磷酸钾镁水泥基钢结构防火涂料的制备研究.docx

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1、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基钢结构防火涂料的制备研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院开题报告时间、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.l研究背景随着社会的进步，科技的发展，新型建筑材料的应用越来越广泛。与砖石结构、钢筋混凝土结构和木结构相比，钢结构具有强度高、质量轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用低、工业化程

2、度高且材料可回收利用等优点，被誉为21世纪的“绿色建筑”。早在1885年,美国芝加哥市就建起了第一座高达55m的钢结构建筑大楼。目前已建成的钢建筑，如巴黎埃菲尔铁塔、东京的东京塔、美国芝加哥的西尔斯大厦、纽约的帝国大厦、香港中银大厦等,它们既是大都市的标志性建筑，又是建筑钢结构应用的代表性实例。而在当代建筑中，钢结构广泛地用于高层建筑、体育馆、火车站、桥梁工程、工业厂房、展览馆等，尤其是在超高层和大跨度建筑中钢结构体系更是展现出巨大的优势。世界上高度超过200m的100栋建筑中，采用钢结构作为主体建筑材料的约占79%2,o然而，钢结构虽然在高温下不会燃烧，但其又有着耐火性能差的致命弱点，科学试

3、验和火灾实例表明，未加防火保护的钢结构在火灾温度的作用下，大约10min左右，自身温度就可达540以上，其力学性能，如屈服点、挤压强度、弹性模量以及载荷能力等都迅速下降；当温度达到350、500、600时，其强度分别下降1/3、1/2、2/3,当温度达到600以上时，钢结构将完全丧失承载能力。因此，在火灾作用下，钢结构不可避免发生地扭曲变形，最终倒塌，给消防灭火以及人员疏散带来极大困难，同时也带来重大人员伤亡和经济损失。国内外钢结构遭火灾倒塌的例子数不胜数，如2001年9月11日的美国世贸大厦的倒塌，2003年4月青岛某食品有限公司的轻钢结构厂房的倒塌等。因此，国家相关标准规定高层建筑尤其是钢

4、结构建筑，必须满足防火规范要求。目前，钢结构的防火措施可分为以下几类R（1）在钢结构表面砌砖或喷覆一层混凝土砂浆；（2）在钢结构表面裹缠无机纤维布和无机纤维毡；（3）在空心钢柱内填充处理后的液体和水；（4）在钢结构柱、梁、楼板等构件体上粘贴不燃板材；（5）在钢结构表面涂覆防火涂料。其中，涂覆钢结构防火涂料是最便捷、有效的措施之一。另一方面，由于钢材容易腐蚀，涂抹在钢材表面的防火涂料还必须考虑无机材料本身对钢材的腐蚀影响。钢结构的防腐问题是钢结构设计、施工、使用中必须重视的问题，影响着钢结构的耐久性和使用性能等。而钢结构的腐蚀是一个电化学过程。目前90%的钢结构利用涂层防护来解决腐蚀问题。为了防

5、止金属表面锈蚀，常采用防锈防腐涂料对其进行涂装保护，保护层透气是造成金属表面失去阴极保护而加快锈蚀速率的诱因。因此，防腐涂层只有具备了致密、疏水性强、附着力好、电阻大或涂层足够厚的条件时，才能有效地屏蔽水蒸气、氧气、氯离子等的侵蚀,起到物理防锈作用161目前用于金属防腐涂料的防锈颜料分为物理防锈颜料和化学防锈颜料，物理防锈颜料包括玻璃粉、石墨粉、氢氧化铝、氧化锌、磷酸锌等，化学防锈颜料有铅铭黄、红丹等等。因此，本文研究的磷酸钾镁水泥钢结构防火涂料在满足防火功能的前提下，将钢筋防腐也作为拟解决的问题，保证所制备的涂料同时具备防火防腐的功能，简化施工工艺，节约成本。1.2国内外钢结构防火涂料研究现

6、状1.2.1钢结构防火涂料的分类与防火要求钢结构防火涂料的分类方法很多，GB14907-2002钢结构防火涂料通用技术条件规定：防火涂料按其使用场所可分为室内钢结构防火涂料和室外钢结构防火涂料；按其使用厚度可分为超薄型钢结构防火涂料、薄型钢结构防火涂料和厚型钢结构防火涂料。此外，根据防火机理可分为膨胀性钢结构防火涂料和非膨胀型钢结构防火涂料。我国现行的建筑设计防火规范的要求为：多层及高层工业建筑的柱、梁及楼板的耐火极限为053h,高层民用建筑的柱、梁及楼板的耐火极限为1.53.Oh。据理论计算，在全负荷情况下，使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为528。无保护的钢构件，耐火极限一般只有0.2

