磷酸钾镁水泥隧道防火涂料制备研究.docx

福州大学专业学位研究生论文开题报告论文题目磷酸钾镁水泥隧道防火涂料制备研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据(包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等)1.1 研究背景随着社会的发展，大城市地面交通显然不能适应城市发展的要求，所以地下铁路便应运而生。同时城市间的物资流通、人际交往，促成出现了大量的公路隧道和铁路隧道H-L很多隧道在承担交通运输的同时还是光缆、电力电缆甚至输油管的通道。因此，隧道火灾事故是经济损失最大、抢救最难、中断行车时间最长的交通事故3】。据研究，隧道一旦发生火灾，隧道内壁和拱顶的迎火面温度在15min内就可升至100OC以上，内衬钢筋的温度也可达到300,强度开始下降。60Inin以上就会造成混凝土炸裂，隧道发生坍塌。隧道公路和铁路建设事业的加速发展和高新技术的应用，隧道内的防火问题越来越引起人们的高度重视。因此,开展隧道防火方面的研究具有十分重要的现实意义。隧道防火涂料是一种针对隧道内壁和拱顶在火灾中免受烧损而专门设计的一种专用防火涂料，其具有众多的优点:隧道防火涂料喷涂在隧道内拱顶和侧壁的表面,起防火隔热保护作用，可有效防止隧道内钢筋混凝土在高温下强度降低,避免混凝土炸裂及内衬钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道垮塌等。隧道防火涂料不仅具有良好的粘结、耐火性能，而且其使用成本低、施工方便，因此隧道防火涂料拥有具大的发展与应用空间。从国内外文献专利看出，目前用于隧道防火涂料按其涂层燃烧后的状态变化和性能特点可分为膨胀型和非膨胀型两类。(1)非膨胀型隧道防火涂料又称为隧道防火隔热涂料、无机隧道防火喷涂料。它主要是由无机粘结剂、轻质骨料、填料和化学助剂等组成的。使用时涂层较厚(10三以上)，密度较小，热导率低。因此当隧道内发生火灾，受到高温侵袭时具有耐火隔热作用，从而减缓隧道的损失程度。但纯粹由无机物构成的防火涂料质地较脆，容易出现龟裂、脱落等不良现象。因此，在非膨胀型隧道防火涂料的研究中，一般采用水性有机-无机复合涂料的研究技术路线。(2)膨胀型隧道防火涂料的涂层较薄，受火时涂层发泡膨胀，形成耐火隔热层，从而保护隧道中混凝土结构免受损失。这类涂料一般为厚浆涂料，主要成分为高分子基料，通过加入防火助剂(如P-C-N体系)和耐火填料，有时还加入高熔点的无机纤维，有阻燃、抑烟作用的阻燃剂等，使涂层在高温火焰下形成低膨胀率而高强度的碳化发泡层。根据隧道结构、材料和防火要求的特点，目前以非膨胀型隧道防火涂料的应用较为普遍,但膨胀型隧道防火涂料的研究也已取得较大进展。1.2 国外隧道防火涂料研究现状隧道防火涂料的发展是伴随着防火涂料的发展历程而产生的专门针对隧道防火的涂料产品。在国外，防火涂料的发展始于1837年LoUiSPaCmbOenf研制出第一款防火涂料网。1873年人们开始将石灰、氢氧化钾、硫酸铝和普通盐加入到水性漆和油性漆中作为建筑的防火涂料；而到了1884年锦化物开始作为阻燃剂；1889年人们提出使用硼酸盐类作为阻燃剂；1933年有人提出将硅等无机材料作为非膨胀型防火涂料；1936年卤素碳氢化合物与锌化合物混合体系作为阻燃剂的方法被提出，至今这一体系仍然广泛沿用。1948年美国Abi公司生产并申请专利的Abi-clad膨胀型防火涂料成为具有代表性的防火涂料U纥1949年日本东亚涂料株式会社，推出了以硅酸碳酸钠为主要基料的水性防火涂料WL1965年，美国MonSant。