CN106630791B - 自防火水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自防火水泥基复合材料，包括基体材料，所述基体材料为水泥浆体、砂浆或普通混凝土，所述基体材料中掺有高温触发防火复合纤维和增强纤维，所述高温触发防火复合纤维由高温下可熔融的外保护层包裹高温下可发泡膨胀隔热阻燃的防火芯材构成，在基体材料接触高温时，所有高温触发防火复合纤维上的外保护层受热后熔融形成供防火芯材溢出的网状通道。与普通的水泥基材料相比，在不降低结构强度和刚度的条件下，本发明能充分提高复合材料结构的温控和耐火能力，更好地实现防爆裂与隔热的同步、火灾热触发下的智能防火，耐久性好，长期经济效益高，适合用于高层建筑、桥梁、隧道等工业建筑、民用建筑、交通设施结构的全寿命周期防火设计。

Description

自防火水泥基复合材料
技术领域
本发明涉及一种防火复合材料，特别是涉及一种自防火水泥基复合材料。
背景技术
火灾温度高(可达1000℃以上)、升温速度快(具有热冲击的特点)、持续时间长，大火不仅会造成惨重的人员伤亡和设施损毁，而且会对建筑材料或钢结构的强度造成永久性的损害，如混凝土高温爆裂、保护层剥落、钢筋出露失效、混凝土耐久性降低等。为减少火灾带来的损害，各种防火材料应运而生。
中国发明专利申请201510657437.7公开了一种基于微胶囊技术的自防火隧道混凝土衬砌结构，该结构包括普通混凝土层和自防火层。自防火层由掺有增强纤维、抗爆裂纤维和热熔微胶囊的混凝土构成，所述热熔微胶囊包括胶囊外壳和内部填充的防火介质。火灾高温引发微胶囊熔融破裂，内部防火芯材被释放，并通过纤维形成的网状通路溢出，达到自防火隔热的效果。由于上述的热熔微胶囊、增强纤维、抗爆裂纤维均匀搅拌，高度分散在自防火层中，无法保证微胶囊中的防火介质能从纤维形成的网状通路中溢出，从而导致混凝土结构自防火效用较差，同时在火灾高温的触发下，未与纤维形成的网状通路有效接触的微胶囊发生自膨胀，会对混凝结构造成一定的损伤。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题在于提供一种自防火水泥基复合材料，在高温下能够保证防火芯材从高温触发防火复合纤维上的外保护层受热后熔融形成供防火芯材溢出的网状通道溢出，从而有效地提高复合材料自防火的效用，更好的实现防爆裂与隔热的同步、火灾热触发下的智能防火。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自防火水泥基复合材料，包括基体材料，所述基体材料为水泥浆体、砂浆或普通混凝土，所述基体材料中掺有高温触发防火复合纤维和增强纤维，所述高温触发防火复合纤维由高温下可熔融的外保护层包裹高温下可发泡膨胀隔热阻燃的防火芯材构成，在所述基体材料接触高温时，所有高温触发防火复合纤维上的外保护层受热后熔融形成供防火芯材溢出的网状通道。
优选地，所述的低熔点聚合物为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或几种混合。
优选地，所述防火芯材包括高温触发阻燃材料和相变储能材料。
优选地，所述高温触发阻燃材料包括脱水成碳催化剂、发泡剂和成炭剂。
优选地，所述相变储能材料包括六水氯化钙、聚乙二醇和石蜡。
优选地，所述增强纤维为钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维或陶瓷纤维。
优选地，所述增强纤维在基体材料中的体积掺量小于2％。
优选地，所述高温触发防火复合纤维和增强纤维搅拌均匀后均匀分散在基体材料中。
如上所述，本发明涉及的自防火水泥基复合材料，能有效地提高复合材料自防火的效用，更好的实现防爆裂与隔热的同步、火灾热触发下的智能防火。
附图说明
图1是本发明的微观结构示意图
图2是高温触发防火复合纤维的横截面图。
图3是本发明在火灾高温下的智能防火机理示意图。
图4是图3中A处的放大图。
图5是本发明应用于圆形隧道结构时的实施例示意图。
图6是本发明应用于直墙拱型隧道结构时的实施例示意图。
图7是本发明应用于T型梁结构时的实施例示意图。
图8是本发明应用于箱型梁结构时的实施例示意图。
图9是本发明应用于矩形截面柱结构时的实施例示意图。
图10是本发明应用于圆形截面柱结构时的实施例示意图。
图11是本发明应用于墙体结构时的实施例示意图。
元件标号说明
1 基体材料
2 高温触发防火复合纤维
21 高温触发防火复合纤维外保护层
22 防火芯材
3 增强纤维
4 常规材料层
5 复合材料隔热层
51 网状通道
6 防火芯材热触发所形成的隔热层
7 火灾示意图
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图2所示，本发明提供一种自防火水泥基复合材料，包括基体材料1，所述基体材料1为水泥浆体、砂浆或普通混凝土，所述基体材料1中掺有高温触发防火复合纤维2和增强纤维3，所述高温触发防火复合纤维由高温下可熔融的外保护层21包裹高温下可发泡膨胀隔热阻燃的防火芯材22构成，在基体材料1接触高温时，所有高温触发防火复合纤维2上的外保护层21受热后熔融形成供防火芯材22溢出的网状通道51。由于网状通道51是由包裹防火芯材22的外保护层21受热熔融后直接形成的，所以高温下的防火芯材22能够顺利的从网状通道51中溢出，在所述自防火水泥基复合材料结构表面构成第一道具有封闭结构的隔热层6，进而可以充分发挥水泥基复合材料的防火、防爆裂、隔热的效能，同时可以避免因为高温下防火芯材的自膨胀造成的水泥基复合材料结构的一定损伤。
