碱激发水泥隧道防火涂料制备研究.docx

福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目碱激发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）国外对隧道防火涂料的研究有几十年的历史，上个世界六十年代，美国MonSamo公司和VanderSan实验室研发出聚磷酸镂，致使隧道防火涂料获得良好成膜性、耐洗刷性，从此步入快速发展的轨道上“2。为了满足隧道结构防火的需求，国外学者在钢结构防火涂料的基础上研制隧道防火涂料。Well等人制备了建筑物的无机防火涂料，主要由水泥、轻质碳酸钙、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、无机矿物纤维等组成；Kidder等人网研制出了以高铝水泥、钙硅石、海泡石、增强纤维、无定型硅石等为主要成分的防火涂料，此涂料具有优良的绝热隔热性和防爆裂性，适用于隧道结构和建筑物的外墙等。JoaChimSChUlZe研究指出乳胶粉能提高水泥砂浆的粘结强度,但是过量加入无益，当可再分乳胶粉的外掺量为2%时对粘结性能影响最佳。国内在上世纪九十年代上海延安东路越江隧道就有使用隧道防火涂料，同时在90年代末四川大学进行了隧道防火涂料的研究，并研制出环保型无卤素的隧道防火涂料，该涂料在涂层为20mm时耐火极限为3h,并在多项工程中得到应用，公安部四川消防研究所编制的中华人民共和国公共安全行业标准混凝土结构防火涂料(GA98-2005)，以及近来刚修订的混凝土结构防火涂料(GB28375-2012)对隧道防火涂料各种性能指标做出严格的要求。国内将纳米材料应用于防火涂料来提高其耐火性能的研究也取得了一些进展：吴亚平研究表明将纳米阻燃剂应用于饰面型防火涂料中，能够提高防火涂料耐火性能；尹荔松等研究表明将纳米Sb23阻燃微粉应用于防火涂料，可以有效的提高防火涂料的耐火性能，而且实验合成的这种纳米阻燃材料可非常方便地应用到工业生产以及日常生活中去，若投产应用，具有很好的应用前景。郑美军,刘俊权,代隆军"3研究认为胶粉可降低隧道防火涂料粘结强度，随着胶粉添加量的增加，粘结强度在某一点突变，急剧下降，随后略有增加。超过1%时，粘结强度小于0.1MPa,对已经成熟的防火涂料产品而言，无需添加胶粉进行性能优化，胶粉添加量越大，反而会起到更大的副作用。截至2009年，我国有公路隧道6139座，总长3942km,其中特长隧道190座、821.1km长隧道905座、1500.7kml,lo中国已建成的铁路隧道总长超过7000km,在建铁路隧道总长约为4600km。到2020年前，规划建设5000座隧道，长度超过9000km。目前我国已成为世界隧道和地下工程最多，隧道结构最复杂，隧道建设发展最快的国家之一。这使得隧道的防火问题日益凸显。隧道防火不仅关系到国家经济发展问题，而且与人们的生活安全息息相关。因此，对于隧道防火的深入研究显得十分重要。隧道防火已经成为当今世界各国面临的一大难题，同时，也是消防部队探索和研究灭火救援技战术的重要课题WL为预防隧道火灾的发生，加强安全管理以及减少隧道火灾发生的概率，延缓或减轻火灾对隧道结构的伤害，一般对隧道内壁表面进行防火处理，这是避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏，提高隧道本身的火灾承受能力的重要措施之一。从性能、成本以及施工方便性综合考虑，喷涂防火涂料是现阶段隧道防火的最佳选择。与其他防火涂料相比，由于早期受到使用范围的限制和人们对于隧道防火认识的不足，使得隧道防火涂料生产厂家和产品产量相对较少。但是隧道防火涂料作为一种成本低、对隧道内部结构保护作用十分明显、适合国内社会经济发展水平的新型防火涂料，在隧道火灾预防、隧道内部结构的耐火强度极限方面将起到重要的作用，将会产生巨大的经济效益和社会需求。结合国内外隧道火灾的教训，隧道结构防火已引起有关部门的高度重视，各部门也要求在隧道建设过程中使用耐火性能较好的隧道防火涂料，因而各种新型隧道防火涂料的研究已经步入高潮。