新型混凝土钢结构厚型防火涂料的研制

徐世烺，李宾宾，李贺东

（浙江大学 高性能建筑结构与材料研究所，浙江 杭州　310058）



新型混凝土钢结构厚型防火涂料的研制

徐世烺，李宾宾，李贺东

（浙江大学 高性能建筑结构与材料研究所，浙江 杭州310058）

摘要：为了使新型混凝土钢结构防火涂料研制过程中能够快速地进行配合比优化，通过一系列的试验分析了粉煤灰、膨胀珍珠岩粉、水含量和引气剂等对防火涂料导热系数的影响，对开发的材料在简单加载条件下按照火灾标准升温曲线进行高温模拟，作为快速进行防火保护材料的筛选依据，并对筛选出的防火涂料进行钢结构防火涂料耐火极限测试。结果表明：粉煤灰、膨胀珍珠岩粉、水含量以及引气剂都对材料的导热系数有影响，但是起决定性因素的是引气剂掺量；按所筛选出的配合比制备的防火涂料耐高温性能良好，且在高温加载下仍能保持完整性和很好的韧性；该类型防火涂料的导热系数与密度有着密切的联系，并给出了对应的模拟曲线。研制的新型混凝土钢结构厚型防火涂料的性能符合GB 14907—2002《钢结构防火涂料》规定的一级防火涂料要求。

关键词：钢结构防火涂料；新型混凝土材料；配合比设计；模拟曲线

钢结构作为一种发展潜力巨大的结构形式迅速得到发展，但钢结构耐火性能极差的特点导致钢结构的发展造成了阻碍［1-2］。目前，钢结构防火最行之有效的办法就是涂抹防火涂料，国内现在的一些建筑防火保护材料的生产也初具规模［3］。以钢结构防火涂料为例，涂料主要分为厚型和薄型2类，按照习惯性的做法，防火效果均以材料的耐火极限为标志。试验方法以国家防火建材质检中心的测试方法为依据，耐火极限的测试须将涂料按照严格的步骤涂敷在型钢I36b（或焊接I40）表面，然后再对试件按照GB 14907—2002《钢结构防火涂料》规定的试验方法测出其对应的耐火极限。按照以上的方法进行试验耗资大并且费时，而新型耐火材料配合比设计试验过程往往需要大量的试验测定，因此，在此过程中需要用一些简单而有说服力的试验来对材料进行初步的筛选。本文主要通过初期导热系数测定试验和简单加载条件下的模拟标准火灾的高温试验对材料配比进行筛选。

膨胀珍珠岩是一种保温效果良好的天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产，常用于农业的无土栽培和改良土壤。而进入21世纪后，随着建筑火灾对社会危害越来越大，膨胀珍珠岩逐渐受到重视，开始越来越多地用于建筑结构的防火涂料研制中［4］。本文通过一系列对比分析粉煤灰、膨胀珍珠岩粉、水含量和引气剂对以高铝水泥和普通硅酸盐水泥为基体的材料的影响，研究新型低导热系数混凝土材料的初期筛选。最终材料主要以高铝水泥和普通硅酸盐水泥为粘结剂，以膨胀珍珠岩粉、膨胀蛭石粉为无机隔热填料，再掺入一定量的聚乙烯醇纤维、减水剂和引气剂配制而成。这对新型防火涂料的开发是重要的一步，对以后了解材料的防火性能也有举足轻重的作用。

1　配合比试验

1.1原材料

拉法基高铝水泥（HAC），杭州永丰耐火材料有限公司，成分：SiO2（34.69%）、Al2O3（57.4%），导热系数为0.058W/（m·K）；普通工业用42.5级硅酸盐水泥（OPC）；Ⅰ级粉煤灰（FA）；膨胀珍珠岩粉（300目），信阳同创矿业；膨胀蛭石粉（50目），行唐县鑫磊矿物粉体加工厂；漂珠，灵寿县岩诚矿产品加工厂；聚乙烯醇纤维（PVA），RECS15×12，大广安浩昌保温材料销售部；聚羧酸系高效减水剂，杭州絮媒化工有限公司；引气剂，杭州中野天然植物科技有限公司。水泥和其它掺合料的化学成分见表1。

表1　水泥等掺合料的化学成分　%

表2　部分新型混凝土钢结构防火涂料试件的配合比

1.2试验设计与制作

本次试验共制作了135组试件，部分配合比如表2所示，试件均为300mm×300mm×30mm的标准板状，试件制作完成后在养护室按照标准养护状态养护7 d，养护结束后在室内条件下放置1 d晾干，称量，按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测试试件的导热系数。测试过程中室内温度维持在25℃、环境保持干燥状态，以避免湿度对材料的导热系数造成影响，试验机控制热板温度为35℃，冷板温度为10℃，读数时保证试验机所测数据不再变化。测量完毕后，将试件放入烘箱烘干，烘箱温度设置为60℃，24h后取出，称量，用同样的方法继续测定每组试件的导热系数。最后，再将每组试件放入燃烧炉中高温灼烧90min，炉内温度按照火灾标准升温曲线进行模拟，经过高温灼烧后，待炉内温度低于100℃后将试件取出，室温下干燥冷却1 d，称量，再分别测定其导热系数，每组均为3个试件，以3个试件的算术平均值作为测试结果。

