呂官記 季 韜 廖 聰

(福建商學院管理工程系1) 福州 350012) (福州大學土木工程學院2) 福州 350116)

0 引 言

隧道防火涂料作為隧道襯砌的保護涂層，因隧道的特殊環(huán)境使其經常受到水害、凍害、腐蝕、空氣污染等病害的侵蝕，影響其防火隔熱功效[1-2].國內學者就引氣劑對混凝土抗凍融性能的影響進行了研究.李光輝等[3]研究了引氣劑摻量在0%～0.015%(質量分數)范圍內對混凝土抗凍融性能和力學性能的影響.結果表明,0.01%摻量的引氣劑對凍融循環(huán)下的抗壓強度影響較小.蔣麗燕[4]研究了引氣劑摻量在0%～0.015%范圍內對混凝土抗凍融性能和力學性能的影響，結果表明0.01%摻量的引氣劑對凍融循環(huán)下的抗壓強度影響較小.張立群等[5]研究表明，C30、C40強度等級混凝土分別摻加0.02%和0.03%的引氣劑時，混凝土的抗鹽凍性能得到有效提高.周斌等[6]研究發(fā)現，合理的引氣劑摻量能夠提高混凝土抗凍融性能和耐久性能.劉性碩等[7]研究表明，合理的引氣劑摻量可以改善混凝土在凍融循環(huán)條件下的抗?jié)B性和抗凍性，提高混凝土的耐久性.董玉文等[8]研究發(fā)現添加引氣劑有助于增強混凝土的抗凍性能和抗凍耐久性，但引氣劑的摻量不宜過大，否則會導致其抗壓性能顯著降低.李靜[9]研究發(fā)現，引氣劑摻量為0.022%、含氣量為3.9%時混凝土的抗凍性能最優(yōu)，且混凝土抗壓強度和質量損失較小.宋鵬程[10]研究表明，引氣劑影響混凝土抗凍性能的最佳摻量為0.03%；引氣劑摻量超過0.03%時，雖然引氣量繼續(xù)增加，但是抗凍性能卻下降.

上述研究均是針對引氣劑摻量對混凝土抗凍融性能的研究，而針對引氣劑摻量對隧道防火涂料抗凍融性能的研究目前未見報道.為此，文中采用氮吸附法和Matlab圖像處理技術對涂料孔結構進行研究，以進一步探究引氣劑對隧道防火涂料抗凍融性能的影響.

1 原材料

粘結材料 普通硅酸鹽水泥，安徽某公司(P·O 42.5)；高鋁水泥，鄭州某公司(嘉耐CA-50-A600)；可再分散乳膠粉，英國某公司生產(Con Care LA4500).

隔熱耐火材料 膨脹珍珠巖(粒徑小于3 mm)和膨脹蛭石(粒徑小于2 mm)，福州某公司產品；海泡石，石家莊某公司產品 空心漂珠，河南某公司產品.

發(fā)泡材料 三聚氰胺和季戊四醇(天津某試劑廠產品)；聚磷酸銨(濟南某公司產品).

引氣劑 瑞士某公司產品(型號K12，白色粉劑)，最佳摻量為0.01%～0.03%.

助劑 氫氧化鋁及氫氧化鎂，天津某試劑廠產品.

其他 聚丙烯纖維(型號HT-01：長度6 mm，直徑30 μm，抗拉強度≥350 MPa)，硅烷基粉末(型號SHP-50：粒徑100～200 μm)，粉末聚乙烯醇(福州某公司產品，型號1788-125).

2 試驗配合比

生產廠家推薦的引氣劑摻量為0.01%～0.03%.紀士斌等[11]研究認為，引氣劑摻量一般為水泥的質量的0.005%～0.01%(換算后占砂漿總質量0.0145%～0.029%)，強度會隨著含氣量的增加有所下降.根據防火涂料試配后的工作性能，本文將引氣劑的試驗摻量確定為0%，0.015%，0.030%，其設計配合比見表1.

表1 涂料各成分試驗配合比 %

3 試件制備及試驗方法

3.1 宏觀孔測試方法

為減少試驗分析誤差，在對每組試樣的圖像采樣過程中，相機的拍攝焦距、拍攝距離(45 cm)、拍攝方向(正對試樣破壞斷面)均保持一致.

使用Matlab圖像處理技術圖像時，采用regionprops函數獲取目標孔隙特征信息，利用ismember函數拾取像素面積范圍內的目標圖像，用sum函數統(tǒng)計圖像內目標總面積的像素值，用numel函數統(tǒng)計整個圖像面積總和的像素值.

