聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸性能的影响

季 韬，杨越凡，林旭健，张彬彬

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

粘结性能是隧道防火涂料最重要的性能之一. 在隧道中，由于往来车辆的影响，隧道防火涂料处于振动和风吸环境中，这对隧道防火涂料的粘结性能有不利的影响. 粘结性能的好坏不仅直接影响到隧道防火涂料的防火效果，而且也成为隧道内安全行车的一个重要保障. 因此，研究振动风吸对隧道防火涂料粘结性能的影响至关重要.

目前相关研究主要集中在振动对隧道结构影响及风吸对列车的影响[1-6]. 碱矿渣水泥具有良好的耐火性能、 抗冻融循环性能、 耐腐蚀性能[7]. 据可查阅文献，将碱激发水泥应用于隧道防火涂料的研究较少； 将碱矿渣水泥应用于隧道防火涂料，并开展振动风吸的研究还未见报道. 聚丙烯纤维(polypropylene fiber，PPF)乱向、 均匀分布在隧道防火涂料中，改善了涂层的空隙结构，能够提高涂层的耐冲击性、 抗裂性、 粘结强度及抗冻融性等. 火灾下PPF融化形成无数微小的空洞，隧道防火涂料在燃烧过程产生的水分能够通过这些小孔排出，这可避免隧道防火涂料在高温下崩裂[8].

碱矿渣隧道防火涂料(alkali-activated slag tunnel fireproof，ASF)的耐火性能优于采用普通硅酸盐水泥作为粘结剂的传统隧道防火涂料[9]，然而还未有学者开展PPF掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸性能影响的研究. 本文采用改装的振动风吸试验装置，对ASF进行振动风吸试验，研究PPF掺量对ASF抗振动风吸性能的影响，并揭示其机理.

1 原材料

传统隧道防火涂料通常是由粘结材料、 耐火隔热材料、 发泡材料、 助剂四部分组成[10-11]，本文ASF配方剔除了传统隧道防火涂料中的聚磷酸铵、 三聚氰胺以及季戊四醇等发泡材料，并用碱矿渣水泥替代传统隧道防火涂料中的普通硅酸盐水泥.

1.1 粘结材料

粘结材料由碱矿渣水泥、 可再分散乳胶粉和聚乙烯醇(PVA)组成. 碱矿渣水泥由氢氧化钠和矿渣组成，其质量分数为： 矿渣93.4%，氢氧化钠6.6%. 氢氧化钠由北京康普汇维科技有限公司生产； 矿渣来自福州泰宁混凝土厂，其化学成分含量见表1，其烧失量为0.2%. 可再分乳胶粉为英国康凯尔公司生产，型号为Con Care LA4500，其理化指标见表2. PVA采用福州四方化工有限公司的产品，其理化指标见表3.

表1 矿渣化学成分

表2 可再分散乳胶粉理化指标

表3 PVA理化指标

1.2 隔热耐火材料

隔热耐火材料由膨胀珍珠岩、 膨胀蛭石、 海泡石、 空心漂珠组成. 膨胀珍珠岩和膨胀蛭石均采用福州友程耐火材料有限公司的产品； 海泡石为南阳市卧龙区磊宝海泡石加工有限公司产品； 空心漂珠为河南信阳天梯矿业开发总公司产品. 隔热耐火材料性能指标见表4.

表4 隔热耐火材料性能指标

1.3 阻燃剂及纤维材料

阻燃剂由氢氧化铝(Al(OH)3)及氢氧化镁(Mg(OH)2)组成，均为天津市福晨化学试剂厂的产品，其性能指标见表5； PPF采用滨州恒泰化纤制品有限公司的产品，其性能指标见表6.

表5 阻燃剂性能指标

表6 PPF性能指标

2 试验配合比及方法

2.1 试验配合比

为研究PPF掺量对ASF抗振动风吸性能的影响，在A0组(未掺PPF)基础上，掺入不同数量的PPF，ASF配合比见表7. 用水量为干料(包括PVA、 可再分散乳胶粉(RP)、 矿渣(Slag)、 PPF、 膨胀蛭石(EV)、 膨胀珍珠岩(EP)、 海泡石(Sepiolite)、 空心漂珠(HDB)、 Mg(OH)2、 Al(OH)3)总质量的70%. 先将干料搅拌均匀，再将NaOH溶于水制成氢氧化钠水溶液，最后将氢氧化钠水溶液倒入干料中，将其搅拌均匀.

表7 ASF配合比

2.2 粘结强度试验方法

按照《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》JG/T 24—2000[12]中的试验方法和下式可获得ASF的粘结强度.

