裂、起層、脫落或變色等)、粘結(jié)強(qiáng)度試件(用于測(cè)量?jī)鋈谘h(huán)前后涂料的粘結(jié)強(qiáng)度的變化)和立方體試件(用于測(cè)量?jī)鋈谘h(huán)中涂料質(zhì)量、橫向基頻和超聲聲速).文中采用TDRF-2快速凍融機(jī)測(cè)試上述3種試件.

3.4 粘結(jié)強(qiáng)度

粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀為HC-2000A智能粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀.測(cè)試粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，在符合文獻(xiàn)[13]要求的條件下，為了易于儀器保持軸向受拉，對(duì)儀器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了6-基座、8-萬(wàn)向接頭、11-下夾具，見圖1.

圖1 試件粘結(jié)力測(cè)試儀器示意圖

3.5 損傷度試驗(yàn)

試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[14]，采用DT-20動(dòng)彈儀測(cè)量涂料試件的橫向基頻，對(duì)涂料相對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)價(jià).試驗(yàn)用非金屬超聲檢測(cè)分析儀為北京康科瑞NM-4A.

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 微觀孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同引氣劑摻量下涂料的微觀孔累計(jì)孔體積和微觀孔平均直徑.表2為凍融循環(huán)下微觀孔分類孔徑分布特征.

圖2 不同引氣劑摻量(0，15，30次凍融循環(huán))下的微觀孔結(jié)構(gòu)

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的微觀孔分類孔徑的分布特征

由圖2a)可知，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著引氣劑摻量的增加，涂料內(nèi)部微觀孔累計(jì)孔體積降低，表明在凍融循環(huán)中引氣劑的加入可以有效抑制涂料內(nèi)部微觀孔的惡化.由圖2b)可知，在凍融循環(huán)0次時(shí)，引氣劑摻量為0.015%時(shí)，涂料微觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)15和30次時(shí)，引氣劑摻量從0%變化到0.015%時(shí)，涂料微觀孔平均直徑降低較多，而引氣劑摻量從0.015%變化到0.030%時(shí)，涂料微觀孔平均直徑基本不變.

4.2 宏觀孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為引氣劑不同摻量下的宏觀孔平均直徑.由圖3可知，在凍融循環(huán)0次時(shí)，引氣劑摻量為0%和0.015%時(shí)的涂料宏觀孔平均直徑最小；在凍融循環(huán)15次時(shí)，引氣劑摻量為0.015%時(shí)的涂料宏觀孔平均直徑最??；在凍融循環(huán)30次時(shí)，引氣劑摻量為0.015%和0.030%時(shí)的涂料宏觀孔平均直徑接近，且均顯著低于摻量為0%時(shí)的平均直徑.當(dāng)引氣劑摻量為0%和0.015%時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，涂料宏觀孔平均直徑呈增加趨勢(shì)；當(dāng)引氣劑摻量為0.030%時(shí)，涂料宏觀孔平均直徑先呈略微下降趨勢(shì)而后呈增加趨勢(shì).

由圖3可知，在凍融循環(huán)0次時(shí)，引氣劑摻量為0%和0.015%時(shí)，涂料宏觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)15次時(shí)，引氣劑摻量為0.015%時(shí)，涂料宏觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)30次時(shí)，引氣劑摻量為0.015%和0.030%時(shí)，涂料宏觀孔平均直徑接近，比摻量為0%時(shí)降低較多.當(dāng)引氣劑摻量在0%和0.015%時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，涂料宏觀孔平均直徑呈增加趨勢(shì)；當(dāng)引氣劑摻量在0.030%時(shí)，涂料宏觀孔平均直徑先微降，后呈增加趨勢(shì).

圖3 宏觀孔平均直徑

表3為凍融循環(huán)下各組宏觀孔隙的分布特征.由表3可知，引氣劑摻量為0和0.015%時(shí)，凍融循環(huán)15次時(shí)的涂料內(nèi)部宏觀孔隙率最??；引氣劑摻量為0.030%時(shí)，凍融循環(huán)30次時(shí)的涂料內(nèi)部宏觀孔隙率最小.由表3可知，在各凍融循環(huán)中，0～0.300 mm的孔隙在引氣劑摻量為0.015%時(shí)其分布最小.

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下各試驗(yàn)組的宏觀孔隙分布特征

4.3 涂料抗凍融性能

涂料凍融循環(huán)下粘結(jié)強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和損傷度的變化規(guī)律見圖4.

