冶金渣-硫鋁酸鹽膠凝體系材料加熱變化及防火機理

張海龍，包森布爾，聶京凱，喬小冬，梁偉，霍文明，姬軍*

冶金渣-硫鋁酸鹽膠凝體系材料加熱變化及防火機理

張海龍1，包森布爾1，聶京凱2，喬小冬1，梁偉1，霍文明1，姬軍2*

（1.國網內蒙古東部電力有限公司 內蒙古超特高壓分公司，內蒙古 通遼 028000； 2.國網智能電網研究院有限公司，北京 102209）

為了探尋地下管廊更高防火等級的新要求，利用冶金渣-硫鋁酸鹽膠凝體系制備富含鈣礬石、C-S-H凝膠結合的防火分隔材料。通過高溫煅燒試驗和熱分析，并結合物相分析、微觀結構觀察、孔隙結構測試等手段，對樣品高溫行為進行研究。冶金渣膠凝體系中混摻硫鋁酸鹽膠凝材料，有利于鈣礬石的生成，在50～350 ℃的溫度區間樣品的脫水吸熱量從73.27 J/g增加到109.40 J/g以上，樣品抗壓強度從37.18 MPa提高到40.68 MPa以上。在1 000 ℃下30 min噴燒試驗結果顯示，10 mm厚度所制備的冶金渣-硫鋁酸鹽膠凝體系樣品的背火面溫度為383～336 ℃，且隨硫鋁酸鹽膠凝材料混摻量的增加而降低，其防火性能優于玻鎂板和硅鈣板防火材料的。該材料熱防護機理為含結晶水物相的燒蝕吸熱、燒蝕后產生的多孔層的隔熱和高溫下材料宏觀結構完整性的共同作用。

熱防護；鈣礬石；冶金渣；硫鋁酸鹽水泥；吸熱作用

隨著城市化進程的推進，采用地下管廊布設輸電線纜，既改善環境，又方便設備維護與檢修[1]。高壓電力輸送過程，電纜絕緣層機械損傷、老化，電纜載流導體長時間過載發熱，常發生電線短路、絕緣層擊穿起火等現象。地下電纜火災，不僅影響管廊內各線纜的運行安全，也對管廊材料造成高溫破壞，引起結構失穩[2-4]。研究發現，防火隔板可以顯著減緩地下管廊中火勢的蔓延，降低管廊內的溫度[5-6]。隨著特高壓電壓等級的不斷提升，電纜的發熱量也在不斷增加，這也對防火隔板的熱防護性能提出了更高的要求[7-8]。

鈣礬石是一種高含結晶水礦物，分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。鈣礬石吸收熱量后，脫去部分或全部結晶水，再水化又能放出熱量，因此鈣礬石被作為一種新的儲能介質受到關注[9-11]，其儲能密度可高達約500 kW/m3。本研究利用鈣礬石脫水可吸收大量熱量的特點[12]，將其作為熱防護材料的燒蝕組分。利用廉價的高鈣和鋁含量的礦渣、鋼渣，再配以同為工業固體廢棄物的脫硫石膏來合成鈣礬石[13-15]，利用硫鋁酸鹽水泥來調整鈣礬石含量，制備了冶金渣膠凝材料-硫鋁酸鹽膠凝材料體系的防火隔熱材料。對防火隔熱材料的高溫、防火性能進行了測試研究，結合組成、孔隙結構的變化，探討了這種材料的熱防護機理，并將其與市售玻鎂板、硅鈣板防火材料進行試驗對比，發現其防火性能優越，作為燒蝕新型隔板可滿足地下管廊電纜防火的更高要求。此外，近年有關硫鋁酸鹽水泥的研究多集中于該水泥的低碳特性，以及其與普通硅酸鹽水泥的復合，鋼渣、礦渣等固體廢棄物對其水化過程的影響等方面[16-18]，而冶金渣膠凝材料水化產物中富含鈣礬石，其制品的防火性能也同樣值得研究。