至今，全国很多厂家、研究单位正在对新型隧道防火涂料的研究和应用开展积极的工作，随着这些工作的推进，性能较优的隧道防火涂料将会研发成功，从而满足社会基础建设的需求"K目前，隧道结构的防火保护方法主要是在隧道喷射非膨胀型隧道防火涂料，但是非膨胀型隧道防火涂料存在养护时间长、容易脱落、损耗大、运输不方便等问题的,因此膨胀型隧道防火涂料是对非膨胀型隧道防火涂料有益、必要的补充。国内隧道防火涂料基础研究还比较薄弱，产品还不够成熟，在研究的过程中依然存在以下方面缺陷(1)涂层太厚。按ISO曲线(国际标准的温度时间曲线)升温，涂层需要在2030mm的情况下耐火能力才能达到3h,涂层较厚也不方便施工。如按碳氢曲线升温，在数分钟内混凝土就会爆裂，不能满足隧道防火的要求。（2）粘结强度较低。由于隧道防火涂料的粘结强度较低，车辆在隧道内高速通行时会产生强烈震动，可能导致防火涂料剥落，不满足实际工程的要求。（3）缺乏防水性方面的研究。规范只给出耐水性指标，没有给出防水性指标，而隧道防火涂料长期处于潮湿环境中，会反卤、结水、渗水，如果没有很好的防水性，在正常的使用过程中隧道防火涂料就会因此脱落，进而失去其基本的工作性能。（4）缺乏抗裂性方面的研究。规范没有给出隧道防火涂料抗裂性方面的指标，而在实际的使用过程中，较差的抗裂性会导致隧道防火涂层开裂、空鼓、脱落，使隧道防火涂料失去作用。（5）毒性研究不足。传统隧道防火涂料中含有卤素阻燃剂、因其阻燃效率高而被广泛应用，但是其燃烧时会产生大量的有毒的气体不仅可以腐蚀隧道内电路系统，而且对人体呼吸系统产生重大危害，一旦发生火灾将不利于救援以及事后的修复。因此在研究隧道防火涂料的配方时应尽量使用无卤素的阻燃剂，以减少隧道防火涂料的毒性。今后而言，是以发展水性和环保型隧道防火涂料为主，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危害。（6）防火涂料的应用。目前市面上在售的防火涂料性能参差不齐，因此在重视防火性能、理化性能和使用性能的研究时，也要重视提高成品技术水平和施工技术水平的研究，以保证产品和涂层的品质。因此，针对这些问题深入研究经济实用、环保型隧道防火涂料变的有意义且重要。碱矿渣水泥就是由碱金属化合物和工业废渣（如粒化高炉矿渣或电炉磷渣）共同粉磨，或是将磨细渣用碱金属化合物的溶液来调制所得的水硬性胶凝材料。碱性氧化物可用苛性碱、弱酸盐、硅酸盐、水玻璃、铝酸盐和铝硅酸盐等，其中以水玻璃效果为最佳碱矿渣水泥及混凝土具有快硬、高强、低热、高抗渗、高抗冻和高抗蚀等优异性能，而且这种水泥生产工艺简单、节约能源、成本较低，可以说碱矿渣水泥是一种环保型“绿色水泥”l241o良好的耐火性能。高温条件下，普通硅酸盐水泥由于水化产生的钙研石在110、氢氧化钙晶体在400500C发生分解，过大的水汽压力会造成水泥石性能的劣化，而碱矿渣水泥石中不存在氢氧化钙和钙矶石晶体，因而不会发生类似于普通硅酸盐水泥石由于钙矶石以及氢氧化钙晶体分解造成的劣化现象2叫采用普通硅酸盐水泥制备的混凝土在温度达到300时就开始发生爆裂破坏。而碱矿渣水泥混凝土在温度达到IOo（TC时还能够表现出良好的稳定性|2久KriVenkO等研究认为碱矿渣水泥具有很好的耐高温性能，碱矿渣水泥适用于容易发生火灾的工程，如隧道、高层等。碱激发水泥良好的耐火性能，使其成为替代传统隧道防火涂料中水泥的很好选择。良好的抗冻融循环性能。碱矿渣水泥混凝土具有良好的抗冻性能，在试件经过200多次的冻融循环后表面未出现起砂或疏松现象。这是因为碱矿渣混凝土中的毛细孔隙中存在强电解质的真溶液，降低了水的冰点，促成了水的逐渐冻结，而不是像普通硅酸盐水泥石的毛细孔在冰点和一20间突然冻结。碱矿渣水泥石冷冻至一30时，无残余变形产生；至一40°C时，产生的残余变形为0.01mm/m；至-50时，为0.15mm/m。由此可见碱矿渣水泥石的结构冻结损伤的温度在低于一50C以下12叫抗冻融循环性能是隧道防火涂料的一项重要性能,碱矿渣水泥优异的抗冻融循环性能成为其替代传统隧道防火涂料配方中水泥的又一项优势。良好的耐腐蚀性能。