圖4 涂料凍融循環(huán)下粘結(jié)強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和損傷度的變化規(guī)律

由圖4a)可知，引氣劑的摻入雖然降低了涂料的初始粘結(jié)強(qiáng)度，但對(duì)涂料抗凍性有利.但是當(dāng)引氣劑摻量大于0.015%時(shí)，隨著引氣劑摻量的進(jìn)一步增大，涂料抵抗凍融循環(huán)的能力沒有明顯提高.

由圖4b)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失不斷增加；在引氣劑摻量為0%時(shí)，質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失最大；當(dāng)引氣劑摻量為0.015%時(shí)，可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的質(zhì)量損失，摻量為0.030%時(shí)相比0.015%時(shí)涂料質(zhì)量損率無(wú)明顯降低.

由圖4c)～d)可知，損傷度DL和損傷度DC的變化規(guī)律基本一致.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，涂料損傷度不斷增加；在引氣劑摻量為0%時(shí)，涂料損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，涂料損傷度最大；引氣劑可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的損傷，當(dāng)其摻量大于0.015%時(shí)對(duì)損傷的降低效果不明顯.

4.4 機(jī)理分析

研究表明，隧道防火涂料在凍融循環(huán)中受到破壞的原因主要是涂料內(nèi)部受到滲透壓力和靜水壓力作用而脹裂，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力使涂料受到損傷(損傷呈隨機(jī)分布，且各向同性)[15].針對(duì)引氣劑摻量對(duì)涂料抗凍融性能的影響，本文從水泥石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和骨料-水泥石粘結(jié)界面裂縫的產(chǎn)生兩個(gè)方面進(jìn)行機(jī)理分析.

圖5a)為涂料微孔結(jié)構(gòu)類型，研究表明，孔徑、孔的含水量以及水的冰點(diǎn)與水泥基材料的抗凍融性能和耐久性能密切相關(guān)，其中孔徑和孔內(nèi)水的飽和蒸汽壓越小，水的冰點(diǎn)越低.由圖2b)和圖3可知，涂料隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微、宏觀孔平均直徑均呈增大趨勢(shì)，引氣劑的摻入減緩了微、宏觀孔平均直徑的增大趨勢(shì).說明在凍融循環(huán)下涂料內(nèi)孔隙不斷發(fā)展，其表面積和孔徑不斷增大，引氣劑摻入不但引進(jìn)大量孔隙結(jié)構(gòu)，而且在孔周圍產(chǎn)生具有一定機(jī)械強(qiáng)度和彈性的膜結(jié)構(gòu)，所以可以減緩?fù)苛衔ⅰ⒑暧^孔平均直徑的增大趨勢(shì).

圖5b)為涂料微觀形貌圖，可以看出其內(nèi)部纖維、孔洞，以及膠狀聚合物.在凍融循環(huán)中，水泥石和骨料-水泥石粘結(jié)界面處產(chǎn)生拉壓應(yīng)力交替，當(dāng)達(dá)到界面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致其開裂.涂料內(nèi)部的封閉孔隙隨著裂縫的不斷發(fā)展與外部連通，外部水浸入時(shí)凍結(jié)，涂料體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致界面裂縫增加，如此反復(fù)將促使涂料損傷破壞.

圖5 微觀孔結(jié)構(gòu)類型與形貌圖

5 結(jié) 論

1) 引氣劑摻量不變時(shí)，涂料內(nèi)部微觀孔隙累計(jì)孔體積隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加；凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，涂料內(nèi)部微觀孔隙累計(jì)孔體積隨引氣劑摻量的增加而相對(duì)減少.凍融循環(huán)為15和30次時(shí)，引氣劑摻量從0%變化到0.015%時(shí)的涂料微觀孔的平均直徑降低得最多，而引氣劑摻量從0.015%變化到0.030%時(shí)的涂料微觀孔平均直徑基本保持不變.

2) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，引氣劑摻量為0.015%時(shí)的涂料宏觀孔平均直徑最小.

3) 當(dāng)引氣劑摻量為0.015%時(shí)，可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的質(zhì)量損失率、粘結(jié)強(qiáng)度損失率和損傷度，摻量為0.030%相比0.015%時(shí)的涂料質(zhì)量損失率、粘結(jié)強(qiáng)度損失率和損傷度無(wú)明顯降低.該研究結(jié)果可為提高隧道防火涂料的性能提供理論參考.

因受試驗(yàn)設(shè)備的限制，本文在試驗(yàn)中未能對(duì)摻入引氣劑的涂料進(jìn)行耐火性能的試驗(yàn)，且在凍融損傷試驗(yàn)中未對(duì)涂料粘結(jié)強(qiáng)度與損傷度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，后續(xù)將對(duì)此進(jìn)一步研究.