CN106810142A - 一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆及其制备方法 - Google Patents

一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶涂层砂浆及其制备方法。硅气凝防火涂层砂浆由以下重量配比的原料组成：水泥95‑105，砂110‑120，硅灰4‑9，保温材料10‑20，甲基纤维素醚0.3‑0.8，可分散乳胶粉2.0‑5.0，抗裂纤维0.2‑0.5，高温抑制剂2.0‑5.0，减水剂2.0‑5.0。本发明所述的硅气凝防火砂浆粘结性能好，与隧道粘结牢靠，方便施工；耐火性强，提高防火系统的安全等级，增加救援时间；抗热震性好，有效减轻隧道用高强混凝土的高温剥落；耐水性能突出，能较好地抵抗隧道水的侵蚀，延长使用年限。

Description

一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆及 其制备方法
技术领域
本发明属于隧道防火材料技术领域，特别是涉及一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，以及该砂浆的制备方法。
背景技术
随着国民经济的飞速增长与土地资源的日益紧张，许多国家都通过加快发展铁路、公路隧道和城市地铁交通来缓解地上交通压力。中国已成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多、发展最快、难度最高的国家。然而，我国对隧道结构的防火保护工作起步较晚，隧道火灾事故频发，呈逐年上升趋势，不但造成了大量的人员伤亡与财产损失，而且引发了严重的政治影响与信任危机。因此，隧道在火灾作用下的安全性问题成为社会各阶层广为关注的重大课题。然而，我国对隧道结构的防火保护工作起步较晚，20世纪80年代中期才开始，而限于当时的技术、经济状况，仅仅在极少数隧道喷涂了防火涂料，而绝大多数隧道未采取任何防火保护措施。可见，我国隧道混凝土结构的防火保护任务十分艰巨。
隧道火灾多由汽车撞击引起，燃烧物为汽油等有机物质，在未采取任何防火措施的隧道中，火灾强度高达100Mw以上，是一般建筑火灾强度的10倍，在10分钟左右，火灾温度能够迅速达到1000℃，最高温度可达1200℃，属于典型的烃类火灾。而隧道结构由不耐高温的钢筋混凝土构成，当火灾持续时间在90min以上时，隧道混凝土就会发生高温剥落，表现为受火初期的爆裂剥落与受火后期的力学性能退化(强度损失)剥落，导致隧道大面积坍塌。尤其是高强混凝土因其优异性能而越来越广泛应用于隧道结构，由于其低渗透性，导致水化物水解瞬间产生的水蒸汽压无法渗透释放，加之高温产生的热应力，使得高强混凝土结构更易发生导致早期结构爆裂性的崩塌、引起大量人员伤亡。而且火灾温度越高，混凝土强度等级越高，高温爆裂剥落发生的几率和剧烈程度就越大，留给人员逃生的时间就越短。可见，火灾作用下的剥落尤其是高强混凝土导致的早期爆裂性坍塌，不仅限制了高强混凝土优势的发挥，增加了隧道结构在火灾作用下失效的概率，而且对于人员的安全逃生造成了极大的威胁。消除或减轻混凝土在火灾高温下的剥落是隧道混凝土结构抗火性能研究的热点与难点课题，不仅具有极高的学术与工程应用价值，而且具有极大的社会影响效应。
在各种消除或减轻隧道混凝土结构火灾作用下剥落问题的对策中，对隧道混凝土进行表面处理的涂层技术因效果相对较好，施工方便，适用于新建与在役隧道等多方面的优势而备受青睐。但现有的涂层技术在应用上仍然存在瓶颈问题：涂层太厚施工困难，太薄又难以承受快速升温的热冲击；粘结强度偏低，车辆在隧道通行时产生的强风和震动极易导致涂层局部脱落；有机涂层如聚氨酯的发泡材料在火灾高温下会释放出NH3、HCN等有毒气体，影响人员和扑救者的安全；而无机涂层如多孔陶粒砂浆容易出现硬而脆、产生龟裂脱落等不利情况；耐水性较差，涂层处于隧道的潮湿环境中，会吸水积水，甚至因而脱落。由此研发出绝热性能卓越、厚度薄且耐热冲击、憎水、与混凝土粘结强度较高的涂层材料非常重要。
气凝胶本身具有的超轻质(0.001-0.5g/cm3)、高孔隙率(95-99.8％)、超绝热性(25℃、1atm条件下，0.005-0.018W/(m·K))，易于功能化(添加相应的高温红外辐射抑制剂石墨、TiO2等)使得这种材料在绝热抗火方面颇具潜力。因此开发隧道高强混凝土结构专用气凝胶涂层砂浆材料，消除其高温爆裂剥落或延长安全撤离时间，具有重大的现实研究意义与综合学术价值。目前尚无气凝胶砂浆作为高强混凝土抗隧道火灾剥落防火涂层的文献和专利报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前防止混凝土尤其是高强混凝土隧道火灾高温剥落的涂层技术不足，利用硅气凝胶作为保温骨料，考虑了级配，通过合理的配比，提供一种制备工艺简单、防火性能卓越、耐水性能良好、隧道火灾高温下燃烧无毒的隧道高强混凝土抗火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆由以下组分组成：
水泥，砂，硅灰，保温材料，甲基纤维素醚，可分散乳胶粉，抗裂纤维，高温抑制剂，减水剂。
作为对本发明的限定，本发明所述的水泥为强度等级42.5及以上的普通硅酸盐水泥；所述的砂为天然中粗或细河砂；所述的硅灰为满足中国标准GB/T27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求的合格品；所述的保温材料为最大粒径小于4.0mm的硅气凝胶；所述的抗裂纤维为长度小于12mm的聚丙烯纤维；所述的高温抑制剂为锐钛矿型或金红石型二氧化钛；所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆制备方法，包括以下步骤：
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌5～100s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌20～200s，最后加入硅气凝胶，搅拌20～300s，制备出所述的高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，具体工艺流程见图1。采用上述的技术方案后，本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明采用的硅气凝胶作为防火骨料，是一种新型环保无机轻质绝热材料，具有绝热性能良好、容重小、导热系数低等优点，防火性能良好。