Olaibi291对水玻璃碱激发矿渣混凝土的耐久性进行了研究，对比了普通硅酸盐水泥、用60%矿渣取代水泥以及全部用碱矿渣水泥配制3种混凝土的耐久性，其中碱矿渣水泥分别用4%和6%的Na2O和两种不同的水玻璃激发，此外还添加了石灰浆作为激发剂。研究结果表明，碱矿渣混凝土的C渗透系数远低于普通硅酸盐水泥。BakhareVl3。】等通过对比普通硅酸盐水泥和碱激发矿渣水泥配制的混凝土在5%硫酸钠和硫酸镁溶液中浸泡12个月的强度。研究结果表明，与普通硅酸盐水泥相比，碱激发矿渣混凝土具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能。碱激发水泥在隧道防火涂料中的应用。目前关于碱激发水泥在隧道防火涂料中的应用研究很少。只有国内的杨广营，赵建敏做了相关研究。杨广营，赵建敏用钠水玻璃、氢氧化钠、水质量比为75：15：10配制而成激发剂，把粉煤灰的活性能激发出来制得的碱激发水泥应用于隧道防火涂料，制备出一种性能良好的隧道防火涂料。研究结果表明碱激发剂对隧道防火涂料的耐火极限影响最大。在其他材料用量不变的情况下，增加碱激发剂的掺量能够提高隧道防火涂料的耐火性能。但是此配方没有用碱激发水泥来取代传统隧道防火涂料中的水泥。综上所述，碱激发水泥具有良好的耐火、抗冻融循环以及耐腐性能，同时碱激发水泥属于环保型水泥，能够减少环境污染。因此，将碱激发水泥应用于隧道防火涂料有如下优势：（1）技术方面。碱激发水泥良好的耐火、抗冻融循环以及抗腐蚀性能能够提高隧道防火涂料的这些性能。（2）环境方面。传统隧道防火涂料采用的普通硅酸盐水泥在生产过程中产生的粉尘及燃料燃烧后产生的氮氧化物会对环境造成污染。通过碱激发水泥替代普通硅酸盐水泥可以很好的改善这些问题。（3）经济方面。碱激发水泥具有良好的耐火性能，因此可以减少隧道防火涂料中一些价格比较高的防火成分的用量，降低涂料的成本。国内有学者将碱激发水泥应用于隧道防火涂料，提高了涂料的耐火性能。但是此配方并未将碱激发水泥替代传统隧道防火涂料中的水泥，不能充分发挥碱激发水泥的优势。因此，将碱激发水泥替代传统隧道防火涂料中水泥的研究很有意义。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研究内容（1）确定各种碱激发水泥的配合比。（2）确定碱激发水泥隧道防火涂料的初步配方，并对初步配方的粘结强度、耐火性能、耐水性能以及可喷射性进行测试。（3）确定最合适的碱激发水泥的种类以及碱激发剂浓度，从而确定隧道防火涂料的改进配方。（4）对涂料的改进配方进行粘结强度及耐火性能的优化。（5）对涂料的抗裂及抗渗性能进行优化。（6）对涂料的其他性能进行检测，包括耐酸性、耐碱性、干密度、耐湿热、耐冻融循环次数、干燥时间以及产烟毒性。（7）对涂料的微观结构进行研究。2.2研究目标研制出一种性能满足规范要求的碱激发水泥隧道防火涂料。2.3拟解决的关键问题碱激发水泥种类及碱激发剂的浓度会影响到碱激发隧道防火涂料的凝结时间、粘结强度以及耐火性能。因此，如何确定碱激发水泥种类及碱激发剂的浓度与隧道防火涂料的凝结时间、粘结强度以及耐火性能之间的定性和定量关系？如何确定最合适的碱激发水泥的种类及碱激发剂的浓度？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）研究方案：（1）根据前期预实验结果以及查阅相关文献确定出碱激发水泥的基本配方及隧道防火涂料的初步配方。对初步配方根据近来刚修订的混凝土结构防火涂料（GB28375-2012）进行粘结、耐火以及耐水性能试验，若这些性能不能满足要求，则重新查阅文献调整隧道防火涂料的初步配方。（2）确定碱激发水泥种类及碱激发剂的浓度与隧道防火涂料的凝结时间、粘结强度以及耐火性能之间的定性和定量关系。同时考虑各个配方的成本，选取性价比最高的碱激发水泥的种类及碱激发剂的浓度，确定隧道防火涂料的改进配方。（3）通过文献调查分析出隧道防火涂料的影响因子。进而通过正交试验，对选出的改进配方的粘结强度、耐火性能进行优化。（4）通过添加聚丙烯纤维，并使用混凝土抗裂测定仪进行抗裂性能试验。对抗裂性能进行优化。（5）通过添加硅烷基粉末，并采用氯离子渗透法对隧道防火涂料的抗渗性能进行研究，优化其抗渗性能。