凍融循環下隧道防火涂料粘結性能研究

廖 聰，季 韜，江其東

(1．福州大學土木工程學院，福建福州 350116;2．福建同利建材科技有限公司，福建福州 350001)

0 引言

由不斷增長的交通流量以及運輸物品的復雜性而引發的隧道火災不計其數，如意大利阿爾卑斯山的勃朗特隧道火災和浙江省貓貍嶺隧道火災等．在隧道內襯表面涂抹隧道防火涂料是提高隧道耐火能力，為人員爭取逃生時間的重要措施．隧道防火涂料在凍融等惡劣環境下的性能退化機理值得關注．

目前針對水泥基材料在凍融循環下的研究，大多集中在混凝土方面．Powers［1］提出混凝土凍融破壞的靜水壓力假說;Kaufmann［2］提出在凍融循環下，混凝土毛細孔內冰的測試方法;Sun等［3］研究凍融循環、外荷載及氯鹽耦合下混凝土的性能．當隧道遭受凍害時，隧道防火涂料可能因其粘結強度退化引起剝落，這將成為隧道內通行車輛的安全隱患．在GA 28375—2012《混凝土結構防火涂料》［4］中，新增了凍融循環15次后粘結強度這一指標．然而，目前關于凍融對隧道防火涂料粘結強度影響的研究很少．基于自主研發的隧道防火涂料，本文從宏微觀角度研究凍融循環下隧道防火涂料粘結強度的退化規律．

1 原材料

粘結材料:普通硅酸鹽水泥(海螺P．O 42．5水泥);高鋁水泥(鄭州長城特種水泥有限公司，型號:嘉耐CA－50－A600);可再分散乳膠粉(英國康凱爾公司生產，型號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)(福州友程耐火材料有限公司產品);海泡石(石家莊天源礦業有限公司產品);空心漂珠(河南信陽天梯礦業開發總公司產品)．

發泡材料:三聚氰胺和季戊四醇(天津市福晨化學試劑廠產品);聚磷酸銨(濟南金盈化工有限公司產品)．

助劑:氫氧化鋁及氫氧化鎂(天津市福晨化學試劑廠產品)．

其他:聚丙烯纖維(型號:HT－01;規格:長度6 mm，直徑30μm，抗拉強度≥350 MPa)，硅烷基粉末(型號:SHP－50;粒徑100～200μm)，粉末聚乙烯醇(福州四方化工有限公司產品，型號:1788－125)．

2 試驗設計

2．1隧道防火涂料配合比

采用課題組自主研發的隧道防火涂料，其配合比見表1［5］．

表1 隧道防火涂料配合比Tab．1 Mix proportion of tunnel fireproof coating

2．2 凍融性能試件制備及試驗方法

凍融循環試驗試件分為三種類型(圖1):①平板試件(含涂層和底板)，用于觀察凍融循環中隧道防火涂料是否開裂、起層、脫落或變色等，底板尺寸為150 mm×70 mm×10 mm，隧道防火涂料涂層厚度為(5±1)mm;②長方體試件，用于測量凍融循環中隧道防火涂料質量損失和動彈性模量損失，尺寸為70．7 mm×70．7 mm×210 mm;③粘結強度試件(含涂層和底板)，用于測量凍融循環下隧道防火涂料的粘結強度，底板尺寸為70 mm×70 mm×10 mm，隧道防火涂料涂層厚度為(5±1)mm．平板試件和粘結強度試件的制備應符合GA 28375—2012《混凝土結構防火涂料》［4］的要求，且試件底板應滿足JC/T 626—2008《纖維增強低堿度水泥建筑平板》［6］的要求．

圖1 三種規格的試件Fig．1 Three types of specimens

按GBT 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［7］進行抗凍性、動彈性模量和試件質量測定．采用的快速凍融試驗機型號為TDRF－2，凍結溫度為(－17±2)℃，完成凍結所需時間為1．5～2．5 h，融化溫度為(8±2)℃，完成融化所需時間為1．0～1．5 h．動彈性模量測定儀型號為DT－20．采用智能粘結強度檢測儀(型號:HC－2000A，液壓油缸行程10 mm，測量范圍0～6．0 kN，分辨率0．001 kN)，按照標準 GA 28375—2012［4］進行粘結強度測試．

質量、動彈性模量和粘結強度損失率按照下式計算:

式中:Δm，ΔE，Δτ分別為n次凍融循環后試件質量、動彈性模量和粘結強度損失率;m0，E0，τ0分別為凍融循環前的試件質量、動彈性模量和粘結強度;mn，En，τn分別為凍融循環后的試件質量、動彈性模量和粘結強度．

2．3 孔結構試件制備及試驗方法

按表1中的配合比制成70．7 mm×70．7 mm×70．7 mm的試塊，養護28 d后，搗碎成直徑約為3 mm的顆粒(含膨脹珍珠巖和膨脹蛭石細骨料)．為保證每次取樣的穩定性，用0．63μm方孔篩將較小顆粒篩去，取約3 g搗碎的樣品顆粒放入樣品管中，采用孔結構分析儀(型號:F－Sorb2800)進行孔結構測試．

3 試驗結果及分析

3．1 凍融試驗結果

隧道防火涂料試件在不同凍融循環下的外觀如圖2所示，凍融循環試驗結果見表2、圖3、圖4．

圖2 不同凍融循環下試件的外觀Fig．2 Appearance of specimens under different freezin g and thawing cycles

表2 試驗結果Tab．2 Test results

圖3 凍融循環下的質量損失率Fig．3 Mass loss rate under freeze－ thaw cycles

圖4 凍融循環下粘結強度損失率Fig．4 Bonding strength loss rate under freeze － thaw cycles

不同凍融循環下的可測最小孔徑如表3所示，隧道防火涂料試件在不同凍融循環下的累計孔體積及分布(孔體積及其占累計孔體積的百分比)如表4所示．

表3 不同凍融循環下的可測最小孔徑Tab．3 Pore diameter measured under different freeze－thaw cycles

表4 孔體積分布及累計孔體積Tab．4 Pore volume distribution and cumulative pore volume

3．2 分析與討論

前15次凍融循環試件外表并無明顯變化．第15次時，隧道防火涂料粘結強度為0．175 MPa，滿足標準GA 28375—2012［4］的要求(≥0．15 MPa)，此時隧道防火涂料粘結強度損失率為60．7%，質量損失率0．21%．凍融循環到第30次時，試件首先出現凍脹跡象，有明顯鼓包(直徑約4 cm，凸起高約3 mm，見圖2(b))，用手擠壓起包的地方，有水被擠出，此時隧道防火涂料粘結強度損失率為75．5%，質量損失率0．52%．凍融進行到45次時，試件鼓包處進一步惡化，有較大裂紋產生，裂紋長度超過試件寬度1/2(圖2(c))，此時隧道防火涂料粘結強度損失率為79．8%，質量損失率0．62%．當凍融進行到60次時，試件表面粗大麻面增多(圖2(d))，試件鼓包處破裂脫落，脫落處試件呈粉狀，此時隧道防火涂料粘結強度損失率為80．2%，動彈性模量損失率為97．4%，質量損失率0．82%．由于聚丙烯纖維對水泥基隧道防火涂料在凍融循環下的裂縫擴散有一定的抑制作用，當隧道防火涂料的粘結強度和動彈性模量損失較大時，其質量損失仍較小．聚丙烯纖維可減緩隧道防火涂料的剝落，這對隧道內的行車安全是有益的．

由表3可知，凍融循環為15、30、45和60次時，可測得的最小孔徑降低，分別為14．8、8．6、8．0和7．3 nm．這表明隨著凍融循環的進行，原來閉合的小孔不斷被打開，孔結構惡化，隧道防火涂料凍融破壞嚴重．從表4可以發現，隨著凍融循環的進行，不同孔徑范圍的孔體積和累計孔體積均增加．凍融循環15、30、45和60次時，隧道防火涂料累計孔體積分別為9．34、18．61、20．72和22．83μL·g－1(表4)，其粘結強度損失分別為60．7%、75．5%、79．8%和80．2%(圖4)．因此，從宏微觀試驗數據分析可知，隧道防火涂料粘結性能的退化在前30次較為明顯，而后趨于平緩．

4 結語

1)聚丙烯纖維對水泥基隧道防火涂料的裂縫擴展有一定抑制作用，因此隧道防火涂料雖然破壞嚴重，但未有明顯剝落現象，質量損失較小，這有益于隧道內行車安全．

2)隨著凍融循環次數的增加，不同孔徑范圍的孔體積和累計孔體積均增加，隧道防火涂料粘結強度損失增大．在凍融循環的前30次，隧道防火涂料粘結性能降低顯著，而后降低不明顯．