2、本发明对于硅气凝胶和砂的粒径都做了筛分控制，使充当骨料的两种材料间可以达到一个良好的级配，拌制砂浆有很好的和易性，易于施工操作，同时还会对保温防火性能起到很好的改善作用。
3、本发明硅气凝胶防火涂层砂浆配合比中加入二氧化钛作为高温红外辐射抑制剂，能解决其表面的剥落和开裂问题，使硅气凝胶防火涂层砂浆与隧道高强混凝土结合紧密，从而提高其抗热震性。
4、本发明加入了适量的可分散乳胶粉后，在硅气凝胶防火涂层砂浆中形成了连续的聚合物薄膜，提高抗裂纤维和水泥砂浆的结合力，增强砂浆的内聚力和团聚性，改善了其物理性能；遇水后不会二次分散，阻止了水份的渗入，新拌的硅气凝胶防火涂层砂浆的保水性得到提高，从而提高了其耐久性。
具体实施方式
本发明将就以下实施例作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。
本发明提供一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，由以下配比的原料组成：
水泥95-105，砂110-120，硅灰4-9，硅气凝胶10-20，甲基纤维素醚0.3-0.8，可分散乳胶粉2.0-5.0，聚丙烯纤维0.2-0.5，二氧化钛2.0-5.0，聚羧酸减水剂2.0-5.0。
实施例1
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥95，砂123，硅灰6.6，硅气凝胶14.6，甲基纤维素醚0.47，可分散乳胶粉2.37，聚丙烯纤维0.28，二氧化钛2.85，聚羧酸减水剂2.85。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌15s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌30s，最后加入硅气凝胶，搅拌120s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C50的高强混凝土，标准养护28d，露天静置55d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为5mm。标准养护14d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例2
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥100，砂114，硅灰7，硅气凝胶15，甲基纤维素醚0.5，可分散乳胶粉2.5，聚丙烯纤维0.3，二氧化钛3，聚羧酸减水剂3。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌20s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌40s，最后加入硅气凝胶，搅拌150s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C60的高强混凝土，标准养护28d，露天静置45d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为4mm。标准养护7d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例3
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥105，砂105，硅灰7.35，硅气凝胶15.34，甲基纤维素醚0.53，可分散乳胶粉2.63，聚丙烯纤维0.32，二氧化钛3.15，聚羧酸减水剂3.15。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌30s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌60s，最后加入硅气凝胶，搅拌150s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C70的高强混凝土，标准养护28d，露天静置55d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为6mm。标准养护14d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例4
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥98，砂118，硅灰6.86，硅气凝胶14.8，甲基纤维素醚0.49，可分散乳胶粉2.45，聚丙烯纤维0.29，二氧化钛2.94，聚羧酸减水剂2.94。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌30s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌90s，最后加入硅气凝胶，搅拌180s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C80的高强混凝土，标准养护28d，露天静置50d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为6mm。标准养护28d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例5
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥95，砂123，硅灰6.6，硅气凝胶14.6，甲基纤维素醚0.48，可分散乳胶粉2.38，聚丙烯纤维0.29，二氧化钛2.85，聚羧酸减水剂2.85。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌20s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌120s，最后加入硅气凝胶，搅拌120s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C70的高强混凝土，标准养护28d，露天静置60d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为4mm。标准养护32d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例6
