data-full-width-responsive="true"> 新型混凝土结构防火涂料的研制□ 李振涛1, 马道贞2(1核工业北京地质研究院,北京 100029; 2中国建筑科学研究院,北京 100013)0 引 言随着钢筋混凝土结构遍布全国各地,对混凝土结构表面的防火保护,越来越受到人们的重视,需要大量与混凝土相配套的具有高技术的防火涂料,保证钢筋混凝土结构建筑的耐火极限,避免或减少火灾的损失。钢筋混凝土属于不燃性材料,在常温具有很好的力学性能,但混凝土在300 ℃时,强度开始下降,500 ℃时强度降低一半,800 ℃时强度几乎丧失[1]。一旦发生火灾,温度上升很快,材料的强度迅速降低,混凝土炸裂,造成结构倒塌,设备毁坏,人员伤亡,客观现实引起我们对开发混凝土结构防火涂料的关注。我国混凝土结构防火涂料研究始于20世纪80年代。混凝土防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型两大类。目前,膨胀型防火涂料由有机材料组成,这些成分在高温下会产生有害气体,而且对湿度敏感,性能衰减较快,其耐火极限也比较低,在生产、施工过程中对人身健康有极大危害；而非膨胀型防火涂料主要由绝热材料、黏合剂和防火添加剂等成分组成,
它属于双组分涂料,给生产、运输、施工带来不便,存在耐火时间短,涂层厚[2],不能用于户外和污染环境问题,有相当部分涂料普遍满足不了2006年公安部颁布了A98-2005《混凝土结构防火涂料》的要求。针对现有的混凝土结构防火涂料存在的问题,我们研制开发了具有耐火极限高、粘结强度高、耐潮湿、耐冻融良好、燃烧时不产生有毒气体、属于无机单组分环保的新型混凝土结构防火涂料。广泛适用于公路、铁路、城市地铁、隧道等混凝土结构表面的防火保护。1 试验部分11 设计指标开发一种新型混凝土结构防火涂料,具体设计技术指标如下：(1) 涂料的性能指标符合A98-2005《混凝土结构防火涂料》标准的要求。(2) 涂层在高温下不分解产生有毒气体,生产、运输、施工对人体无害。(3) 选用无机材料配制防火涂料,使涂料与混凝土结合牢固,并提高涂料的储存期。(4) 涂料具有耐火极限高、粘结强度高、耐潮湿、耐冻融良好的特性,可用于室内外钢筋混凝土的防火保护。(5) 涂料在生产、运输、施工均十分方便,且符合环保要求。12 配方试验研究在研制混凝土防火涂料过程中,不仅要考虑选用原料具有较高的耐高温性能,还要考虑其具有较强的隔热能力(即低的导热系数)、导温系数和良好的理化性能及施工性能,同时还要考虑到涂料选材与混凝土配偶、潮湿基面施工和原料成本等问题。按照本试验技术指标,主要采用我国含量丰富的非金属矿物、无机水凝性黏合剂及添加剂进行配制。121 防火纤维试验防火纤维为涂料的主体,主要起增强涂层强度和骨架等作用,防止涂料干燥后和高温下龟裂、脱落情况出现。分别选用玻璃纤维、硅酸铝纤维、矿渣棉和海泡石棉4种材料进行试验。试验发现: 玻璃纤维不容易剪切和加工；硅酸铝纤维不用剪切,但不易分散；矿渣棉容易分散但长度不满足要求,配制涂料干燥后收缩大、开裂；海泡石棉容易分散长度适宜,配制的涂料干燥后不收缩开裂。最后选用海泡石棉作为防火纤维。122 绝热骨料试验[2]绝热骨料是配制混凝土防火涂料的主体,主要起隔热、耐高温作用,阻止火灾中热量向混凝土结构传热造成结构失去力学性能。为了降低涂料的密度,我们选用轻质材料隔热、耐高温材料作为绝热骨料。一般情况下,绝热骨料的容重、导热系数、导温系数有这样关系：在一定容重范围内,容重小,导热系数小,单导热系数反而大。