公司和VanderSan实验室研发出聚磷酸钺，致使隧道防火涂料获得良好成膜性、耐洗刷”射支到了70年代中期，膨胀型防火涂料已经发展成三大系统：即磷酸二氢镂/磷酸二氢核系统(AP),磷酸三聚鼠胺系统(MP)和聚磷酸铉系统(APP)ll51o在防火涂料的发展过程中，科研人员的不懈努力，逐渐有针对性的发展了隧道防火涂料。AntOn.0CtaVian等I将波特兰水泥和高铝水泥作为粘结剂，以硬硅钙石、钙硅石、蛭石等为无机隔热填充料，添加一定的增强剂和助剂，研制了一种可用于混凝土及预应力混凝土结构,特别是隧道内的优质防火涂料。Weil.E等口则从水泥、无机矿物纤维、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和轻质碳酸钙出发研制出新的无机建筑物防火涂料。Kidder等I以高铝水泥、增强纤维、海泡石、钙硅石和无定型硅石等为主要成分研制出了具有优良隔热性能和防爆性能，适用于隧道结构和建筑物外墙的防火涂料。随着隧道防火涂料研制工作的展开和隧道防火意识的不断加强，欧美国家逐渐将隧道防火作为隧道安全设计一个重要指标。在美国、英国、德国等欧美国家隧道防火涂料已经广泛的应用到实际的隧道及地下工程中，生产产品性能优越，产品远销世界各国。例如德国HerbertS生产的“WaterBased38320,防火涂料以及英国“Nullifire”生产的防火涂料能够在较薄涂层的情况下达到极高的耐火强度。TetZner和Aberle等人对德国、英国、法国、意大利、瑞士、奥地利、西班牙和比利时等多个欧洲国家的隧道进行了一个统计，统计表明，1990年后这些国家修建的隧道，其结构都进行了防火保护1。1.3国内隧道防火涂料研究现状我国对隧道结构进行防火保护工作始于20世纪80年代中期，但限于当时的技术、经济状况，除了上海延安东路越江隧道等有限的几个隧道喷涂了防火涂料外，其它隧道的结构都没有采取防火措施。真正根据有关隧道设计规范设计、建造隧道,还是近几年的事，而隧道防火涂料的应用，则是从2001年前后开始的。当时，一些企业将厚型钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料使用，这些涂料保护的对象是不同的，电缆防火涂料是专用于电缆的被动防火保护的涂料，按IS0834曲线升温，耐火极限最多20min,根本抵挡不了隧道的火灾，电缆防火涂料的有效成分几乎全是有机物质，有机物质的通性是性质不稳定，因而其耐久性差，更致命的是火灾时,涂料会产生有害物质，在隧道中绝对不能选用网。现如今国内就隧道防火涂料研究已开展了大量的工作，隧道防火涂料的研制取得了较大的进展。何世家研发了一种可以在潮湿环境中使用，环境友好的膨胀型隧道防火涂料程小伟将可在分散乳胶粉加入水泥基防火涂料中改善隧道防火涂料的粘结性、耐水性，提高其耐冷热循环和耐火性能31。尹光福等采用有机无机粘结剂研制了单体系复合型隧道防火涂料，并申请了专利因】。姚亚东、尹光福、余川江等制得的一种可膨胀石墨-胶粉体系薄层隧道防火涂料，涂层较薄也具备较高的耐火极限，且石墨阻燃不产生烟气，安全环保侬1。范弘和沙月华使用胶粉、硅灰、石粉、陶土、硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩等制备出耐火耐水，耐酸、碱性较好的隧道防火涂料31。徐志胜、黄林冲等通过在涂料中添加纳米TiO?和沸石粉，制备出能净化空气、降噪防霉、耐火极限高、无毒害气体产生符合环保要求的隧道防火涂料2组杨保平、崔定伟、崔锦峰等通过引入Br元素使得隧道防火涂料具备良好装饰性、防火性能好、硬度高、耐化学介质等优点ML左国庆通过在隧道防火涂料中加入聚丙烯纤维和硅烷基粉末等改善了隧道防火涂料的防水抗裂性能12叫隧道防火涂料基料的选择也是相当重要的，可用作该防火涂料基料的无机基料有碱金属硅酸盐类、磷酸盐类等。