7、5h17,0由此可知，为了提高钢结构的耐火极限，必须对其实施有效的防火保护。比较各种钢结构防火方法，涂覆防火涂料是最便捷、有效的措施。根据GB14907-2002钢结构防火涂料通用技术条件，防火涂料分类与耐火极限的关系如下所示：(a)超薄型钢结构防火涂料：涂层厚度小于或等于3mm,耐火极限为lh；(b)薄型钢结构防火涂料：涂层厚度大于3mm且小于或等于7mm,耐火极限为lh；(c)厚型钢结构防火涂料：涂层厚度大于7mm且小于或等于45mm,耐火极限为2h.薄型或超薄型钢结构防火涂料是指用合适乳胶聚合物做基料，配以阻燃剂、添加剂等组成，属于溶剂型钢结构防火涂料，主要适用于建筑物及构筑物内的钢构件

8、表面，在涂覆于钢结构的基材表面后，遇火时涂料迅速膨胀形成炭化耐火隔热保护层，从而提高钢结构的耐火极限。厚型钢结构防火涂料是指采用无机绝热材料(粉煤灰、蛭石等)、无机纤维类增强材料(玻璃纤维、陶瓷纤维等)和无机胶粘材料(水泥、水玻璃、硅溶胶等)配制而成，利用材料的不燃性来防火隔热，提高其耐火极限。规范规定：室内裸露钢结构、轻型屋盖钢结构及有装饰要求的钢结构，当规定其耐火极限在L5h及以下时，宜选用薄涂型钢结构防火涂料；室内隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构，当规定其耐火极限在1.5h以上时，应选用厚型钢结构防火涂料。1.2.2国内外钢结构防火涂料研究现状国外对钢结构防火涂料的研究起步较早，

9、早期主要研究厚涂型防火涂料，用于室内钢结构上。在大量的火灾事故后，研究人员发现厚涂型防火涂料的防火性能和其他综合性能远远不能达到理想的要求，于是研究人员把目光转向了薄涂型和超薄型。1965年美国孟山都公司开发出聚磷酸镂(ammoniumphosphate,简称APP)取代了原来使用的水溶性磷酸铁盐，防火涂料技术开始有了突破性进展。近年来，薄涂型和超薄型防火涂料在飞机场、建筑大楼、舞剧院等大型建筑上得到广泛的应用。国外钢结构防火涂料的研究多以P-N-C为阻燃体系，采用热固性树脂和热塑性树脂为基料，辅以各种助剂按照一定的工艺制备而成。所得的钢结构防火涂料耐火性高、粘结性好，施工方便快捷，且具有良好

10、的装饰性【咒上个世界80年代初，国内结合工程应用开始研究钢结构防火涂料。1984年四川消防研究所研制出第一种钢结构防火涂料一LG钢结构防火涂料。90年代以来，我国钢结构防火涂料的研制发展迅速，产品类型由最初的厚涂型发展到薄涂型、超薄型，相应的新产品不断涌现。比较典型的有四川消防研究所推出的适用于保护钢结构和预期应力钢筋混凝土楼板的SGL水性膨胀型防火涂料，以及适用于室外钢结构的薄层SWB膨胀型防火涂料；总后建筑工程研究院采用复合涂层技术研制出的无机膨胀型钢结构防火涂料；广州白云山雷威化工厂开发出的GWB室外钢结构防火涂料；扬州金陵特种涂料厂推出的BSCA钢结防火涂料等。21世纪以来，钢结构防火

11、备受关注，钢结构防火涂料的研究得到了较大发展。刘国钦等人发现：采用经硅烷偶联剂改性的纳米粒子改性钢结构防火涂料，可解决了无机纳米粒子在有机涂料中的分散问题，从而可有效提高了钢结构防火涂料的耐火极限。不同的纳米材料及其加入量对钢结构防火涂料的耐火极限均有不同程度的影响。覃文清等人以改性丙烯酸脂为树脂基，APP-PERMN(聚磷酸胺一季戊四醇一三聚氧胺)为阻燃体系，研制出膨胀型钢结构防火涂料，其涂层厚度为1.71-2.69mm,耐火极限可达69-147mino葛岭梅等人1,21将改性高岭土运用在饰面型防火涂料中，发现其防火性能得到极大改善。通过模拟大板实验法发现，改性高岭土在涂料中作为填料使用，不