对于稳态温度而言,导热系数大小决定了材料隔热性能的好坏。而火灾升温过程属于非稳态温度场,材料对于温度传递的快慢程度是由导温系数来衡量,即决定火灾热量向基体传递的速度主要因素是导温系数。为此,针对膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、空心微珠材料的容重、导热系数和导温系数的分析,选用导温系数小的膨胀蛭石作为绝热骨料。我们选用容重大、导温系数小的膨胀蛭石。123 防火黏合剂试验黏合剂是将防火纤维、绝热骨料等成分黏合成防火涂层,并使防火涂料固化产生强度的材料,是防火涂料的重要组成部分。针对无机黏合剂我们选用了5种材料试验,试验结果见表1。
通过试验,我们选定B矿物经改进后作为本涂料的防火黏合剂,该防火黏合剂以水为分散介质,可在常温常压下进行水化和凝固,并且可在潮湿基面使用,对涂料的施工极为方便。该防火黏合剂粘结强度高,属于无机胶凝材料,它与混凝土具有良好的附着力,凝固后具有很好的耐水性和耐候性,且不像水泥等有过期失效现象。防火黏合剂高温反应原理[3]：B矿物(即防火黏合剂)化学成分为Al2O3mH2O,防火纤维、绝热骨料主要含有S i O2这样形成Al2O3mH2O－SiO2体系,该涂料在加热过程中,发生了一系列的物理和化学变化,涂料遇火后高温时,防火黏合剂的结晶水经过逐步脱除释放出来吸收热量,这对混凝土结构耐火极限起到很好的作用。随着温度升高Al2O3mH2O结晶水脱除完后,Al2O3变成活性Al2O3,而活性Al2O3和SiO2反应形成莫来石及其结晶并具有一定的强度,通过上述的变化涂层遇火后还是具有一定强度,并且致密地包裹着钢梁。如果采用水泥、石灰作为防火黏合剂配制的涂料,遇火后易分解并生成游离的CaO,冷却后CaO吸水形成Ca(OH)2,同时伴随着体积变化,致使性能降低甚至破坏。我们选用B矿物作为防火黏合剂具有理论根据,且能够满足防火要求。124 添加剂试验[3]为了提高涂料黏合、促凝性能和改善施工时的流动性,选用了10多种添加剂进行试验,最终采用A型、B型两种材料经过特殊处理复合成C型化学助剂,解决了涂料凝结、泌水、泛碱、干燥慢、干燥后缩及泵送难流畅等问题。125 涂料配方的确定防火纤维、绝热骨料及黏合剂用量的比例直接影响混凝土结构防火涂料的容重、粘结强度和耐火性能,我们将各组分在一定范围内各取若干水平进行配方正交设计,同时考虑要满足技术指标,研究各成分的配比,通过大量的试验最后确定了这种单组分混凝土结构防火涂料的配方见表2。
126 生产工艺流程图[4]在涂料配方确定的基础上,结合原材料的性质,同时考虑生产的简便性,设计出给料、计量配料、混合搅拌、包装4道工序的生产工艺。其工艺流程图如图1。
2 技术性能该无机单组分混凝土结构防火涂料在中国建筑科学研究院防火研究所测试,依据A98-2005《混凝土结构防火涂料》标准,测试结果见表3。
3 结 论(1) 研制的新型混凝土结构防火涂料依据A98-2005《混凝土结构防火涂料》标准要求,经中国建筑科学研究院防火研究所检测,各项技术性能指标都达到国内外同类产品先进水平,能满足防火工程的需要。(2) 该防火涂料属于无机单组分涂料,具有无毒、无味、在火灾高温中不产生浓烟和有害气体。且以水为分散介质,常温常压下进行水化和凝固,可在潮湿基面使用,施工极为方便。(3) 该防火涂料原料国内资源丰富,生产工艺简便,质量可控。(4) 该防火涂料能广泛应用公路、铁路、城市地铁、隧道等室内外混凝土结构表面的防火保护。