3.2 微觀孔測試方法

趙魯慶等[12]進行凍融循環(huán)作用下的黃土掃描電鏡試驗，通過圖像處理技術獲取土顆粒微結構特征的定量信息，研究了凍融循環(huán)過程中黃土顆粒微觀結構形態(tài)、排列、尺寸分布的變化規(guī)律.微觀孔徑分析方法是采用氮氣吸附法，試驗儀器為北京金埃譜公司F-Sorb2800孔結構分析儀.

3.3 凍融試驗

目前，用于凍融循環(huán)試驗的試件主要有平板試件(用于觀察凍融循環(huán)中涂料是否開裂、起層、脫落或變色等)、粘結強度試件(用于測量凍融循環(huán)前后涂料的粘結強度的變化)和立方體試件(用于測量凍融循環(huán)中涂料質量、橫向基頻和超聲聲速).文中采用TDRF-2快速凍融機測試上述3種試件.

3.4 粘結強度

粘結強度測試儀為HC-2000A智能粘結強度檢測儀.測試粘結強度時，在符合文獻[13]要求的條件下，為了易于儀器保持軸向受拉，對儀器進行了改進，增加了6-基座、8-萬向接頭、11-下夾具，見圖1.

圖1 試件粘結力測試儀器示意圖

3.5 損傷度試驗

試驗參照文獻[14]，采用DT-20動彈儀測量涂料試件的橫向基頻，對涂料相對損傷進行評價.試驗用非金屬超聲檢測分析儀為北京康科瑞NM-4A.

4 試驗結果及分析

4.1 微觀孔結構試驗結果及分析

圖2為不同引氣劑摻量下涂料的微觀孔累計孔體積和微觀孔平均直徑.表2為凍融循環(huán)下微觀孔分類孔徑分布特征.

圖2 不同引氣劑摻量(0，15，30次凍融循環(huán))下的微觀孔結構

表2 不同凍融循環(huán)次數下的微觀孔分類孔徑的分布特征

由圖2a)可知，在相同凍融循環(huán)次數下，隨著引氣劑摻量的增加，涂料內部微觀孔累計孔體積降低，表明在凍融循環(huán)中引氣劑的加入可以有效抑制涂料內部微觀孔的惡化.由圖2b)可知，在凍融循環(huán)0次時，引氣劑摻量為0.015%時，涂料微觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)15和30次時，引氣劑摻量從0%變化到0.015%時，涂料微觀孔平均直徑降低較多，而引氣劑摻量從0.015%變化到0.030%時，涂料微觀孔平均直徑基本不變.

4.2 宏觀孔結構試驗結果及分析

圖3為引氣劑不同摻量下的宏觀孔平均直徑.由圖3可知，在凍融循環(huán)0次時，引氣劑摻量為0%和0.015%時的涂料宏觀孔平均直徑最??；在凍融循環(huán)15次時，引氣劑摻量為0.015%時的涂料宏觀孔平均直徑最??；在凍融循環(huán)30次時，引氣劑摻量為0.015%和0.030%時的涂料宏觀孔平均直徑接近，且均顯著低于摻量為0%時的平均直徑.當引氣劑摻量為0%和0.015%時，隨著凍融循環(huán)次數的增加，涂料宏觀孔平均直徑呈增加趨勢；當引氣劑摻量為0.030%時，涂料宏觀孔平均直徑先呈略微下降趨勢而后呈增加趨勢.

由圖3可知，在凍融循環(huán)0次時，引氣劑摻量為0%和0.015%時，涂料宏觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)15次時，引氣劑摻量為0.015%時，涂料宏觀孔平均直徑最小.在凍融循環(huán)30次時，引氣劑摻量為0.015%和0.030%時，涂料宏觀孔平均直徑接近，比摻量為0%時降低較多.當引氣劑摻量在0%和0.015%時，隨著凍融循環(huán)次數的增加，涂料宏觀孔平均直徑呈增加趨勢；當引氣劑摻量在0.030%時，涂料宏觀孔平均直徑先微降，后呈增加趨勢.

圖3 宏觀孔平均直徑

表3為凍融循環(huán)下各組宏觀孔隙的分布特征.由表3可知，引氣劑摻量為0和0.015%時，凍融循環(huán)15次時的涂料內部宏觀孔隙率最?。灰龤鈩搅繛?.030%時，凍融循環(huán)30次時的涂料內部宏觀孔隙率最小.由表3可知，在各凍融循環(huán)中，0～0.300 mm的孔隙在引氣劑摻量為0.015%時其分布最小.