1 試驗

1.1 原料

試驗用冶金渣來自武鋼，礦渣粉末經X射線衍射（XRD）物相分析為玻璃態物質，測得勃氏比表面積為560 m2/kg，X射線熒光光譜（XRF）分析關鍵氧化物MgO、CaO、Al2O3、SiO2的質量分數分別為7.16%、34.14%、13.90%、31.06%，計算得到礦渣的水硬系數為1.78，活度系數為0.45，堿度系數為0.92。鋼渣粉末為除鐵后的熱悶鋼渣經磨細得到，比表面積為450 m2/kg，MgO、CaO、Al2O3、SiO2的質量分數分別為8.22%、38.96%、4.31%、14.14%，主要物相有C3S、β-C2S、Ca(OH)2、RO相等。脫硫石膏粉末比表面積為420 m2/kg，主要物相為二水石膏。硫鋁酸鹽水泥熟料粉末采用唐山北極熊公司生產的72.5級硫鋁酸鈣膠結料，主要物相為無水硫鋁酸鈣（3CaO·3Al2O3·CaSO4）、β-C2S、C2F和無水硫酸鈣（CaSO4）。

1.2 樣品制備及煅燒、噴燒試驗

冶金渣膠凝材料采用礦渣、鋼渣、脫硫石膏以質量比16∶4∶3配制而成；硫鋁酸鹽膠凝材料采用硫鋁酸鹽水泥熟料和脫硫石膏以質量比17∶3配制而成。將這2種膠凝材料分別以質量比100∶0、75∶25、50∶0、25∶75和0:100設置成A、Q、H、S和C 5個樣品體系，設定水膠比為0.32，聚羧酸減水劑加入量為膠凝材料質量的1%。各原料在砂漿攪拌機中混合、澆注成型，置于溫度為20 ℃、相對濕度大于95%的養護箱中1 d后脫模，再養護至總齡期14 d。取出樣品，在50 ℃烘箱中干燥48 h得到防火分隔材料樣品。

為了探討樣品在高溫下的變化，將大小為80 mm× 20 mm×20 mm樣品在馬弗爐中分別以溫度500、800和1 000 ℃煅燒2 h，測量煅燒前后樣品的質量與長度，計算得到質量燒失率與長度方向線收縮率。對煅燒后樣品的強度、物相組成、微觀結構、孔隙結構進行測試、分析，并與煅燒前樣品進行對比。

噴燒樣品大小為100 mm×100 mm×20 mm，使用甲烷噴槍將燃燒火焰直接噴射樣品正面。樣品背面預先鉆取1.5 mm的小孔，在距離迎火面10 mm處布設熱電偶。熱電偶接入溫度數據采集儀，每1 s讀取一次溫度值。噴燒試驗迎火面溫度為1 000 ℃，持續時間為30 min，觀察噴燒過程樣品迎火面與背火面的變化。

1.3 測試方法

樣品熱分析采用德國耐馳公司STA449F3型TG/DSC同步熱分析儀進行測試，粉末樣，N2環境，升溫速率為10 ℃/min。物相組成采用日本理學公司Ultima Ⅳ型X射線衍射儀進行測試。Cu靶，衍射角為5°～60°，樣品為粉末樣。微觀結構采用捷克TESCAN MIRA公司S6123型場發射掃描電鏡進行觀察，樣品為斷口樣，觀察前樣品表面經噴金處理。壓汞法孔結構采用美國麥克儀器公司AutoPore Ⅳ 9500型壓汞儀進行測試，樣品為塊狀樣。