（7）对混凝土结构防火涂料（GB28375-2012）要求的其他性能进行测试。（6）采用电镜扫描（ESEM）、同步热分析及孔结构分析等机理研究试验方法来研究碱激发水泥隧道防火涂料试块的界面区形态、孔结构、热稳定性等，从机理的角度解释宏观现象，以掌握隧道防火涂料粘结、耐火、防水和抗裂等性能的内在规律。可行性：就目前而言，国家对基础建设的大力投入，大量的铁路公路的建设，对于隧道防火的要求逐渐提高，尤其是全国各大城市已建、在建和准备建设的大量的地铁项目，使得隧道的防火离我们的生活越来越近，人们对于隧道防火的意识也渐渐的增强。使得人们对于隧道防火涂料的需求量和品质都日益的提高。另一方面，隧道防火涂料的发展由于起步相对较晚，研究进展相对于钢结构防火涂料、饰面防火涂料、电缆防火涂料，或者其他混凝土防火涂料滞后，需要对其进行更深入的研究。而目前国家对于绿色环保、节能减排的要求也不断提高，对于绿色环保型隧道防火涂料的需求也增加。此外，目前对于隧道防火涂料的工程应用，尤其是隧道防火涂料的设计、施工和使用过程中也存在着诸多需要解决的问题。这一切都使得研发新型隧道防火涂料的条件得以成熟，本课用碱激发水泥替代传统隧道防火涂料中的普通水泥，能够提高隧道防火涂料的各项性能、降低隧道防火涂料的成本以及减少环境污染，符合当前社会的需求。福州大学拥有大量微观观测仪器，校际科研平台“福州大学测试中心”具有先进的ESEM.XRD等微观实验仪器，为微观观测及分析提供便利。同时本课题组长期进行微观实验分析，对微观实验结果的分析具有丰富的经验，能够对微观实验结果进行合理正确的分析。本课题组自行研制了隧道防火涂料粘结强度以及耐火强度实验仪器，为隧道防火涂料基本性能的测试提供条件。本课题自行研制的混凝土抗裂测定仪能够对隧道防火涂料抗裂性能进行测试。另外，本课题还积极争取对外合作关系，目前已和福建同利建材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。这些都为本课题的顺利展开提供了强有力的保障。本课题已经开展三年多的研究，己顺利毕业一名硕士研究生，对于隧道防火涂料的制备及原理的研究具有一定的经验。本课题组人员由年轻人组成，组成结构合理，且成员很强的团队合作精神。另外，前期本人己经进行了大量预实验，能够制备出性能满足要求的碱激发水泥，同时通过预实验验证了碱激发水泥应用于隧道防火涂料的可行性。技术路线:确定不同种类碱激发水泥配方查阅文献初步确定隧道防火涂料的配方未通过对配方的粘结强度、耐火性能以及耐水性能 进行测试四、本课题的特色与创新之处（1）用碱激发水泥作为隧道防火涂料的粘结材料，取代传统隧道防火涂料中的水泥。（2）制备出一种可喷射、绿色环保型碱激发水泥隧道防火涂料。（3）研究碱激发水泥种类及碱激发剂浓度与碱激发水泥隧道防火涂料凝结时间、粘结强度以及耐火性能之间的定性及定量关系。五、参考文献1BainsRS,C.A.AnEvaluationofthePerformanceofTin-BasedFlame-RetardantPaintsJ.JOCCA,1990,8(73):340-343.2印其山.阻燃剂聚磷酸铉的性能与应用J.化学世界，1985,3:55-57.3 WellE,McswiganB.MelaminePhosphates(MP)andPolyphosphateinFlame-retardantCoatingsJ.OldProductswithNewPotential.JournalofCoatingTechnology,1994,66(12)：75-82.4 KidderE,RusseIlC.HandbookofFireRetardantCoatingsandFireTestingServicesJ.TechnomicPubCo,1994,(25):325-327.5 JocahimSchulze.Long-termperformanceofredispersiblepowdersinmortarsJ.CementandConcreteResearch,2001,(31):357-362.6中华人民共和国国家标准.