12、仅提高防火涂料的防火性能，而且降低了防火涂料的成本。祁学军等人”研制了以水玻璃激发偏高岭土生成的地聚合物为基料的非膨胀型防火涂料，该防火涂料的耐火时间达到2.8h(厚度为25mm),耐水性能良好，粘结强度高，干燥时间短，耐碱、耐冷热循环性能满足GB14907-2002标准要求。王琪琳等人口”以绢云母为添加剂来改善钢结构防火涂料的性能，研究了偶联剂改性绢云母的过程，以及改性云母对钢结构防火涂料的耐火极限、耐水性能、粘结强度的影响,通过扫描电镜观察了绢云母在基体中的分散状况。研究表明：使用8%的JSC偶联剂改性后的绢云母具有较好的分散性；与不添加绢云母的钢结构防火涂料相比,绢云母的添加量为12%的

13、钢结构防火涂料的性能有较大的提高,其耐热极限由96C提高到121C,耐水极限由28h提高到47h,粘结强度由0.45MPa提高到L44MPa。程俊华s】等人用稻壳碳化处理得到的稻壳焦制备了一种厚涂型防火涂料，稻壳焦的多孔性和其碳质粒子的红外阻隔作用、硅质粒子的化学和高温稳定性赋予其制品优良的隔热效应和耐酸耐热特性，其SiO2粒子所具有的水硬胶凝性起着增强作用，提高了隔热制品的力学强度，它是一种具有红外阻隔能力的低导热材料。郝炯等人I内研究了粉煤灰对结构阻燃涂料的影响，发现粉煤灰能降低涂料燃烧后的最高温度，也能延长生到最高温度所需的时间。随着涂料工业向节能、低污染、高性能化、专业化的不断发展，钢

14、结构防火涂料的研究也将朝着无毒环保、超薄耐候、耐火持久、防腐防火双功能化、成本低、性能好且具有装饰性的多功能化方向发展由此可知，如何去改善各种防火涂料的性能是当前研究的重点。本文重点研究了一种可用于钢结构的磷酸钾镁水泥防火涂料。1. 3磷酸钾镁水泥研究现状磷酸镁水泥(MagneSiUnlphosphatecement,MPC)是由烧结氧化镁与可溶性磷酸盐、外加剂以及矿物掺和料按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应生成的以磷酸盐水化物为黏结相的早强快硬新型无机胶凝材料，国外学者又将其命名为CBPCs(ChemicalIybondedphosphateceramics)o其发展始于20世纪，早

15、期磷酸镁水泥多用于铸造行业。随着研究的不断深入，到20世纪80年代，磷酸镁水泥得到了迅速发展，其开始是用于高温耐火材料及牙科材料“咒随后人们利用它的快硬早强特性将其作为结构材料进行研究，应用于道路的快速修补，其中美国的BrookhaVen国家实验室在这方面做了大量的基础及应用研究皿*】。随着科学技术的发展，磷酸镁水泥的性能和应用范围在不断地扩大。丁铸等人侬以MgO含量较低的镁砂和粉煤灰为主要原料成功制备出凝结快、早期强度高的磷硅酸盐水泥。用于快速粘结损坏的旧混凝土，可在冰点温度下施工。该水泥具有很强的抗盐冻腐蚀性能。该水泥粘结后的旧混凝土可以快速发展强度。毛敏等人】研究了不同掺量的铝盐、铁盐、

16、粉煤灰以及外涂不同涂层防水剂对磷酸镁水泥耐水性能的影响，发现铝盐、铁盐、粉煤灰和防火剂都能一定程度上改善磷酸镁水泥的耐水性能。目前，磷酸盐水泥主要分为磷酸镂镁水泥、磷酸钾镁水泥、磷硅酸盐水泥。磷酸钾镁水泥是由重烧MgO.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(MgCOJ经1700。C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。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

17、。在西方发达国家，磷酸钾镁水泥体系己大量用于生物材料、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咒磷酸镁水泥是一种新型气硬性胶凝材料，同时具有化学结合陶瓷的属性，具有一系列传统结构材料无以比拟的性能：(D凝结硬化迅速，早期强度高，3h强度可达50MPa以上侬】；与旧混凝土有相近的弹性模量和膨胀系数，体积相容性好，粘结强度好划；（3）作为修补材料使用，具有优异的耐磨性能，经5000转的磨损作用，磨蚀深度仅在0.3Omm左右，耐磨度高出普通硅酸盐水泥制品的1倍Q2%（4）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%