2　试验结果与分析

本节主要研究4种原材料对防火涂料导热系数的影响，所提到的掺量均指原料占防火涂料的质量百分比。

2.1粉煤灰掺量对防火涂料导热系数的影响

图1给出了表2中1～3组配比的防火涂料在不同干燥条件下粉煤灰掺量对防火涂料导热系数的影响。

图1　粉煤灰掺量对防火涂料导热系数的影响

由图1可见：（1）对于同一组试件的不同干燥条件，防火涂料的导热系数随内部的水含量的降低而大幅降低，这是由于水的导热系数比试验材料本身的导热系数大，防火涂料内部水含量越低，导热系数越小；（2）与普通混凝土不同的是［5］，防火涂料的导热系数随着粉煤灰掺量的增加而增加，这是由于粉煤灰在20℃时的导热系数为0.23W/（m·K），低于防火涂料基体的导热系数，并且粉煤灰水化过程容易填充材料内部气孔，空气在0℃时的导热系数为0.022W/（m·K）。因此，在防火涂料的配比中不建议使用粉煤灰或严格限制粉煤灰的用量。

2.2膨胀珍珠岩粉掺量对防火涂料导热系数的影响

图2为表2中4～7组配比的防火涂料在不同干燥条件下膨胀珍珠岩粉掺量对防火涂料导热系数的影响。

由图2可以看出：（1）对于同一组试件的不同干燥条件，防火涂料的导热系数随试件内部的水含量的降低而大幅降低；（2）膨胀珍珠岩粉掺量越高，防火涂料的导热系数越低，这是由于膨胀珍珠岩粉在常温下的导热系数为0.0245～0.048 W/（m·K），并且膨胀珍珠岩粉是经过预热体积膨胀10～30倍的多孔结构，内部含有大量气孔。另外，由于膨胀珍珠岩粉具有明显的吸水性，其添加量还受到可搅拌性和工作性的限制，建议在较高掺量下配合高效减水剂一起使用为宜。

2.3水含量对防火涂料导热系数的影响

图3给出了表2中11～14组配比的防火涂料不同干燥条件下不同水含量对防火涂料导热系数的影响。

图2　膨胀珍珠岩粉掺量对防火涂料导热系数的影响

图3　水含量对防火涂料导热系数的影响

由图3可以看出：（1）对于同一组试件的不同干燥条件，试件的导热系数随试件内部的水含量的降低而降低，但是防火涂料配制过程中水含量较低时，各组导热系数较为接近，说明此时水化程度较高，自由水和结合水含量相对较低；（2）在同一干燥条件下，防火涂料的导热系数随着水含量的变化较为平稳，这是由于随着水含量的变化，经过干燥的防火涂料内部的实际水含量较为接近，对导热系数没有实质性的影响。

2.4引气剂掺量对导热系数的影响

图4为表2中15～17组配比的防火涂料在不同干燥条件下不同引气剂掺量对防火涂料导热系数的影响。

由图4可以看出：（1）对于同一组试件在不同养护处理条件下，防火涂料的导热系数随试件内部的水含量的降低而稍有降低，但是引气剂掺量较高时，各组试件的导热系数较为接近，这是因为随着引气剂掺量的增加，试件内部的气孔大幅增加而连通，使防火涂料内部的自由水和结合水能够比较容易的挥发出来；（2）在相同干燥条件下，不同掺量的引气剂对导热系数影响显著，主要因为随着引气剂掺量适量的增加，防火涂料结构内部多孔疏松，充满空气，空气的导热系数远低于材料基体的导热系数，并且防火涂料内部的气孔随机分布，使材料的导热系数大幅降低。因此，在防火涂料中引入适量的引气剂是有利的。

2.5防火涂料的密度分析

图5为表2中1、4、6、7、8组和11～25组试件的密度-导热系数关系。

图4　引气剂掺量对防火涂料导热系数的影响

图5　防火涂料导热系数随密度变化的拟合直线

由图5可知，该系列防火涂料的导热系数与防火涂料的密度有一定的正相关关系，但由于只是经验性的分析，还不能武断地给出其准确的公式去计算其相关度。但对于研究防火涂料有重要的指导意义，并对防火材料的进一步开发起到关键性的作用。

2.6防火涂料的简单高温加载试验

将表2中第18组配合比的防火涂料在试验过程中经过模拟标准火灾升温曲线进行高温加载，试验选取的试件为导热系数试验试件，试件两端放置在试验炉内预先设置的铁棒上，保证试件下表面距离试验炉底部的距离为20mm，在试件上部沿着两端简支方向放置一根直径为20mm的铁棒，图6为试件加载示意图。关上试验炉炉门，按照ISO834标准火灾升温曲线进行试验，试验时间为90min，高温加载后的试件见图7。