混凝土结构防火涂料.GA98-2005.中华人民共和国国家质量监督检验总局,2005.7中华人民共和国国家标准.混凝土结构防火涂料.GB28375-2012.中华人民共和国国家质量监督检验总局,2012.8吴亚平.纳米阻燃剂在饰面型防火涂料中的应用J内蒙古科技与经济,2010,203(1):85-87.9尹荔松，周歧发，张进修.纳米Sb2O3阻燃微粉的制备、阻燃机理及阻燃特性J长沙铁道学院学报,2001,19(2):61-64.10郑美军，刘俊权，代隆军.胶粉掺量对隧道防火涂料密度和黏结强度的影响J科学之,2010,(35):41-42.11中华人民共和国交通运输部.2009年中国公路水路交通行业发展统计公报J.交通财会,2010,5:90-93.12王新刚，毛朝君.环保型隧道防火涂料的研究应用及其前景J.特种涂料与涂装特刊,2(X)6:12-15.13左国庆.防水抗裂型防火涂料的研究D.福州大学,2011.14周志刚.高速公路特长隧道火灾事故救援的几点思考J.重庆石柱消防大队,2009:1/2.15王新钢，毛朝军，徐小奕,elal.隧道防火涂料综述J.消防技术与产品信息,2005,5:59-63."6振涛，马道贞.新型混凝土结构防火涂料的研制J.技术开发,2008,12:51-54.17何世家.膨胀型隧道防火涂料的研究J涂料工业%Gchi,2009,39(1).18伍作鹏.建筑材料火灾特性与防火保护.北京：中国建材工业出版社，1999:49-60.19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):11-13.20JrB.Newdevelopmentsinfire-resistantcoatingsJ.Journalofprotectivecoatingsandlinings,2002,22:331-344.21TinaJ,T.A.,StevenP,NowlenA.RecentresultsofanexperimentalstudyontheimpactofsmokeondigitalI&CequimentJ.NuclearEngineeringandDesign,1999,194:259-269.22smith,C.I.OffsiteappliedthinfilmintumescentcoatingU.ConstructSteelRes,1998,46:317-318.23蒲心诚，杨长辉，甘昌成.高强碱-矿渣水泥与混凝土缓凝问题研究J.混凝土，1994,(3):32-36.24侏晓丽，刘臻，丛丽娜.碱-矿渣水泥应用的可行性研究J中国资源综合利用,2004,(10):27-29.25傅博，杨长辉，叶剑雄，程臻赞，普集舒.高温对碱矿渣水泥石微结构及力学性能的影响J.湖南大学学报,2013,40(8):90-96.26PawlasovaS,SkavaraEHigh-temperaturepropertiesofgeopolymermaterialsU.Alkaliactivatedmaterials,2007,(34):523-527.271KrivenkoP,GuziyS.FireresistantalkalinePortlandcementsJ.Alkaliactivatedmaterials,2(X)7,(28):333-340.28蒲心诚.碱矿渣水泥与混凝土M.北京:科学出版社,2010:106-107.29KidderE,RussellC.HandbookofFireRetardantCoatingsandFireTestingServicesJ.TechnomicPubCo,1994,(25):325-327.30BakharevT,SanjayanJG,ChangYB.SulfateattackonalkaliactivatedslagconcreteJ.CementandConcreteResearch,2002,32(2):211-216.31杨广营，赵建敏.地质聚合物在隧道防火涂料中的应用J.中国科技博览,2012,(31):525-526.