优选地，所述外保护层21为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或几种混合。上述纤维均为低熔点聚合物，在高温作用下可熔融消散，在基体材料1中形成不同尺度的网状通道51。
优选地，所述防火芯材22由高温触发阻燃材料、相变储能材料等材料制成；所述高温触发阻燃材料包括脱水成碳催化剂、发泡剂和成炭剂；所述相变储能材料包括六水氯化钙、聚乙二醇和石蜡等。所述防火芯材22在高温下会发生物理化学反应并膨胀发泡，在基体材料1内部与结构迎火面形成隔热防火层，阻止高温火势的蔓延。由于高温触发防火复合纤维具有外保护层21，在外保护层21的保护下使得防火芯材22处于稳定的环境，避免了防火复合材料在生产、加工、制作及运营全寿命过程中环境因素(水等)与防火芯材之间发生化学反应，确保防火芯材的长期有效性。优选地，所述增强纤维3为钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维或陶瓷纤维等。增强纤维在基体材料1中的体积掺量小于2％，用于弥补由于高温触发复合纤维2掺入而引起的材料弹性性能的降低。优选地，所述高温触发防火复合纤维2和增强纤维3搅拌均匀后均匀分散在基体材料1中。
如图3至图4所示，本发明的自防火机理在于：
1、火灾时，迎火面一定厚度的自防火水泥基复合材料中高温触发复合纤维2中由外保护层包裹着的防火芯材中的相变储能材料将吸收大量的热量，从而减缓材料内部的温升速率；同时，融熔后的高温触发防火复合纤维的外保护层21(例如，低熔点聚酯K-150熔点为145～155℃,PE在220℃左右热熔分解)在基体材料1中形成了不同尺度的网状通道51；
2、由于火灾高温7的高温触发，高温触发防火复合纤维2的外保护层21在高温下熔融，由其包裹的防火芯材22在高温下发生物理化学反应，膨胀发泡吸热耗能，物理化学反应后的防火芯材22在发泡气体的驱动下填充基体材料1上前述的网状通道51，并沿这些通道溢出，在结构表面构成了第一道具有封闭结构的由防火芯材22反应后构成的隔热层6。
3、基体材料1连同填充其间的物理化学反应后的防火芯材22构成了第二道复合材料隔热层5，隔热层6及复合材料隔热层5两者形成的复合隔热屏障，共同抑制基体材料1混凝土的温度升高及高温损伤，实现了高温触发条件下混凝土结构的自防火，以及防爆裂与隔热的同步。
4、常温下，借助增强纤维3的增强作用，弥补了由于高温触发防火复合纤维2掺入而引起的材料弹性性能的降低，实现了材料防火与机械性能之间的混杂效应。
与普通水泥基复合材料相比，本发明中的防火芯材22在高温下能完全通过由外保护层21在高温下形成的网状通道51溢出，形成防火隔热层6，从而能充分发挥本发明复合材料的自防火隔热功能；同时因为能充分溢出，所以不存在因防火芯材22自膨胀而造成基体材料1结构的损伤。本发明在不降低材料强度和刚度的条件下，能有效提高复合材料结构的温控和耐火能力，更好地实现防爆裂与隔热的同步、火灾高温触发下的智能防火，耐久性好，长期经济效益高，适合用于高层建筑、桥梁、隧道等工业建筑、民用建筑、交通设施结构的全寿命周期防火设计。
本发明可用于隧道衬砌(如图5和图6所示)、T型梁(如图7所示)、箱型梁(如图8所示)、柱(如图9和图10所示)和墙体(如图11所示)等结构，实现结构的自防火。此时，本发明根据结构受火情况，可为单面、双面、三面或多面等布置形态。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种自防火水泥基复合材料，包括基体材料(1)，所述基体材料(1)为水泥浆体、砂浆或普通混凝土，其特征在于，所述基体材料(1)中掺有高温触发防火复合纤维(2)和增强纤维(3)，所述高温触发防火复合纤维(2)由高温下可熔融的外保护层(21)包裹高温下可发泡膨胀隔热阻燃的防火芯材(22)构成，所述防火芯材(22)包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，在所述基体材料(1)接触高温时，所有高温触发防火复合纤维(2)上的外保护层(21)受热后熔融形成供防火芯材(22)溢出的网状通道(51)。
2.根据权利要求1所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述外保护层(21)为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述高温触发阻燃材料包括脱水成碳催化剂、发泡剂和成炭剂。
4.根据权利要求1所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述相变储能材料包括六水氯化钙、聚乙二醇和石蜡。
5.根据权利要求1所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述增强纤维(3)为钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维或陶瓷纤维。
6.根据权利要求1或5所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述增强纤维(3)在基体材料(1)中的体积掺量小于2％。
7.根据权利要求1所述的自防火水泥基复合材料，其特征在于：所述高温触发防火复合纤维(2)和增强纤维(3)搅拌均匀后均匀分散在基体材料(1)中。
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