(1)

式中：σ为粘结强度，Pa；P为拉伸荷载，N；A为粘结面积，m2.

2.3 振动风吸的试验方法

采用改装的振动风吸试验仪器，测试ASF破坏时间及不同振动风吸时间下的粘结强度，评价ASF抗振动风吸性能，其主要参数选取依据如下.

1) 风吸力取18 N. 根据田红旗研究结果[7]，在列车最高车速111 m·s-1(即400 km·h-1)下，其压力波平均幅值为2.250 kPa，若该幅值作用在面积为4 cm×4 cm的隧道防火涂料上，其产生的理论作用力大小为1.8 N. 以此作为参考，在试验过程中，为了能在较短时间内得到较为显著的试验效果，选取10倍的理论作用力18 N(实际为(18±0.1)N)作为振动风吸作用下的风吸力.

2) 破坏时间. 对表7中的配方进行试验，记录由试验开始至试件破坏所需的时间.

3) 振动风吸作用下的粘结强度. 测试各组试件振动风吸0、 5、 10、 20和30 min后的粘结强度.

4) 振动频率采用10～30 Hz. 交通引起的环境振动的显著特点是低频、 微振动，与地震、 建筑施工和工厂动力设备等其他类型振源区别明显. 调查表明，铁路和公路交通引起环境振动频率范围在几赫兹到30 Hz之间，因此采用10～30 Hz扫频振动.

5) 振动幅度取3 mm. 在实际工程中，铁路和公路交通环境引起振幅非常小，引起地基土动应变一般为10-5或更小，完全属于弹性变形阶段，因此交通环境振动及防治措施的研究范围常常是在振幅小于1 mm[13]. 考虑到仪器的限制及能在较短时间内得到显著的效果，采用振幅3 mm进行振动风吸试验.

6) 振动方向采用垂直振动. 张国斌[14]研究了列车-隧道耦合作用下的振动响应发现，隧道的振动方向以垂直振动为主，水平方向振动影响较小. 因此采用电磁式垂直振动台.

在东莞市海达(国际)仪器有限公司生产HD-A521-1C电磁式垂直振动台(图1中的底座)基础上，专门加工固定ASF试件，ASF试件见图2(包括纤维水泥板7、 待测ASF 8、 钢质夹具9和外挂重物10)的支架(图1中底座上的支架). 用上夹片夹紧ASF试件，并用螺栓锁紧，保证ASF试件能牢固地固定在支架上，试件的振幅和频率等振动特性与振动台的一致. ASF表面抗拉用钢质夹具9的质量为(112±2) g，外挂重物10的质量为(1 728±5) g. 因此，ASF表面共受到向下的作用力为(18±0.1) N((0.112+1.728)×9.8). 安装完毕之后打开振动台进行计时振动，振动达到预定时间后立即关闭振动台，将试件取下，测试其粘结强度.

图1 改装后的电磁式垂直振动台Fig.1 Modified electromagnetic vertical vibration platform

图2 ASF试件Fig.2 Specimen of ASF

3 试验结果及分析

3.1 破坏时间

图3 PPF掺量对ASF破坏时间的影响Fig.3 Influence of PPF content on the failure time of ASF

ASF在振动风吸作用下的破坏时间随PPF掺量(w)增加的变化规律如图3所示. 由图3可知，各组试件破坏时间为35～105 min. 在振动风吸作用下，ASF的破坏时间随PPF掺量的增大呈递增趋势，最终趋于收敛. 当PPF掺量不大于0.6%时，ASF破坏时间随PPF掺量的增大而增长； 当PPF掺量为0.6%(A6组)时，ASF的破坏时间与不掺PPF的(A0组)相比增加了177%. 当PPF掺量为1%(A10组)时，ASF破坏时间与掺量为0.6%的(A6组)相比仅增加了8%，显然，当PPF掺量大于0.6%时，ASF破坏时间受PPF掺量的影响较小.

3.2 粘结强度及其损失率

对于不同掺量PPF，在不同振动风吸作用时间(0、 5、 10、 20和30 min)下的ASF粘结强度见图4. 不同PPF掺量下，ASF粘结强度损失率p按下式计算，其计算结果见图5.

(2)

式中：p为振动Nmin后试件粘结强度损失率(%)；σ0为试件初始粘结强度(MPa)；σn为振动Nmin后试件粘结强度(MPa).