18、和矿渣水泥的48.6%【间；（5）抗盐冻剥蚀性能好，40次冻融循环后才出现表面剥蚀现象口】；（6）耐热性能好，理论上至少可以经受1300；超过800时，硬化水泥石转为类似陶瓷的结构，强度反而提高小（7）可以有效胶结除聚合物以外的各种废弃物，掺量大，有利于环保，降低成本并提高磷酸镁水泥的性能（8）镁质原料来源广泛，中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，其菱镁矿资源总量31.45亿吨，还有探明储量在40亿吨以上的白云石矿，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环，这意味着磷酸镁水泥有着无穷无尽的镁质原料来源。1.4 问题的提出目前用于厚型防火涂料的无机粘结材料多采用硅酸盐水泥或耐火水泥，添加适量有机

19、粘结材料如乳胶粉，虽然能满足厚涂型防火涂料的性能要求，但粘结强度较差，易出现破损和剥落，并且涂层较厚，施工工艺复杂。因此如何改进厚型钢结构防火涂料的性能成为其研究的热点。,亩于磷酸钾镁水泥本身具有较好的耐火性能，其本身含有丰富的磷和镁，无机阻燃剂中又以磷系阻燃剂为主要发展趋势L镁和硼也是常用的阻燃物质，所以以磷酸钾镁水泥为无机粘结材料去研究厚型防火涂料符合环保涂料的发展趋势。而且磷酸钾镁水泥本身的粘结强度较好，能解决厚型防火涂料粘结性能差的缺点。此外，磷酸钾镁水泥对钢筋的防锈性能好,若在涂料中添加阻锈材料，则能满足涂料耐腐蚀的功能。最后，磷酸钾镁水泥有良好的耐水性能和耐酸碱性能，可提高防火涂料

20、的耐候性。考虑到防火涂料的发展趋势、钢结构防火涂料的需求和磷酸钾镁水泥的优点，本文将磷酸钾镁水泥作为无机粘结材料，再加入其他防火隔热材料研制出可用于钢结构的厚型防火涂料。该厚型防火涂料粘结强度高、耐火性能好、耐候性能好，同时也具备对钢结构的防腐防锈功能。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）1、论文的研究目标和研究内容1.5 研究目标：以磷酸钾镁水泥作为粘结材料，选用合适的耐火隔热材料、阻锈材料制备厚型钢结构防火涂料，通过对比正交试验确定防火涂料的最佳配合比，使其满足钢结构防火涂料规范要求,同时具备防腐蚀的性能。1.6

21、 研究内容：（1）、比较磷酸钾镁水泥、普通硅酸盐水泥、碱矿渣水泥的粘结强度、耐火极限和防锈能力将磷酸钾镁水泥用于钢结构防火涂料是取决于其良好的粘结性能、耐火性能、防锈能力和耐候性能。因此本文开始先对比分析三种水泥的性能，通过实验数据来论证其优异的性能,增强可靠性。（2）确定可用于钢结构防火涂料的耐火隔热材料、纤维增强材料和阻锈材料，分析各种材料的作用机理和优缺点（3）根据文献中建议掺量，确定初始配方。然后保持其余组分的掺量不变，改变粘结材料中的磷酸钾镁水泥掺量、磷酸钾镁水泥的P/M,乳胶粉掺量，对比分析涂料的粘结强度和耐火极限等性能，确定各因子的变化范围。同理，确定各种耐火材料的变化范围、纤维

22、增强材料的变化范围。（4）针对各组分的变量，进行正交试验，考虑到粘结强度、耐火极限、可施工性等性能，确定钢结构防火涂料的最优配方；在最优配方的基础上，改变磷酸钾镁水泥掺量、阻锈材料的种类和掺量，对比分析其防火和防腐性能，综合考虑各性能，进一步优化防火涂料的配合比。（5）磷酸钾镁水泥钢结构防火涂料性能指标检测根据GB14907-2002钢结构防火涂料通用技术条件中厚型钢结构防火涂料的检测指标和测试方法，检测防火涂料的各项指标。考虑到仪器设备问题，某些指标根据相关文献的测试方法进行检测。（6）揭示耐火极限随涂层厚度的变化规律，在保证防火作用的前提下尽量减小涂层厚度。（7）机理分析：将所得防火涂料进

