引气剂对隧道防火涂料抗冻融性能影响的研究*

吕官记 季 韬 廖 聪

(福建商学院管理工程系1) 福州 350012) (福州大学土木工程学院2) 福州 350116)

0 引 言

隧道防火涂料作为隧道衬砌的保护涂层，因隧道的特殊环境使其经常受到水害、冻害、腐蚀、空气污染等病害的侵蚀，影响其防火隔热功效[1-2].国内学者就引气剂对混凝土抗冻融性能的影响进行了研究.李光辉等[3]研究了引气剂掺量在0%～0.015%(质量分数)范围内对混凝土抗冻融性能和力学性能的影响.结果表明,0.01%掺量的引气剂对冻融循环下的抗压强度影响较小.蒋丽燕[4]研究了引气剂掺量在0%～0.015%范围内对混凝土抗冻融性能和力学性能的影响，结果表明0.01%掺量的引气剂对冻融循环下的抗压强度影响较小.张立群等[5]研究表明，C30、C40强度等级混凝土分别掺加0.02%和0.03%的引气剂时，混凝土的抗盐冻性能得到有效提高.周斌等[6]研究发现，合理的引气剂掺量能够提高混凝土抗冻融性能和耐久性能.刘性硕等[7]研究表明，合理的引气剂掺量可以改善混凝土在冻融循环条件下的抗渗性和抗冻性，提高混凝土的耐久性.董玉文等[8]研究发现添加引气剂有助于增强混凝土的抗冻性能和抗冻耐久性，但引气剂的掺量不宜过大，否则会导致其抗压性能显著降低.李静[9]研究发现，引气剂掺量为0.022%、含气量为3.9%时混凝土的抗冻性能最优，且混凝土抗压强度和质量损失较小.宋鹏程[10]研究表明，引气剂影响混凝土抗冻性能的最佳掺量为0.03%；引气剂掺量超过0.03%时，虽然引气量继续增加，但是抗冻性能却下降.

上述研究均是针对引气剂掺量对混凝土抗冻融性能的研究，而针对引气剂掺量对隧道防火涂料抗冻融性能的研究目前未见报道.为此，文中采用氮吸附法和Matlab图像处理技术对涂料孔结构进行研究，以进一步探究引气剂对隧道防火涂料抗冻融性能的影响.

1 原材料

粘结材料 普通硅酸盐水泥，安徽某公司(P·O 42.5)；高铝水泥，郑州某公司(嘉耐CA-50-A600)；可再分散乳胶粉，英国某公司生产(Con Care LA4500).

隔热耐火材料 膨胀珍珠岩(粒径小于3 mm)和膨胀蛭石(粒径小于2 mm)，福州某公司产品；海泡石，石家庄某公司产品 空心漂珠，河南某公司产品.

发泡材料 三聚氰胺和季戊四醇(天津某试剂厂产品)；聚磷酸铵(济南某公司产品).

引气剂 瑞士某公司产品(型号K12，白色粉剂)，最佳掺量为0.01%～0.03%.

助剂 氢氧化铝及氢氧化镁，天津某试剂厂产品.

其他 聚丙烯纤维(型号HT-01：长度6 mm，直径30 μm，抗拉强度≥350 MPa)，硅烷基粉末(型号SHP-50：粒径100～200 μm)，粉末聚乙烯醇(福州某公司产品，型号1788-125).

2 试验配合比

生产厂家推荐的引气剂掺量为0.01%～0.03%.纪士斌等[11]研究认为，引气剂掺量一般为水泥的质量的0.005%～0.01%(换算后占砂浆总质量0.0145%～0.029%)，强度会随着含气量的增加有所下降.根据防火涂料试配后的工作性能，本文将引气剂的试验掺量确定为0%，0.015%，0.030%，其设计配合比见表1.

表1 涂料各成分试验配合比 %

3 试件制备及试验方法

3.1 宏观孔测试方法

为减少试验分析误差，在对每组试样的图像采样过程中，相机的拍摄焦距、拍摄距离(45 cm)、拍摄方向(正对试样破坏断面)均保持一致.

