季 韜，楊越凡，林旭健，張彬彬

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

粘結性能是隧道防火涂料最重要的性能之一. 在隧道中，由于往來車輛的影響，隧道防火涂料處于振動和風吸環(huán)境中，這對隧道防火涂料的粘結性能有不利的影響. 粘結性能的好壞不僅直接影響到隧道防火涂料的防火效果，而且也成為隧道內安全行車的一個重要保障. 因此，研究振動風吸對隧道防火涂料粘結性能的影響至關重要.

目前相關研究主要集中在振動對隧道結構影響及風吸對列車的影響[1-6]. 堿礦渣水泥具有良好的耐火性能、 抗凍融循環(huán)性能、 耐腐蝕性能[7]. 據可查閱文獻，將堿激發(fā)水泥應用于隧道防火涂料的研究較少； 將堿礦渣水泥應用于隧道防火涂料，并開展振動風吸的研究還未見報道. 聚丙烯纖維(polypropylene fiber，PPF)亂向、 均勻分布在隧道防火涂料中，改善了涂層的空隙結構，能夠提高涂層的耐沖擊性、 抗裂性、 粘結強度及抗凍融性等. 火災下PPF融化形成無數微小的空洞，隧道防火涂料在燃燒過程產生的水分能夠通過這些小孔排出，這可避免隧道防火涂料在高溫下崩裂[8].

堿礦渣隧道防火涂料(alkali-activated slag tunnel fireproof，ASF)的耐火性能優(yōu)于采用普通硅酸鹽水泥作為粘結劑的傳統(tǒng)隧道防火涂料[9]，然而還未有學者開展PPF摻量對堿礦渣隧道防火涂料抗振動風吸性能影響的研究. 本文采用改裝的振動風吸試驗裝置，對ASF進行振動風吸試驗，研究PPF摻量對ASF抗振動風吸性能的影響，并揭示其機理.

1 原材料

傳統(tǒng)隧道防火涂料通常是由粘結材料、 耐火隔熱材料、 發(fā)泡材料、 助劑四部分組成[10-11]，本文ASF配方剔除了傳統(tǒng)隧道防火涂料中的聚磷酸銨、 三聚氰胺以及季戊四醇等發(fā)泡材料，并用堿礦渣水泥替代傳統(tǒng)隧道防火涂料中的普通硅酸鹽水泥.

1.1 粘結材料

粘結材料由堿礦渣水泥、 可再分散乳膠粉和聚乙烯醇(PVA)組成. 堿礦渣水泥由氫氧化鈉和礦渣組成，其質量分數為： 礦渣93.4%，氫氧化鈉6.6%. 氫氧化鈉由北京康普匯維科技有限公司生產； 礦渣來自福州泰寧混凝土廠，其化學成分含量見表1，其燒失量為0.2%. 可再分乳膠粉為英國康凱爾公司生產，型號為Con Care LA4500，其理化指標見表2. PVA采用福州四方化工有限公司的產品，其理化指標見表3.

表1 礦渣化學成分

表2 可再分散乳膠粉理化指標

表3 PVA理化指標

1.2 隔熱耐火材料

隔熱耐火材料由膨脹珍珠巖、 膨脹蛭石、 海泡石、 空心漂珠組成. 膨脹珍珠巖和膨脹蛭石均采用福州友程耐火材料有限公司的產品； 海泡石為南陽市臥龍區(qū)磊寶海泡石加工有限公司產品； 空心漂珠為河南信陽天梯礦業(yè)開發(fā)總公司產品. 隔熱耐火材料性能指標見表4.

表4 隔熱耐火材料性能指標

1.3 阻燃劑及纖維材料

阻燃劑由氫氧化鋁(Al(OH)3)及氫氧化鎂(Mg(OH)2)組成，均為天津市福晨化學試劑廠的產品，其性能指標見表5； PPF采用濱州恒泰化纖制品有限公司的產品，其性能指標見表6.

表5 阻燃劑性能指標

表6 PPF性能指標

2 試驗配合比及方法

2.1 試驗配合比

為研究PPF摻量對ASF抗振動風吸性能的影響，在A0組(未摻PPF)基礎上，摻入不同數量的PPF，ASF配合比見表7. 用水量為干料(包括PVA、 可再分散乳膠粉(RP)、 礦渣(Slag)、 PPF、 膨脹蛭石(EV)、 膨脹珍珠巖(EP)、 海泡石(Sepiolite)、 空心漂珠(HDB)、 Mg(OH)2、 Al(OH)3)總質量的70%. 先將干料攪拌均勻，再將NaOH溶于水制成氫氧化鈉水溶液，最后將氫氧化鈉水溶液倒入干料中，將其攪拌均勻.

表7 ASF配合比

2.2 粘結強度試驗方法

按照《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》JG/T 24—2000[12]中的試驗方法和下式可獲得ASF的粘結強度.