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥99，砂116，硅灰6.93，二氧化钛14.9，甲基纤维素醚0.5，可分散乳胶粉2.48，聚丙烯纤维0.30，二氧化钛2.97，聚羧酸减水剂2.97。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌30s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌90s，最后加入硅气凝胶，搅拌180s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T283-2012和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011制备出强度等级为C60的高强混凝土，标准养护28d，露天静置55d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为5mm。标准养护28d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
实施例7
一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆是由下述重量百分含量的原料制成：水泥102，砂110，硅灰7.14，硅气凝胶15.14，甲基纤维素醚0.51，可分散乳胶粉2.55，聚丙烯纤维0.31，二氧化钛3.06，聚羧酸减水剂3.06。
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌20s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌60s，最后加入硅气凝胶，搅拌150s至均匀，制备出所述的硅气凝胶防火涂层砂浆。
参照JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》与JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》制备出强度等级为C80的高强混凝土，标准养护28d，露天静置40d后(室温20±2℃)，将上述硅气凝胶防火涂层砂浆涂覆于高强混凝土表面，涂层厚度为4mm。标准养护28d后，将试件置于燃烧炉内，按照GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》中的HC升温方式燃烧，最高温度1200℃，直至高强混凝土剥落，记录其剥落时间，具体结果见表1。
上述硅气凝胶防火涂层砂浆标准养护28d后，参照GB/T 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》与GB/T 5464-2010《建筑材料不燃性试验方法》进行防火性能测试，实施例1～7产品的防火等级均达到A1级。
参照GB 10294-2008进行保温性能测试，参照GB/T 5486.2-2001《无机硬质绝热制品实验方法力学性能》与GB/T 20473-2006《建筑保温砂浆》进行物理性能测试。经实验，各实施例的性能结果如表1所示：
表1各实施例硅气凝胶防火涂层砂浆性能
本发明与现有技术相对比具有以下有益效果：一、粘结强度高，和易性及耐水性好。二、利用硅气凝胶作为防火骨料，防火效果显著，且燃烧时不会产生有毒气体，避免了污染环境。三、添加了二氧化钛作为高温辐射抑制剂，改善了硅气凝胶防火涂层砂浆的抗热震性，有效减轻了高强混凝土在隧道火灾高温下的剥落现象。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆及其制备方法，其特征在于该防火涂层砂浆原料组成成分：
水泥95-105，砂110-120，硅灰4-9，保温材料10-20，甲基纤维素醚0.3-0.8，可分散乳胶粉2.0-5.0，抗裂纤维0.2-0.5，高温抑制剂2.0-5.0，减水剂2.0-5.0。
2.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的水泥为强度等级42.5及以上的普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的砂为天然中粗或细河砂。
4.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的保温材料为硅气凝胶。
5.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的硅灰为满足中国标准GB/T27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求的合格品。
6.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的抗裂纤维为聚丙烯纤维，其长度小于12mm。
7.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的高温抑制剂为锐钛矿型或金红石型二氧化钛。
8.根据权利要求1所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
9.根据权利要求4所述的一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆，其特征在于所述硅气凝胶最大粒径小于4.0mm。
10.如权利要求1～9任意一种高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆的制备方法，包括以下步骤：
按照原料配比分别称量各原料重量；先将水泥、砂、硅灰、可再分乳胶粉、聚丙烯纤维在无重力搅拌机内搅拌5～100s形成拌合物，再加入水和减水剂充分搅拌20～200s，最后加入硅气凝胶，搅拌20～300s，制备出所述的高强混凝土抗隧道火灾剥落的硅气凝胶防火涂层砂浆。
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