使用Matlab图像处理技术图像时，采用regionprops函数获取目标孔隙特征信息，利用ismember函数拾取像素面积范围内的目标图像，用sum函数统计图像内目标总面积的像素值，用numel函数统计整个图像面积总和的像素值.

3.2 微观孔测试方法

赵鲁庆等[12]进行冻融循环作用下的黄土扫描电镜试验，通过图像处理技术获取土颗粒微结构特征的定量信息，研究了冻融循环过程中黄土颗粒微观结构形态、排列、尺寸分布的变化规律.微观孔径分析方法是采用氮气吸附法，试验仪器为北京金埃谱公司F-Sorb2800孔结构分析仪.

3.3 冻融试验

目前，用于冻融循环试验的试件主要有平板试件(用于观察冻融循环中涂料是否开裂、起层、脱落或变色等)、粘结强度试件(用于测量冻融循环前后涂料的粘结强度的变化)和立方体试件(用于测量冻融循环中涂料质量、横向基频和超声声速).文中采用TDRF-2快速冻融机测试上述3种试件.

3.4 粘结强度

粘结强度测试仪为HC-2000A智能粘结强度检测仪.测试粘结强度时，在符合文献[13]要求的条件下，为了易于仪器保持轴向受拉，对仪器进行了改进，增加了6-基座、8-万向接头、11-下夹具，见图1.

图1 试件粘结力测试仪器示意图

3.5 损伤度试验

试验参照文献[14]，采用DT-20动弹仪测量涂料试件的横向基频，对涂料相对损伤进行评价.试验用非金属超声检测分析仪为北京康科瑞NM-4A.

4 试验结果及分析

4.1 微观孔结构试验结果及分析

图2为不同引气剂掺量下涂料的微观孔累计孔体积和微观孔平均直径.表2为冻融循环下微观孔分类孔径分布特征.

图2 不同引气剂掺量(0，15，30次冻融循环)下的微观孔结构

表2 不同冻融循环次数下的微观孔分类孔径的分布特征

由图2a)可知，在相同冻融循环次数下，随着引气剂掺量的增加，涂料内部微观孔累计孔体积降低，表明在冻融循环中引气剂的加入可以有效抑制涂料内部微观孔的恶化.由图2b)可知，在冻融循环0次时，引气剂掺量为0.015%时，涂料微观孔平均直径最小.在冻融循环15和30次时，引气剂掺量从0%变化到0.015%时，涂料微观孔平均直径降低较多，而引气剂掺量从0.015%变化到0.030%时，涂料微观孔平均直径基本不变.

4.2 宏观孔结构试验结果及分析

图3为引气剂不同掺量下的宏观孔平均直径.由图3可知，在冻融循环0次时，引气剂掺量为0%和0.015%时的涂料宏观孔平均直径最小；在冻融循环15次时，引气剂掺量为0.015%时的涂料宏观孔平均直径最小；在冻融循环30次时，引气剂掺量为0.015%和0.030%时的涂料宏观孔平均直径接近，且均显著低于掺量为0%时的平均直径.当引气剂掺量为0%和0.015%时，随着冻融循环次数的增加，涂料宏观孔平均直径呈增加趋势；当引气剂掺量为0.030%时，涂料宏观孔平均直径先呈略微下降趋势而后呈增加趋势.

由图3可知，在冻融循环0次时，引气剂掺量为0%和0.015%时，涂料宏观孔平均直径最小.在冻融循环15次时，引气剂掺量为0.015%时，涂料宏观孔平均直径最小.在冻融循环30次时，引气剂掺量为0.015%和0.030%时，涂料宏观孔平均直径接近，比掺量为0%时降低较多.当引气剂掺量在0%和0.015%时，随着冻融循环次数的增加，涂料宏观孔平均直径呈增加趋势；当引气剂掺量在0.030%时，涂料宏观孔平均直径先微降，后呈增加趋势.

图3 宏观孔平均直径

表3为冻融循环下各组宏观孔隙的分布特征.由表3可知，引气剂掺量为0和0.015%时，冻融循环15次时的涂料内部宏观孔隙率最小；引气剂掺量为0.030%时，冻融循环30次时的涂料内部宏观孔隙率最小.由表3可知，在各冻融循环中，0～0.300 mm的孔隙在引气剂掺量为0.015%时其分布最小.