2 結果與分析

2.1 煅燒試驗

2.1.1 樣品高溫燒失率與線收縮率變化

圖1為在500、800和1 000 ℃溫度下煅燒后樣品質量燒失率和線收縮率隨膠凝材料中硫鋁酸鹽膠凝材料摻比的變化。由圖1可見，樣品的燒失率與收縮率均隨摻比增加而增大。冶金渣膠凝材料中摻入質量分數25%的硫鋁酸鹽膠凝材料，可顯著提高樣品的燒失率值，但線收縮率也有所提高。未摻加硫鋁酸鹽膠凝材料的樣品A經1 000 ℃煅燒，其燒失率為18.80%，線收縮率為2.42%；摻加硫鋁酸鹽膠凝材料后的樣品Q，燒失率提高到了21.61%，線收縮率略增加到了2.64%。全為硫鋁酸鹽膠凝材料的樣品C的這2個值分別為25.74%和4.27%，線收縮率值明顯變大。燒失率高有利于樣品防火性能的改善，而過高的收縮率則對樣品高溫結構完整性非常不利。

圖1 樣品煅燒后的燒失率與線收縮率變化

2.1.2 樣品強度變化

經高溫煅燒，樣品的抗壓強度發生明顯下降，如圖2所示。對于相同配比的樣品，在500 ℃和800 ℃下煅燒后樣品強度比較接近，而1 000 ℃下煅燒強度則進一步下降。冶金渣膠凝材料中混摻硫鋁酸鹽膠凝材料，可提高樣品的抗壓強度，煅燒后的強度也能保持少量的增長。樣品A煅燒前抗壓強度為37.18 MPa，1 000 ℃燒后強度為5.84 MPa；樣品Q的這2個強度值分別為40.68 MPa和6.35 MPa；樣品C煅燒前強度高達50.30 MPa，燒后仍有11.34 MPa。

2.1.3 微觀結構變化

圖3為高溫煅燒前后樣品A、樣品C和樣品H的場發射掃描電鏡（FESEM）形貌照片。煅燒前樣品A中可見延伸向氣泡中生長的針狀-柱狀鈣礬石（AFt）晶簇，以及呈絮片狀的CaO-SiO2-H2O（C-S-H）凝膠（圖3a）。樣品C中，束狀、放射狀AFt與絮狀或細小片狀C-S-H凝膠生長在一起（圖3b）。在500 ℃煅燒樣品中仍保留原有水化產物的外形，如鈣礬石的柱狀外形，樣品內部出現微裂紋（圖3c、d）。在1 000 ℃煅燒樣品中出現大量圓形狀-棱柱體顆粒，樣品A中這些顆粒均在0.5 μm以下，而且出現不規則收縮裂紋（圖3e）；而樣品C中這些顆粒大小不一，收縮裂紋沒有樣品A明顯（圖3f）。2種膠凝材料混摻的樣品，其微觀結構近似于2個端元樣品A和C的復合體。2種膠凝材料各50%的混摻樣品H，煅燒前其中的AFt呈放射狀分布于氣泡內及穿插在C-S-H凝膠之間，晶體數量明顯多于樣品A（圖3g），在1 000 ℃下煅燒后也形成了圓形狀小顆粒，部分顆粒團聚在一起，沒有明顯的微裂紋出現（圖3h）。

圖2 樣品煅燒前后的抗壓強度變化

圖3 煅燒前后樣品A、C、H的FESEM圖

2.1.4 孔隙結構變化

圖4為在1 000 ℃下煅燒前后樣品A、C的累計孔隙體積分布曲線。由圖4可見，煅燒前樣品A孔徑集中于3～20 nm和1～4 μm 2個范圍，煅燒后樣品總孔隙體積明顯增加，孔徑變大，分布于0.2～0.6 μm和2～4 μm。對于樣品C，煅燒前樣品孔徑分散于3 nm～2 μm，煅燒后孔徑變大，分布區間變窄且集中在0.2～2 μm。在1 000 ℃下煅燒前后各樣品的具體孔結構參數值見表1。由表1可見，樣品煅燒后總孔隙體積、平均孔徑和孔隙率均變大，而總孔隙面積急劇縮小，體積密度降低。