(1)

式中：σ為粘結強度，Pa；P為拉伸荷載，N；A為粘結面積，m2.

2.3 振動風吸的試驗方法

采用改裝的振動風吸試驗儀器，測試ASF破壞時間及不同振動風吸時間下的粘結強度，評價ASF抗振動風吸性能，其主要參數選取依據如下.

1) 風吸力取18 N. 根據田紅旗研究結果[7]，在列車最高車速111 m·s-1(即400 km·h-1)下，其壓力波平均幅值為2.250 kPa，若該幅值作用在面積為4 cm×4 cm的隧道防火涂料上，其產生的理論作用力大小為1.8 N. 以此作為參考，在試驗過程中，為了能在較短時間內得到較為顯著的試驗效果，選取10倍的理論作用力18 N(實際為(18±0.1)N)作為振動風吸作用下的風吸力.

2) 破壞時間. 對表7中的配方進行試驗，記錄由試驗開始至試件破壞所需的時間.

3) 振動風吸作用下的粘結強度. 測試各組試件振動風吸0、 5、 10、 20和30 min后的粘結強度.

4) 振動頻率采用10～30 Hz. 交通引起的環(huán)境振動的顯著特點是低頻、 微振動，與地震、 建筑施工和工廠動力設備等其他類型振源區(qū)別明顯. 調查表明，鐵路和公路交通引起環(huán)境振動頻率范圍在幾赫茲到30 Hz之間，因此采用10～30 Hz掃頻振動.

5) 振動幅度取3 mm. 在實際工程中，鐵路和公路交通環(huán)境引起振幅非常小，引起地基土動應變一般為10-5或更小，完全屬于彈性變形階段，因此交通環(huán)境振動及防治措施的研究范圍常常是在振幅小于1 mm[13]. 考慮到儀器的限制及能在較短時間內得到顯著的效果，采用振幅3 mm進行振動風吸試驗.

6) 振動方向采用垂直振動. 張國斌[14]研究了列車-隧道耦合作用下的振動響應發(fā)現(xiàn)，隧道的振動方向以垂直振動為主，水平方向振動影響較小. 因此采用電磁式垂直振動臺.

在東莞市海達(國際)儀器有限公司生產HD-A521-1C電磁式垂直振動臺(圖1中的底座)基礎上，專門加工固定ASF試件，ASF試件見圖2(包括纖維水泥板7、 待測ASF 8、 鋼質夾具9和外掛重物10)的支架(圖1中底座上的支架). 用上夾片夾緊ASF試件，并用螺栓鎖緊，保證ASF試件能牢固地固定在支架上，試件的振幅和頻率等振動特性與振動臺的一致. ASF表面抗拉用鋼質夾具9的質量為(112±2) g，外掛重物10的質量為(1 728±5) g. 因此，ASF表面共受到向下的作用力為(18±0.1) N((0.112+1.728)×9.8). 安裝完畢之后打開振動臺進行計時振動，振動達到預定時間后立即關閉振動臺，將試件取下，測試其粘結強度.

圖1 改裝后的電磁式垂直振動臺Fig.1 Modified electromagnetic vertical vibration platform

圖2 ASF試件Fig.2 Specimen of ASF

3 試驗結果及分析

3.1 破壞時間

圖3 PPF摻量對ASF破壞時間的影響Fig.3 Influence of PPF content on the failure time of ASF

ASF在振動風吸作用下的破壞時間隨PPF摻量(w)增加的變化規(guī)律如圖3所示. 由圖3可知，各組試件破壞時間為35～105 min. 在振動風吸作用下，ASF的破壞時間隨PPF摻量的增大呈遞增趨勢，最終趨于收斂. 當PPF摻量不大于0.6%時，ASF破壞時間隨PPF摻量的增大而增長； 當PPF摻量為0.6%(A6組)時，ASF的破壞時間與不摻PPF的(A0組)相比增加了177%. 當PPF摻量為1%(A10組)時，ASF破壞時間與摻量為0.6%的(A6組)相比僅增加了8%，顯然，當PPF摻量大于0.6%時，ASF破壞時間受PPF摻量的影響較小.

3.2 粘結強度及其損失率

對于不同摻量PPF，在不同振動風吸作用時間(0、 5、 10、 20和30 min)下的ASF粘結強度見圖4. 不同PPF摻量下，ASF粘結強度損失率p按下式計算，其計算結果見圖5.

(2)

式中：p為振動Nmin后試件粘結強度損失率(%)；σ0為試件初始粘結強度(MPa)；σn為振動Nmin后試件粘結強度(MPa).