23、行燃烧试验，并将燃烧前后的涂料进行微观试验（XRD,ESEM,孔结构）解释其耐火机理。2、拟解决的关键技术问题（1）磷酸钾镁水泥应用于钢结构防火涂料能否满足可喷射的工作要求？（2）如何保证涂料具有防火和防腐防锈的双功能？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 拟采取的方法和手段：重要性能的实验方法和仪器（1）粘结强度：在涂层中央约40mmX40mm面积内，均匀涂刷提高粘结力的粘接剂如溶剂型环氧树脂等，然后将钢制连接件轻轻粘上并压上IKg重的祛码，小心去除联结件周围的粘接剂，在规定条件下放置3d去掉祛

24、码，将粘结好的试件安装在试验机上，在沿试件底板垂直方向施加拉力进行拉伸试验，5个实验值取平均值求粘结强度。实验仪器：He-200OA智能粘结强度检测仪（2）耐火极限：由于实验室没有钢结构防火涂料规范规定的三面受火装置，根据相关文献的内容，可根据钢结构试件背面温度达到临界温度（540）左右时的时间作为耐火极限的参考值，因此，选用实验室的单面受火装置进行耐火极限实验。实验仪器：ZY6241防火涂料燃烧试验机（3）钢筋锈蚀能力：磷酸钾镁水泥中钢筋的锈蚀能力测试：用相近强度的OPC和SC砂浆与MPB砂浆进行对比。在浇注前，直径和长度分别为5mm和166mm的普通低碳圆钢筋预先安放在试模中间。钢筋锈蚀试

25、验前,OPC和SC砂浆的试件在水中养护28天，MPB砂浆试件在空气中养护7天。试验采用快速干湿循环的方法，即在602下干燥3天，冷却后在3%NaCl溶液中浸泡1天为一个循环。一定循环次数后，测定钢筋锈蚀失重率。用该值来评定材料防止钢筋锈蚀性能的大小”以防火涂料对钢板锈蚀能力的测试：涂料试块进行水环境、酸性溶液环境、碱性溶液环境的腐蚀之后，查看钢板的锈蚀程度。（4）凝结时间：由于MKPC凝结速度较快，必须测定磷酸钾镁水泥防火涂料的凝结时间，保证其施工性。在涂料搅拌好之后，将涂料置于容器中进行凝结时间的测定。实验仪器：维卡仪（5）其余性能的检测根据GB14907-2002钢结构防火涂料通用技术条件

26、的要求进行监测。3.2拟采取的研究方案拟采取的研究方案如下图1所示:图1：技术路线图3.3现有的研究条件和基础：(1)磷酸钾镁水泥粘结力好、耐高温、耐火性能好，同时兼有水泥、耐火材料的优点，课题组长期进行磷酸钾镁水泥性能研究，因此对其性能有较深入的了解。同时，实验所需的材料料来源广。(2)熟练掌握正交试验方法并能对试验结果进行正确分析。(3)试验所用仪器：水泥净浆搅拌机，压力机，标准稠度及凝结时间测定仪，磁力加热搅拌仪，XRD,ESEM等都已到位。虽然课题组并没有钢结构防火涂料规范规定的三面受火装置，但根据相关文献可知，以钢结构背火面达到临界温度(540)所需的时间作为耐火极限的标准有一定的理

27、论依据，而课题组有单面受火仪器设备，可以对实验结果进行分析。(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，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)现有的厚涂型钢结构防火涂料的无机粘结材料一般采用硅酸盐水泥或耐火水泥，粘结性能较差，附着力不强，容易出现剥落现象；磷酸钾镁水泥具有普通水泥不具备的优异性能：粘结力好、耐高温、耐热性好、与其他材料的相容性较好，以磷酸钾镁水泥为粘结材料制备的防火涂料，其粘结强度更高，耐火极限更高。以磷酸钾镁水泥为无机粘结材料制备防火涂料，可适当降低有机粘结材料的掺量，更容易控制成本。(2)为了防止钢板的腐蚀，工程上常采用涂抹防腐涂料的方法

28、，增加了施工工艺和工程成本。本文所生产的磷酸钾镁钢结构防火涂料，兼顾防火和防腐防锈的功能，可直接涂抹于钢板表面，不用重复施工。五、参考文献1张爱兰.建筑钢结构的发展现状J.新型建筑材料.2002.(10):93-99.2范方强.水性超薄钢结构防火涂料的制备及防火作用机理研究D.广州:华南理工大学.2013.3赵树.钢结构防火涂料保护及防火涂料的选型J.广东化工.2009.36(3):51-53.4李鑫.钢结构防火涂料的性能研究J.消防技术与产品信息.2007.(6):10-12.5虞兆年.防腐蚀涂料与涂装M.北京:化学工业出版社.2001.刘成楼.厚涂型钢结构防火防腐蚀涂料的研究与应用JL现代

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