2.1.5 物相組成變化

圖5a為煅燒前樣品的XRD譜圖，各樣品的主要水化物相的衍射峰為鈣礬石峰（圖5a中標注為E）。此外，樣品中還有水化產物C-S-H凝膠生成，由于其結晶度差，在圖中以寬的非晶態峰顯示出來。冶金渣膠凝材料體系樣品A的XRD譜圖中，鈣礬石峰很明顯，同時還有少量二水石膏（G）峰。當其中混摻硫鋁酸鹽膠凝材料后，樣品譜圖中鈣礬石峰強度明顯增大，說明混摻有利于鈣礬石的生成，也促進材料強度的增大。樣品A的抗壓強度為37.18 MPa，混摻后樣品強度提高到了40.68 MPa以上，如圖2所示。鈣礬石的生成需要消耗二水石膏，因此在混摻樣品中二水石膏峰消失不見或其峰變得很弱。硫鋁酸鹽膠凝材料摻量超過50%后的樣品（H、S和C）譜圖中有未水化的無水硫鋁酸鈣的殘余峰。在1 000 ℃下煅燒后各樣品的XRD譜圖見圖5b，2個端元膠凝材料體系樣品A和C的煅燒產物有很大的不同，而混摻樣品的產物為二者混合物相，同時含有鈣鋁黃長石（H）、無水硫鋁酸鈣（Y）、鎂硅鈣石（M）、硫硅鈣石（T）和無水硫酸鈣（B）。

圖4 在1 000 ℃下煅燒前后樣品 A和C的孔隙分布對比

表1 在1 000 ℃下煅燒前后樣品A和C的孔結構參數

Tab.1 Pore structure parameters of samples A and C before and after calcination at 1 000 ℃

圖5 煅燒前后樣品的XRD譜圖

注：B為無水硫酸鈣，CaSO4，37-1496#；E為鈣礬石，3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，41-1451#；G為二水石膏，CaSO4·2H2O，33-0311#；H為鈣鋁黃長石，2CaO·Al2O3·SiO2，35-0755#；L為β-2CaO2·SiO2，33-0302#；M為鎂硅鈣石，3CaO·MgO·2SiO2，35-0591#；T為硫硅鈣石，4CaO·2SiO2·CaSO4，49-1807#；Y為無水硫鋁酸鈣，3CaO·3Al2O3·CaSO4，33-0256#。

圖6為樣品A和C在不同煅燒溫度下的產物XRD譜圖，作為對比，煅燒前樣品譜圖也加入圖中。由圖6可見，樣品煅燒后二水石膏和鈣礬石物相消失。其中樣品A在500 ℃下煅燒后，其主要衍射峰為無水石膏（B）、硫硅鈣石（T）和β-C2S（L）的峰，峰值較小，且在2為30°～34°內有個寬的非晶態峰。當煅燒溫度達到800 ℃和1 000 ℃時，樣品中出現鈣鋁黃長石（H）和鎂硅鈣石（M）的衍射峰，β-C2S峰消失（圖6a）。樣品C在500 ℃和800 ℃下煅燒后的主要衍射峰為無水石膏、β-C2S和無水硫鋁酸鈣的峰，峰值相對較小。煅燒溫度達到1 000 ℃時，樣品中出現大量硫硅鈣石衍射峰，無水硫鋁酸鈣峰值增大，但無水石膏峰值則降低，β-C2S峰消失（圖6b）。

2.2 TG/DSC熱分析

圖7a為樣品的TG曲線，根據曲線變化，將其劃分為3個溫度階段：[50,350) ℃，對應著鈣礬石、C-S-H凝膠和二水石膏的脫水質量損失階段；[350,560) ℃，對應著可能存在的Ca(OH)2、Mg(OH)2等物相的脫水分解；[560,1 000) ℃，對應著方解石等碳酸鹽礦物以及其他難分解礦物的分解。其中第1階段的質量損失率在DSC曲線上表現為明顯的吸熱谷，如圖7b所示。根據DSC曲線計算得到在50～350 ℃溫度區間內樣品的脫水吸熱量，并列于表2中。同時表2也給出該溫度區間樣品的質量損失率、質量損失比，以及在500、800和1 000 ℃ 3個溫度下通過TG分析得到的樣品質量損失率與馬弗爐煅燒得到的燒失率。其中的區間質量損失率為樣品在50～350 ℃內的質量損失占總質量損失的比例，其值都超過了50%，說明這些樣品中燒失量的一半以上是由鈣礬石、C-S-H凝膠和二水石膏貢獻的。TG得到的質量損失率與煅燒的燒失率很接近，有很好的對應關系。