表3 不同凍融循環(huán)次數下各試驗組的宏觀孔隙分布特征

4.3 涂料抗凍融性能

涂料凍融循環(huán)下粘結強度、質量損失率和損傷度的變化規(guī)律見圖4.

圖4 涂料凍融循環(huán)下粘結強度、質量損失率和損傷度的變化規(guī)律

由圖4a)可知，引氣劑的摻入雖然降低了涂料的初始粘結強度，但對涂料抗凍性有利.但是當引氣劑摻量大于0.015%時，隨著引氣劑摻量的進一步增大，涂料抵抗凍融循環(huán)的能力沒有明顯提高.

由圖4b)可知，隨著凍融循環(huán)次數的增加，質量損失不斷增加；在引氣劑摻量為0%時，質量損失隨凍融循環(huán)次數的增加，質量損失最大；當引氣劑摻量為0.015%時，可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的質量損失，摻量為0.030%時相比0.015%時涂料質量損率無明顯降低.

由圖4c)～d)可知，損傷度DL和損傷度DC的變化規(guī)律基本一致.隨著凍融循環(huán)次數的增加，涂料損傷度不斷增加；在引氣劑摻量為0%時，涂料損傷度隨凍融循環(huán)次數的增加，涂料損傷度最大；引氣劑可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的損傷，當其摻量大于0.015%時對損傷的降低效果不明顯.

4.4 機理分析

研究表明，隧道防火涂料在凍融循環(huán)中受到破壞的原因主要是涂料內部受到滲透壓力和靜水壓力作用而脹裂，進而產生拉應力使涂料受到損傷(損傷呈隨機分布，且各向同性)[15].針對引氣劑摻量對涂料抗凍融性能的影響，本文從水泥石的微觀孔隙結構和骨料-水泥石粘結界面裂縫的產生兩個方面進行機理分析.

圖5a)為涂料微孔結構類型，研究表明，孔徑、孔的含水量以及水的冰點與水泥基材料的抗凍融性能和耐久性能密切相關，其中孔徑和孔內水的飽和蒸汽壓越小，水的冰點越低.由圖2b)和圖3可知，涂料隨凍融循環(huán)次數的增加，微、宏觀孔平均直徑均呈增大趨勢，引氣劑的摻入減緩了微、宏觀孔平均直徑的增大趨勢.說明在凍融循環(huán)下涂料內孔隙不斷發(fā)展，其表面積和孔徑不斷增大，引氣劑摻入不但引進大量孔隙結構，而且在孔周圍產生具有一定機械強度和彈性的膜結構，所以可以減緩涂料微、宏觀孔平均直徑的增大趨勢.

圖5b)為涂料微觀形貌圖，可以看出其內部纖維、孔洞，以及膠狀聚合物.在凍融循環(huán)中，水泥石和骨料-水泥石粘結界面處產生拉壓應力交替，當達到界面粘結強度時，將導致其開裂.涂料內部的封閉孔隙隨著裂縫的不斷發(fā)展與外部連通，外部水浸入時凍結，涂料體積膨脹產生應力導致界面裂縫增加，如此反復將促使涂料損傷破壞.

圖5 微觀孔結構類型與形貌圖

5 結 論

1) 引氣劑摻量不變時，涂料內部微觀孔隙累計孔體積隨凍融循環(huán)次數的增加而不斷增加；凍融循環(huán)次數相同時，涂料內部微觀孔隙累計孔體積隨引氣劑摻量的增加而相對減少.凍融循環(huán)為15和30次時，引氣劑摻量從0%變化到0.015%時的涂料微觀孔的平均直徑降低得最多，而引氣劑摻量從0.015%變化到0.030%時的涂料微觀孔平均直徑基本保持不變.

2) 隨著凍融循環(huán)次數增加，引氣劑摻量為0.015%時的涂料宏觀孔平均直徑最小.

3) 當引氣劑摻量為0.015%時，可以有效減少涂料在凍融循環(huán)中的質量損失率、粘結強度損失率和損傷度，摻量為0.030%相比0.015%時的涂料質量損失率、粘結強度損失率和損傷度無明顯降低.該研究結果可為提高隧道防火涂料的性能提供理論參考.

因受試驗設備的限制，本文在試驗中未能對摻入引氣劑的涂料進行耐火性能的試驗，且在凍融損傷試驗中未對涂料粘結強度與損傷度之間的關系進行研究，后續(xù)將對此進一步研究.