磷酸盐类基料用作防火涂料，可以提高涂料的耐候性、耐水性等理化性能12几1.4隧道防火涂料的发展趋势隧道防火涂料的研制正向“五E”方向迈进，即提高涂膜质量(EXCeIIent)、方便施工(EaSyofapplication)、节省资源(EConomics)、节省能源(EnergySaVing)、生态平衡(ECology)O研制的涂料既要满足工业化连续生产的需要,又要保障生产时无“三废”产生。因此,隧道防火涂料一般应采用非膨胀型的、无污染的水性有机-无机复合涂料的研究技术路线。其今后的发展方向为曲31(1)发展超薄型膨胀隧道防火涂料和无机轻质膨胀型隧道防火涂料等,避免现有的隧道防火涂料涂层过厚的缺陷；(2)发展水性和环保型隧道防火涂料,尽量减少或避免因生产、施工或燃烧造成的环境污染和人身伤害；(3)水性隧道防火涂料在温度0以下施工时，由于水结冰,影响涂料的初凝时间及粘结性能,天气转暖后,冰块融化,涂层局部有空鼓、开裂甚至脱落现象，尚需进一步完善；(4)寻求在涂料中使用的高性能增强材料，以确保涂层膨胀后能长时间耐火隔热而不致脱落,并在隧道防火涂料的耐水性、装饰性、降低成本等方面不断发展；（5）既要重视防火性、理化性能和使用性能的研究,也要重视提高施工技术水平，以保证产品和涂层的品质；（6）拓展隧道防火涂料应用领域,例如大型地下车库、停车场等场所。1.5问题的提出磷酸镁钾水泥是由重烧Mg0、磷酸二氢钾、缓凝剂及矿物掺合料按一定比例配制而成，其水化反应实质上是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应。重烧MgO是由菱镁矿（MgCoD经1700C左右高温锻烧而成，磷酸二氢钾主要为水化反应提供酸性环境和磷酸根离子。为使磷酸钾镁水泥具有充分的施工操作时间，缓凝剂也是必不可少的组分，硼砂是目前使用最多的缓凝剂。粉煤灰价格低廉、来源广泛，作为磷酸钾镁水泥的矿物掺合料不仅可降低水泥成本,还可调整磷酸镁水泥的颜色及改善磷酸镁水泥的性能HL磷酸钾镁水泥是一种可持续发展胶凝材料。与传统硅酸盐水泥的燃烧工艺相比，磷酸钾镁水泥不需要消耗大量的粘土资源和能源，在一定程度上有利于耕地的保护和能源的合理规划使用。在西方发达国家，磷酸钾镁水泥体系已大量用于生物材料、耐火材料、废弃物处理和建筑材料等，国内也于20世纪90年代初开始加大磷酸钾镁水泥基材料的研究力度用】。磷酸钾镁水泥具有传统水泥无以比拟的性能：（1）凝结硬化迅速,早期强度高,3h强度可达40MPa以上；（2）与旧混凝土有相近弹性模量和膨胀系数,体积相容性好,粘结强度高；（3）对钢筋的防锈性能好，同等条件下,钢筋的锈蚀率仅为普通硅酸盐水泥的22.8%和矿渣水泥的48.6%;（4）抗盐冻、冻融循环能力强,40次冻融循环后才出现表面剥蚀现象；（5）耐热性能好,理论上至少可以经受1300°C;超过800时,硬化水泥石转为类似陶瓷的结构，强度反而提高33）。本课题从隧道防火涂料的发展趋势和磷酸钾镁水泥优异的性能出发，将磷酸钾镁水泥应用于隧道防火涂料是可行的。如果能制备出性价比更高的隧道防火涂料，将为磷酸钾镁水泥和隧道防火涂料的发展开辟一条新的道路。二、论文的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题（包括具体研究与开发的主要内容、目标和要重点解决的关键技术问题）2.1 研究目标将磷酸钾镁水泥运用于隧道防火涂料，通过试验确定磷酸钾镁水泥隧道防火涂料的最优配合比，使之满足规范混凝土结构防火涂料（GB28375-2012）要求。