圖6 不同煅燒溫度下樣品A和C的XRD譜圖

圖7 煅燒前樣品的熱分析曲線對比

表2 樣品的脫水吸熱量和質量損失率

Tab.2 Dehydration enthalpy and weight loss of samples at various temperature

注：*指溫度區間為50～350 ℃。

2.3 噴燒試驗

圖8為樣品C與對比樣品在噴燒過程中的迎火面溫度與背火面溫度的變化圖。由圖8可見，噴燒迎火面溫度很快上升到1 000 ℃，并在1 000 ℃發生少量的波動，這個溫度維持了30 min。樣品C背火面溫度曲線在前期階段（3～7 min）有個溫度約100 ℃的“小臺階”，而作為對比的硅鈣板其曲線幾乎沒有“小臺階”。表3列出了各樣品的背火面溫度和體積密度值，同時給出對比樣品玻鎂板與硅鈣板的相關數值。由表3可見，試驗樣品的背火面溫度均低于玻鎂板和硅鈣板的溫度。試驗樣品的燒蝕組分主要為鈣礬石、C-S-H凝膠和二水石膏（原料組分的少量殘留），而硅鈣板為托貝莫來石（5CaO·6SiO2·5H2O），玻鎂板為518相[5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O]和318相[3Mg (OH)2·MgCl2·8H2O]等物相。

圖8 噴燒試驗樣品溫度變化

圖9為試驗樣品在1 000 ℃下噴燒30 min后迎火面和背火面的照片。圖9中不管是迎火面還是背火面上較寬一些的裂紋，均為噴燒停止后才出現，而迎火面上很細小的裂紋是噴燒過程中產生的。噴燒試驗樣品在噴燒過程中均未發現貫穿性裂縫，但迎火面上都會不同程度地產生細小的裂紋。這些微裂紋的產生是由于樣品中的鈣礬石、C-S-H凝膠、二水石膏等燒蝕組分在高溫下脫水導致的體積收縮。

2.4 分析與討論

冶金渣膠凝材料加水拌和后，鋼渣中的C3S發生水化反應，生成C-S-H凝膠和Ca(OH)2。Ca(OH)2與脫硫石膏共同激發礦渣水化，生成鈣礬石和C-S-H凝膠，其中鈣礬石的生成反應見式（1）。

3Ca(OH)2+(Al2O3)+3(CaSO4·2H2O)+23H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (1)

式中的(Al2O3)來自礦渣中的玻璃態物相。

硫鋁酸鹽膠凝材料與水拌和后，熟料中的無水硫鋁酸鈣與脫硫石膏作用，生成鈣礬石，其水化過程如式（2）所示。

3CaO·3Al2O3·CaSO4+2(CaSO4·2H2O)+37H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+6Al(OH)3(2)

水化產物Al(OH)3還能進一步與Ca(OH)2、石膏作用，生成鈣礬石。因此，混合膠凝材料體系樣品中會有更多的鈣礬石生成，表現在比單一冶金渣膠凝材料的樣品A更高的高溫燒失率以及更大的強度上。