圖4 不同振動風吸時間下ASF的粘結強度Fig.4 ASF bond strength after different vibration and wind suction time

圖5 不同振動風吸時間下ASF的粘結強度損失率Fig.5 Bond strength loss rate of ASF after different vibration and wind suction time

由圖4和圖5可見，在振動風吸作用下，A0～A10組粘結強度(σ)均隨著振動時間的增加而降低，PPF的摻入可有效減緩ASF粘結強度的下降速率. 當不摻PPF(A0組)時，ASF粘結強度隨振動時間下降速率最顯著； 振動風吸時間為0、 5、 10、 20和30 min時，其粘結強度分別為0.312、 0.262、 0.225、 0.182和0.153 MPa； 振動風吸時間為30 min時，其粘結強度損失率為50.9%. 振動風吸時間為0、 5、 10、 20和30 min時，A6組的粘結強度分別為0.350、 0.320、 0.311、 0.300和0.290 MPa； 振動風吸時間30 min時，其粘結強度損失率為17.1%. 在各振動風吸時間下，A6組的粘結強度均高于A0組. 振動風吸時間為30 min時，相比A0組，A6組的粘結強度損失率降低了33.8%，顯然，PPF的摻入能有效提高ASF的抗振動風吸性能.

當PPF摻量大于0.6%時，PPF摻量對ASF抗振動風吸性能影響不明顯. 振動風吸時間為30 min時，A10組(PPF摻量1%)的粘結強度損失率為16.1%. 與A6組相比，A10組粘結強度損失率下降不明顯. 由于PPF的價格較高，考慮ASF經濟性，PPF摻量為0.6%時性價比最高.

3.3 孔結構試驗結果

A0組與A6組的孔結構試驗結果見表8. 由表8可知，A6組比A0組的總孔體積和平均孔徑明顯增大，表明PPF摻量增加會加大ASF大孔的比例，增大總孔體積. PPF的加入需要較多的水泥漿包裹，在一定程度上降低ASF拌合性能，使內部缺陷增多，這是大孔增多的主要原因. 但A6組抗振動風吸性能優(yōu)于A0組，這表明雖然PPF的摻入會劣化ASF的初始孔結構，但隨著振動風吸試驗的進行，PPF會抑制ASF內部微裂縫的發(fā)展，且起到主導作用，從而提高ASF的抗振動風吸性能.

表8 ASF的孔結構

3.4 SEM試驗結果

膨脹珍珠巖是隧道防火涂料中一種重要的保溫隔熱材料，在ASF配方中，膨脹珍珠巖所占體積比最大，其體積超過干料總體積的50%，對提高ASF的耐火性能以及降低干密度起到至關重要的作用. 膨脹珍珠巖內部疏松、 多孔，對保溫隔熱性能有利，但膨脹珍珠巖作為ASF主要的骨料也較為脆弱，易破壞. 因此，水泥漿體與膨脹珍珠巖粘結是否緊密影響ASF的粘結強度. A0組和A6組在振動風吸試驗破壞后的SEM見圖6. 由圖6可知，與A6組相比，A0組膨脹珍珠巖與漿體的界面過渡區(qū)縫隙較大(見圖6(a))，這對ASF粘結強度不利，會造成ASF在振動風吸作用下產生應力集中，加快微裂縫的形成和發(fā)展； 而A6組內部膨脹珍珠巖與涂料漿體的界面過渡區(qū)幾乎看不到縫隙(見圖6(b))，界面過渡區(qū)較致密. A6組中PPF隨機無序地分布在ASF內部，在ASF內部起到拉結作用，能有效地吸收和耗散能量，可以有效抑制微裂紋的發(fā)展. 從圖6(c)中可以看出PPF上已附著大量的水化產物； 從圖6(d)中發(fā)現(xiàn)許多PPF是被拉斷的，說明PPF和水泥石之間有較強的粘結力. 因此，PPF能提高ASF粘結強度和抗振動風吸性能. 相比A0組，A6組具有更好的粘結強度和抗振動風吸性能.

4 結語

1) 在振動風吸作用下，堿礦渣隧道防火涂料(ASF)的破壞時間隨聚丙烯纖維(PPF)摻量的增大呈遞增趨勢，最終趨于收斂. 當PPF摻量不大于0.6%時，ASF破壞時間隨PPF摻量的增大而增長； 當PPF摻量為0.6%(A6組)時，ASF的破壞時間與不摻PPF的(A0組)相比增加177%； 當PPF摻量大于0.6%時，ASF破壞時間受PPF摻量的影響較小.

2) A6組各振動風吸時間下的粘結強度均高于A0組. 振動風吸時間30 min時，相比A0組，A6組粘結強度損失率降低了33.8%. PPF的摻入雖然明顯增加了ASF的總孔體積和平均孔徑，但其橋接作用能有效地吸收和耗散能量，抑制了微裂縫的發(fā)展，使界面結構致密，能很好地抵抗振動風吸造成的損傷，從而提高了ASF在振動風吸下的粘結強度.