2.2 研究内容主要研究以下几个方面的内容：（1）确定磷酸钾镁水泥的最优配合比。（2）确定隧道防火涂料的最优配合比。（3）隧道防火涂料基本性能的机理分析。（4）检测隧道防火涂料的性能指标。（5）揭示耐火极限随涂层厚度的变化规律。2.3 3拟解决的关键问题（1）磷酸钾镁水泥应用于隧道防火涂料能否满足可喷射的工作要求？（2）如何使隧道防火涂料满足粘结强度、耐火性能和耐水性的要求？三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究的基本思路，研究过程拟采用的方法和手段，现有研究条件和基础，研究开发方案和技术路线等）3.1 基本思路（1）本文首先回顾国内外学者对隧道防火涂料的研究成果，提出磷酸钾镁水泥应用于隧道防火涂料的可行性。（2）通过正交试验研究磷酸钾镁水泥隧道防火涂料的配方。（3）通过微观试验对隧道防火涂料的基本性能进行机理分析。(4)按规范混凝土结构防火涂料(GB28375-2012)要求检测通过所有性能指标。(5)总结研究成果，提出进一步研究的建议。3.2 拟采用的方法和手段(1)对相关文献进行研究，找出合理的试验因子，设计高效的正交试验方案。(2)以粘结强度、耐火性能、耐水性和可喷射性为指标，通过正交试验确定隧道防火涂料的酉口合比。(3)按规范混凝土结构防火涂料(GB28375-2012)要求，浇捣预埋热电偶的混凝土底板进行耐火性能测试，并将市场已销售的普通隧道防火涂料作为对比试验。(4)通过孔结构、ESEM和同步热分析等微观试验进行基本性能机理分析。3.3 技术路线国内外研究现状调研重新设计凝结时间微观试验未通过 4其它性能检测耐火极限和涂层厚度关系结论与展望3.4 现有研究条件和基础(1)磷酸钾镁水泥具有传统水泥所不具有的优异性能：粘结力强、体积稳定性好、耐热性好、耐高温、与旧混凝土之间的相容性好等，同时兼有陶瓷、水泥、耐火材料的优点。(2)镁质原料来源广泛，中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环。(3)课题组已有人做过普通硅酸盐水泥隧道防火涂料制备和性能的相关研究，且自行研发了一些试验装置。(4)课题组和福建同利建材科技有限公司形成良好的合作机制，针对新型隧道防火涂料的研发应用展开合作，且成立了“绿色低碳环保新型建筑材料研发中心”，配备了完善的试验设备和场所。四、本课题的特色与创新之处(1)目前隧道防火涂料中的水泥基本都采用硅酸盐水泥和高铝水泥，本课题首次将粘结性能和耐火性能优异的磷酸钾镁水泥应用于隧道防火涂料。(2)隧道防火涂料的发展近期主要集中在开发一些环保型或高性能的“绿色建材”产品，而磷酸钾镁水泥正是一种新型节能环保绿色胶凝材料，这将大幅度减少因生产、施工或燃烧造成的环境污染和人身危害。五、参考文献1凤懋润.中国公路和隧道建设J国际隧道研讨会及公路建设技术交流大会论文集.北京：人民交通出版社,20022王荷兰.欧美公路隧道防火安全口.上海消防,2001,(1):44-45.3 BerhahlP.BuildingenergyefficiencyandfiresafetyaspectsofreflectivecoatingJ.EnergyandBuilding,1995,22:187-191."4付修华，等.秦岭特长公路隧道防火安全体系的探讨J.广西交通科技,2003,(3):26-30.5王国建，王凤芳.建筑防火材料M.北京：中国石化出版社,2006.6何世家.钢筋混凝土耐火特性和隧道气体用防火涂料J.涂料工程,2002,(9):11/3.7 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