图4 不同振动风吸时间下ASF的粘结强度Fig.4 ASF bond strength after different vibration and wind suction time

图5 不同振动风吸时间下ASF的粘结强度损失率Fig.5 Bond strength loss rate of ASF after different vibration and wind suction time

由图4和图5可见，在振动风吸作用下，A0～A10组粘结强度(σ)均随着振动时间的增加而降低，PPF的掺入可有效减缓ASF粘结强度的下降速率. 当不掺PPF(A0组)时，ASF粘结强度随振动时间下降速率最显著； 振动风吸时间为0、 5、 10、 20和30 min时，其粘结强度分别为0.312、 0.262、 0.225、 0.182和0.153 MPa； 振动风吸时间为30 min时，其粘结强度损失率为50.9%. 振动风吸时间为0、 5、 10、 20和30 min时，A6组的粘结强度分别为0.350、 0.320、 0.311、 0.300和0.290 MPa； 振动风吸时间30 min时，其粘结强度损失率为17.1%. 在各振动风吸时间下，A6组的粘结强度均高于A0组. 振动风吸时间为30 min时，相比A0组，A6组的粘结强度损失率降低了33.8%，显然，PPF的掺入能有效提高ASF的抗振动风吸性能.

当PPF掺量大于0.6%时，PPF掺量对ASF抗振动风吸性能影响不明显. 振动风吸时间为30 min时，A10组(PPF掺量1%)的粘结强度损失率为16.1%. 与A6组相比，A10组粘结强度损失率下降不明显. 由于PPF的价格较高，考虑ASF经济性，PPF掺量为0.6%时性价比最高.

3.3 孔结构试验结果

A0组与A6组的孔结构试验结果见表8. 由表8可知，A6组比A0组的总孔体积和平均孔径明显增大，表明PPF掺量增加会加大ASF大孔的比例，增大总孔体积. PPF的加入需要较多的水泥浆包裹，在一定程度上降低ASF拌合性能，使内部缺陷增多，这是大孔增多的主要原因. 但A6组抗振动风吸性能优于A0组，这表明虽然PPF的掺入会劣化ASF的初始孔结构，但随着振动风吸试验的进行，PPF会抑制ASF内部微裂缝的发展，且起到主导作用，从而提高ASF的抗振动风吸性能.

表8 ASF的孔结构

3.4 SEM试验结果

膨胀珍珠岩是隧道防火涂料中一种重要的保温隔热材料，在ASF配方中，膨胀珍珠岩所占体积比最大，其体积超过干料总体积的50%，对提高ASF的耐火性能以及降低干密度起到至关重要的作用. 膨胀珍珠岩内部疏松、 多孔，对保温隔热性能有利，但膨胀珍珠岩作为ASF主要的骨料也较为脆弱，易破坏. 因此，水泥浆体与膨胀珍珠岩粘结是否紧密影响ASF的粘结强度. A0组和A6组在振动风吸试验破坏后的SEM见图6. 由图6可知，与A6组相比，A0组膨胀珍珠岩与浆体的界面过渡区缝隙较大(见图6(a))，这对ASF粘结强度不利，会造成ASF在振动风吸作用下产生应力集中，加快微裂缝的形成和发展； 而A6组内部膨胀珍珠岩与涂料浆体的界面过渡区几乎看不到缝隙(见图6(b))，界面过渡区较致密. A6组中PPF随机无序地分布在ASF内部，在ASF内部起到拉结作用，能有效地吸收和耗散能量，可以有效抑制微裂纹的发展. 从图6(c)中可以看出PPF上已附着大量的水化产物； 从图6(d)中发现许多PPF是被拉断的，说明PPF和水泥石之间有较强的粘结力. 因此，PPF能提高ASF粘结强度和抗振动风吸性能. 相比A0组，A6组具有更好的粘结强度和抗振动风吸性能.

4 结语

1) 在振动风吸作用下，碱矿渣隧道防火涂料(ASF)的破坏时间随聚丙烯纤维(PPF)掺量的增大呈递增趋势，最终趋于收敛. 当PPF掺量不大于0.6%时，ASF破坏时间随PPF掺量的增大而增长； 当PPF掺量为0.6%(A6组)时，ASF的破坏时间与不掺PPF的(A0组)相比增加177%； 当PPF掺量大于0.6%时，ASF破坏时间受PPF掺量的影响较小.

2) A6组各振动风吸时间下的粘结强度均高于A0组. 振动风吸时间30 min时，相比A0组，A6组粘结强度损失率降低了33.8%. PPF的掺入虽然明显增加了ASF的总孔体积和平均孔径，但其桥接作用能有效地吸收和耗散能量，抑制了微裂缝的发展，使界面结构致密，能很好地抵抗振动风吸造成的损伤，从而提高了ASF在振动风吸下的粘结强度.