鈣礬石有32個結晶水，理論脫水質量損失率為45.93%。鈣礬石大量脫水溫度約為100 ℃，二水石膏約為150℃，鈣礬石吸熱谷與C-S-H有部分重復，Al(OH)3脫水溫度為200～350 ℃，這些物相在350 ℃時全部水脫去[19]。將計算的各樣品在50～350 ℃的脫水吸熱量列于表2中。樣品A、Q、H、S和C的吸熱值分別為73.27、109.40、135.67、151.04和158.10 J/g，可知吸熱值隨著硫鋁酸鹽膠凝材料摻入量的增加而增大。高的脫水吸熱值對應著樣品在噴燒試驗中具有更低的背火面溫度。

根據孔隙結構的研究發現，加熱后的樣品總孔隙體積明顯增大，孔隙率提高，孔徑集中在1 μm左右的狹窄范圍。樣品在加熱的情況下，隨著燒蝕過程，迎火面一側內部產生了大量細小的孔隙，而且這個孔隙結構的變化逐漸向背火面一側移動。這樣的多孔結構降低了固體導熱的比例，而背火面的平均孔徑只有幾十個納米，阻礙了孔隙中的高溫氣體與背火面的對流作用。材料本身的體積密度較大，對高溫熱輻射也有很強的抑制作用。

除了燒蝕吸熱、多孔結構層的隔熱作用外，材料樣品在高溫下也保持了良好的宏觀結構完整性，避免加熱過程中大的貫穿性裂縫的出現。

表3 試驗樣品與對比樣品在1 000 ℃噴燒30 min時的背火面溫度

注：表中數值為10 mm厚度樣品的測試值。

圖9 1 000 ℃噴燒試驗后樣品表面照片

3 結語

1）礦渣、鋼渣、脫硫石膏以質量比16∶4∶3配制而成冶金渣膠凝材料，水膠比為0.32，標準養護14 d，再經50 ℃干燥后得到的樣品A，其體積密度為1 830 kg/m3，抗壓強度為37.18 MPa。在1 000℃下煅燒燒失率為18.80%，線收縮率為2.42%，燒后抗壓強度仍有5.84 MPa。

2）硫鋁酸鹽水泥熟料與脫硫石膏以質量比17∶3配制而成硫鋁酸鹽膠凝材料，在同樣條件下制備得到的樣品C，其體積密度更低，為1 667 kg/m3，抗壓強度高達50.30 MPa。在1 000℃下煅燒燒失率為25.74%，但線收縮率較大，為4.27%，燒后抗壓強度為11.34 MPa。

3）冶金渣膠凝材料中混摻硫鋁酸鹽膠凝材料有利于水化樣品中鈣礬石的形成，提高樣品常溫及高溫煅燒后的強度，增加燒蝕組分含量，提高脫水吸熱量，其高溫收縮率稍有提高。混合膠凝材料制備得到的樣品Q、H和C的各參數介于樣品A和C的各參數之間。

4）厚度為10 mm的樣品A、Q、H、S、C在1 000 ℃下噴燒30 min，背火面溫度分別為383、370、355、348、336 ℃，低于同條件下對比樣品玻鎂板、硅鈣板的溫度（393 ℃和517 ℃）。所研究的材料樣品的熱防護機理主要是鈣礬石、C-S-H凝膠組成的燒蝕吸熱、燒蝕后產生的多孔層的隔熱，以及高溫下材料宏觀結構完整性3個方面的共同作用。

冶金渣膠凝材料中混摻少量硫鋁酸鹽膠凝材料后，樣品的燒失率得到較大的增長，但高溫收縮率并沒有顯著增加，強度獲得了提高，防火性能得到了改善。雖然噴燒試驗顯示混摻樣品的防火性能略遜于硫鋁酸鹽膠凝材料體系樣品的，但其具有生產成本低、在火災高溫下體積穩定性更好等優點?；鞊綐悠纷鳛橐环N低碳防火產品，更適合于地下管廊電纜防火的大規模應用。

[1] XUE Gang, LIU Shi-feng, GONG Da-qing, et al. Environmental Intelligent Control of Underground Integrated Pipe Gallery Based on Equipment Failure Rate[J]. IEEE Access, 2019, 7(99): 1.