表3 不同冻融循环次数下各试验组的宏观孔隙分布特征

4.3 涂料抗冻融性能

涂料冻融循环下粘结强度、质量损失率和损伤度的变化规律见图4.

图4 涂料冻融循环下粘结强度、质量损失率和损伤度的变化规律

由图4a)可知，引气剂的掺入虽然降低了涂料的初始粘结强度，但对涂料抗冻性有利.但是当引气剂掺量大于0.015%时，随着引气剂掺量的进一步增大，涂料抵抗冻融循环的能力没有明显提高.

由图4b)可知，随着冻融循环次数的增加，质量损失不断增加；在引气剂掺量为0%时，质量损失随冻融循环次数的增加，质量损失最大；当引气剂掺量为0.015%时，可以有效减少涂料在冻融循环中的质量损失，掺量为0.030%时相比0.015%时涂料质量损率无明显降低.

由图4c)～d)可知，损伤度DL和损伤度DC的变化规律基本一致.随着冻融循环次数的增加，涂料损伤度不断增加；在引气剂掺量为0%时，涂料损伤度随冻融循环次数的增加，涂料损伤度最大；引气剂可以有效减少涂料在冻融循环中的损伤，当其掺量大于0.015%时对损伤的降低效果不明显.

4.4 机理分析

研究表明，隧道防火涂料在冻融循环中受到破坏的原因主要是涂料内部受到渗透压力和静水压力作用而胀裂，进而产生拉应力使涂料受到损伤(损伤呈随机分布，且各向同性)[15].针对引气剂掺量对涂料抗冻融性能的影响，本文从水泥石的微观孔隙结构和骨料-水泥石粘结界面裂缝的产生两个方面进行机理分析.

图5a)为涂料微孔结构类型，研究表明，孔径、孔的含水量以及水的冰点与水泥基材料的抗冻融性能和耐久性能密切相关，其中孔径和孔内水的饱和蒸汽压越小，水的冰点越低.由图2b)和图3可知，涂料随冻融循环次数的增加，微、宏观孔平均直径均呈增大趋势，引气剂的掺入减缓了微、宏观孔平均直径的增大趋势.说明在冻融循环下涂料内孔隙不断发展，其表面积和孔径不断增大，引气剂掺入不但引进大量孔隙结构，而且在孔周围产生具有一定机械强度和弹性的膜结构，所以可以减缓涂料微、宏观孔平均直径的增大趋势.

图5b)为涂料微观形貌图，可以看出其内部纤维、孔洞，以及胶状聚合物.在冻融循环中，水泥石和骨料-水泥石粘结界面处产生拉压应力交替，当达到界面粘结强度时，将导致其开裂.涂料内部的封闭孔隙随着裂缝的不断发展与外部连通，外部水浸入时冻结，涂料体积膨胀产生应力导致界面裂缝增加，如此反复将促使涂料损伤破坏.

图5 微观孔结构类型与形貌图

5 结 论

1) 引气剂掺量不变时，涂料内部微观孔隙累计孔体积随冻融循环次数的增加而不断增加；冻融循环次数相同时，涂料内部微观孔隙累计孔体积随引气剂掺量的增加而相对减少.冻融循环为15和30次时，引气剂掺量从0%变化到0.015%时的涂料微观孔的平均直径降低得最多，而引气剂掺量从0.015%变化到0.030%时的涂料微观孔平均直径基本保持不变.

2) 随着冻融循环次数增加，引气剂掺量为0.015%时的涂料宏观孔平均直径最小.

3) 当引气剂掺量为0.015%时，可以有效减少涂料在冻融循环中的质量损失率、粘结强度损失率和损伤度，掺量为0.030%相比0.015%时的涂料质量损失率、粘结强度损失率和损伤度无明显降低.该研究结果可为提高隧道防火涂料的性能提供理论参考.

因受试验设备的限制，本文在试验中未能对掺入引气剂的涂料进行耐火性能的试验，且在冻融损伤试验中未对涂料粘结强度与损伤度之间的关系进行研究，后续将对此进一步研究.