图6　试件加载示意

图7　高温加载后试件

由图7可以看出，试件经过模拟标准火灾升温曲线的高温后依然可以保证其完整性，高温过程有加载的试件中心挠度达到跨度的1/15时试件裂缝不明显，并且没有贯通，说明材料在高温条件下仍保留一定的韧性，完整性也很好，具备防火涂料的基本属性。

3　防火涂料耐火极限试验验证

本文试验目的主要为了选取合适配比的钢结构防火涂料，设计的导热系数试验和简单高温加载试验均是前期能够对配合比进行快速的筛选。最终，选取表2的18号试验组作为最终的配合比，利用华南理工大学亚热带高温耐火实验室水平试验炉，按照GB 14907—2002进行钢结构防火涂料耐火极限测试，测试结果为：30mm厚的防火涂料的耐火极限为144min（见图8），符合一级防火涂料（钢梁构件120min）的要求。

图8　耐火试验机控制系统

4　结论

（1）对于同一组试件的不同养护处理条件，防火涂料的导热系数随试件内部的水含量的降低而大幅降低。

（2）在相同干燥条件下，随粉煤灰掺量增加，防火涂料的导热系数升高。因为粉煤灰在20℃导热系数为0.23W/（m·K），低于材料基体的导热系数，并且粉煤灰水化过程容易填充材料内部气孔［空气在0℃时的导热系数为0.022W/（m·K）］；随膨胀珍珠岩粉掺量增大，防火涂料的导热系数降低，由于膨胀珍珠岩粉在常温下的导热系数为0.0245～0.048W/（m·K），远低于材料基体的导热系数，并且膨胀珍珠岩粉是经过预热体积膨胀10～30倍的多孔结构，内部含有大量气孔；不同掺量的引气剂对导热系数影响显著，主要因为随着引气剂掺量适量增加，防火涂料结构内部多孔疏松，充满空气，空气的导热系数远低于材料基体的导热系数，并且材料内部的气孔随机分布，使材料的导热系数大幅降低。

（3）通过对防火涂料导热系数影响因素分析可以看出，对导热系数起决定性因素的是引气剂掺量，同时也发现材料导热系数与密度呈正相关关系和筛选出的部分材料良好的耐高温性，说明此方法在一定程度上是可行的，这对前期能够快速筛选合适的配比是合适的，对未来新型防火保护材料的开发也具有重要的意义。

（4）根据试验筛选出的试验组配比，当防火涂料厚度为30mm时，对应的耐火极限达到144min，符合GB 14907—2002规定的一级防火涂料要求。

参考文献：

［1］丁军，李国强，将首超.火灾下钢结构构件的温度分析［J］.钢结构，2002，17（2）：53-56.

［2］HARMATHY T Z.Thermal properties of concrete at elevated temperatures［J］.Journal of Materials，1970，5（1）：47-74.

［3］陈夙，刘军辉，杨力，等.复配型隧道防火涂料的研究［J］.新型建筑材料，2010（1）：84-86.

［4］雷友学.浅谈高层建筑火灾的特点及防火对策［J］.广东科技，2009 （206）：148-149.

［5］李磊，刘卫东，李栖彤，等.引气混凝土导热系数试验与分析［J］.河北工程大学学报，2011（9）：17-20.

中图分类号：TU545

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0001-04

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAJ13B04）

收稿日期：2015-12-07；

修订日期：2015-04-06

作者简介：徐世烺，男，1953年生，浙江杭州人，教授，博士生导师。

Development of new thick concrete of fire retardant coatings for steel structures

XU Shilang，LI Binbin，LIHedong
（Zhejiang University High-Performance Building and Material Institute，Hangzhou 310058，China）

Abstract：In order to quickly optimize the mix proportion of new concrete fire retardant coatings for steel structures in the development process of fire protection materials，through a series of experiments，the influence of fly ash，perlite powder，water content and air entraining agent on the thermal conductivity of fire retardant coating was analyzed.High temperature simulation of developed material was carried out in the simple load condition according to the fire standard temperature curve，which was used as the basis for quick screening of fire protection materials，finally ultimate fire-retardant test of the selected fire retardant coatings for steel structures was carried out.The experimental results show that：fly ash，expanded perlite powder，water content and air entraining agent all have influence to the thermal conductivity of materials，but the decisive factor is the dosage of air entraining agent.The selected mix ratio has good high temperature performance，and still maintain the integrity and good toughness while loading at high temperature.Experiment also finds that this type fireproof coating thermal conductivity coefficient and density has a close relationship，and gives the corresponding simulation curve.At the same time，the properties of the developed newthick concrete of fire retardant coatings for steel structures has reached the first grade fire retardant coating requirements as specified in national standard GB 14907—2002"fire retardant coatings for steel structures".

Keywords：fire retardant coatings for steel structures，new type concrete，mix proportion design，simulation curve