[2] 曹慶臣. 城市地下管廊消防系統安全性分析[J]. 建筑技術開發, 2021, 48(10): 92-94.

CAO Qing-chen. Analysis on Safety of Fire Protection System of Urban Underground Pipe Gallery[J]. Building Technology Development, 2021, 48(10): 92-94.

[3] 劉海峰, 劉敬文, 沈學良, 等. 地下綜合管廊電力艙火災演化行為和特性[J]. 消防科學與技術, 2021, 40(6): 822-826.

LIU Hai-feng, LIU Jing-wen, SHEN Xue-liang, et al. Evolution Behaviors and Properties of Fires in Power Compartments in Underground Utility Tunnels[J]. Fire Science and Technology, 2021, 40(6): 822-826.

[4] 陳德平, 侯柯屹, 王立佳, 等. 超級絕熱型防火材料的研究進展及其在城市地下空間的應用展望[J]. 工程科學學報, 2017, 39(6): 811-822.

CHEN De-ping, HOU Ke-yi, WANG Li-jia, et al. Status and Development of Fire Protection Materials Based on Super Thermal Insulator and Their Application Prospect in Urban Underground Space[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2017, 39(6): 811-822.

[5] 陶海軍, 朱國慶, 趙永昌, 等. 綜合管廊電纜燃燒煙氣溫度實驗研究[J]. 消防科學與技術, 2017, 36(6): 745-748.

TAO Hai-jun, ZHU Guo-qing, ZHAO Yong-chang, et al. Experimental Study on Fire Smoke Temperature of Urban Utility Tunnel Cable[J]. Fire Science and Technology, 2017, 36(6): 745-748.

[6] 李政, 張國維, 賈伯巖, 等. 綜合管廊內防火隔板對電纜火蔓延的影響[J]. 消防科學與技術, 2020, 39(5): 611-614.

LI Zheng, ZHANG Guo-wei, JIA Bo-yan, et al. Effect of Fire Barrier on the Spread of Cable Fire in Utility Tunnel[J]. Fire Science and Technology, 2020, 39(5): 611-614.

[7] Q/GDW 12067—2020, 高壓電纜及通道防火技術規范[S].

Q/GDW 12067—2020, Technical Specification for Fire Prevention of HV Power Cables and Channels[S].

[8] 陳遠東, 張海龍, 包森布爾, 等. 水菱鎂石-蛭石質防火隔板制備及防火性能研究[J]. 非金屬礦, 2023, 46(1): 6-10.

CHEN Yuan-dong, ZHANG Hai-long, BAO Sen-bu-er, et al. Preparation of Hydromagnesite-Vermiculite Based Fire Barrier and Its Fire Protection Performance[J]. Non-Metallic Mines, 2023, 46(1): 6-10.

[9] CHEN Bao, JOHANNES K, HORGNIES M, et al. Characterization of an Ettringite-Based Thermochemical Energy Storage Material in an Open-Mode Reactor[J].

Journal of Energy Storage, 2021, 33(33): 102159.

[10] CHEN Bao, KUZNIK F, HORGNIES M, et al. Physicochemical Properties of Ettringite/Meta-Ettringite for Thermal Energy Storage: Review[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 193: 320.

[11] HONORIO T. Thermal Conductivity, Heat Capacity and Thermal Expansion of Ettringite and Metaettringite: Effects of the Relative Humidity and Temperature[J]. Cement and Concrete Research, 2022, 159: 65-68.

[12] 李潔茹. 硫鋁酸鹽-冶金渣膠凝體系材料制備及其防火性能研究[D]. 北京: 北京科技大學, 2023: 75-79.

LI Jie-ru. Preparation of Sulphoaluminate-Metallurgical Slag Cementation System Materials and its Fire Performance Research[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2023.

[13] 賈新松, 陳德平, 于曉偉, 等. 海水浸泡下全固廢膠凝材料的試驗研究[J]. 硅酸鹽通報, 2022, 41(3): 913-921.

JIA Xin-song, CHEN De-ping, YU Xiao-wei, et al. Experimental Study on Total Solid Waste Cementitious Materials Soaked in Seawater[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2022, 41(3): 913-921.

[14] 崔孝煒, 倪文, 狄燕清. 鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料的化學活化[J]. 硅酸鹽通報, 2018, 37(4): 1411-1417.

CUI Xiao-wei, NI Wen, DI Yan-qing. Chemical Activation of Cementitious Materials with all Solid Waste Based of Steel Slag and Blast Furnace Slag[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2018, 37(4): 1411-1417.

[15] 張金良, 吳向東, 符勇. 鋼渣—礦渣基膠凝材料特性研究[J]. 能源與環保, 2019, 41(6): 66-68.

ZHANG Jin-liang, WU Xiang-dong, FU Yong. Study on Properties of Steel Slag and Slag-Based Cement[J]. Zhongzhou Coal, 2019, 41(6): 66-68.

[16] TAO Y, RAHUL A V, MOHAN M K, et al. Recent Progress and Technical Challenges in Using Calcium Sulfoaluminate (CSA) Cement[J]. Cement and Concrete Composites, 2023, 137: 104908.

[17] YOON H N, SEO J, KIM S, et al. Hydration of Calcium Sulfoaluminate Cement Blended with Blast-Furnace Slag[J]. Construction and Building Materials, 2020, 268: 121214.

[18] LIAO Yi-shun, JIANG Guo-xi, WANG Ke-jin, et al. Effect of Steel Slag on the Hydration and Strength Development of Calcium Sulfoaluminate Cement[J]. Construction and Building Materials, 2020, 265(5): 120301.

[19] QOKU E, BIER T A, WESTPHAL T. Phase Assemblage in Ettringite-Forming Cement Pastes: a X-Ray Diffraction and Thermal Analysis Characterization[J]. Journal of Building Engineering, 2017, 12: 37-50.

Thermal Performance of Metallurgical Slag and Sulfoaluminate Cement Based Materials and Their Fire Protection Mechanism

ZHANG Hai-long1, BAOSEN Bu-er1, NIE Jing-kai2, QIAO Xiao-dong1, LIANG Wei1, HUO Wen-ming1, JI Jun2*

(1. Inner Mongolia EHV and UHV Company, State Grid Inner Mongolia East Power Co., Ltd., Inner Mongolia Tongliao 028000, China; 2. State Grid Smart Grid Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China)

The work aims to prepare a kind of fire barrier bonded with C-S-H gel and rich in ettringite content with metallurgical slag and sulfoaluminate cement, in order to meet the higher fire protection demand of underground pipe gallery. The performance of sample at high temperature was investigated via calcination test and thermal analysis combined with means of phase determination, microstructure observation and pore structure examination. Adding sulfoaluminate cement to metallurgical slag system was conducive to the formation of ettringite during hydration. The heat absorption of sample increased from 73.27 J/g to above 109.40 J/g at dehydration temperature range of 50 ℃ to 350 ℃ and the compressive strength also increased from 37.18 MPa to above 40.68 MPa. The results of spray fire testing at 1 000 ℃ for 30 min showed that the backfire temperature of the sample prepared at a thickness of 10 mm lied between 383 ℃ and 336 ℃, which decreased along with the increasing content of sulfoaluminate cement and the sample had superior property in fire protection than the glass fiber - magnesium oxychloride (GFMO) board and calcium silicate autoclaved (CSA) board. The thermal protection mechanism of the sample is due to the combined effect of heat absorption in dehydration of crystallization water-containing phases, thermal insulation of porous layer derived from dehydration, and maintenance of macrostructural integrity for sample at high temperature.

thermal protection; ettringite; metallurgical slag; sulfoaluminate cement; heat absorption effect

TU545

A

1001-3563(2023)19-0265-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.034

2023-08-15

國家電網公司科技項目（526608210002）

責任編輯：曾鈺嬋