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高温下非膨胀型防火涂料粘结剂热膨胀性能.pdf
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1、分析测试 ANALYSIS AND TEST高温下非膨胀型防火涂料粘结剂热膨胀性能何世家,刘军军,张天昊,唐胜利,黄浩(应急管理部四川消防研究所,成都610036)Thermal Expansion Performance of Non-expansiveFireproof Coating Binder at Elevate Temperature摘要:为了研究防火涂料粘结剂在高温下的体积变化规律,通过射线荧光光谱仪分析不同粘结剂化学成份,从化学组成上分析粘结剂的耐火性能。采用加热方法,拍摄在加热条件下粘结剂的图像,再利用图像软件,选取高温条件下粘结剂的图像边界,统计图像像素,计算高温条件下图
2、像的面积膨胀倍率,绘制粘结剂温度-面积收缩率变化图,得到高温条件下粘结剂的膨胀规律。关键词:消防;粘结剂;防火涂料;钢结构;非膨胀型钢结构防火涂料中图分类号:TQ630.7+2文献标识码:A文章编号:2096-8639(2023)10-0049-05He Shijia,Liu Junjun,Zhang Tianhao,Tang Shengli,Huang Hao(Sichuan Fire Research Institute of Ministry of Emergency Management,Chengdu 610036,China)0 引言防火涂料要达到防火要求,须同时满足完整性、隔热性
3、的要求。完整性要求防火涂料在整个火灾过程中须保持防火涂层的持续完整。构成非膨胀型防火涂料的主要组份为粘结剂、耐火填料和隔热填料。粘结剂不仅将防火涂料的耐火材料和轻质隔热材料粘结在一起,而且将防火涂料束缚到钢结构表面。这要求防火涂料不仅能隔热,而且抗热震性较好,因此,粘结剂作为非膨胀型防火涂料的关键组份之一,其抗热震性好,能最大限度保持防火涂料的完整性。高温条件下,非膨胀型防火涂料粘结剂晶相和非Abstract:In order to study the volume change of fireproof coatings binders at elevate temperature,the
4、chemical composition of different binders is analyzed by X-ray fluorescence spectrometer,andthe fireproof binders is analyzed from the chemical composition.By heating the binder,images ofthe binder under heating conditions are taken.Image software is used to select the image boundaryof the binder un
5、der elevate conditions,count image pixels,calculate the area expansion ratio of theimage under elevate conditions,and draw the temperature-area variation diagram of the binder toobtain the expansion law of the binder under elevate conditions.Keywords:fire protection;binder;fireproof coating;steel st
6、ructure;non-expansion fireproofcoatings for steel structures基金项目:国家重点研发计划,高层/超高层建筑防火保护及封堵关键技术(2021YFC3001702);应急管理部消防救援局科技计划项目(2021XFCX37)涂层与防护第44卷第10期2023年10月Vol.44 No.10Oct.2023COATING AND PROTECTION49分析测试 ANALYSIS AND TEST晶相常常发生晶型或体积的改变,这影响到防火涂料体积变化,从而影响了防火涂料的防火性能。如果高温下非膨胀型防火涂料的粘结剂体积膨胀,防火涂料中隔热粒子和
7、耐火材料之间发生迁移,宏观上表现为体积增大。当防火涂料体积膨胀到粘结剂承受的膨胀张力范围,防火涂层就会鼓起,甚至从钢结构结构表面脱离,表现形式是起皮、隆起、鼓包、脱落等异常现象。如果高温下,非膨胀型防火涂料粘结剂体积缩小,防火涂层内部应力增加,当内部应力超过防火涂层的应力极限,防火涂层表面就会开裂,表现形式为裂纹、缝隙等异常现象。因此,高温粘结剂的体积增大或缩小,都会影响防火层的完整性,高温火焰或热量通过裂纹、缝隙或脱落处直接传至钢结构表面,导致热防护失效。因此,在选择或制备非膨胀型防火涂料时,有必要测试粘结剂的膨胀性能。常用的耐高温粘结剂主要有磷酸盐、硅酸盐和硼酸盐等1。非膨胀型防火涂料通常
8、选用性价比较高的硅酸盐粘结剂,该类粘结剂主要含有氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钠、氧化钙、氧化钛、氧化磷、氧化硫等金属氧化物或非金属氧化物。关于硅酸盐的膨胀性能,一些科研工作者作了相关的研究。史英豪等人2研究结果表明,混凝土的线膨胀率随着环境温度的升高线性增大。赵忠魁等人3研究了硅酸盐中二氧化硅的膨胀性能,结果表明,二氧化硅含量高的石英砂,其膨胀率随温度的升高而增加。郭景纯4发现硅酸盐中旧砂急热膨胀性小、热稳定性好。何其捷5研究了高温处理砂浆中再生钙矾石的形成与膨胀。上述工作中,主要研究硅酸盐的膨胀性能,但都没有涉及非膨胀型防火涂料的粘结剂。从颜色上划分,非膨胀型防火涂料所用的粘结剂一般分为白色
9、和黑色两种。白色粘结剂具有装饰效果,能改善涂料外观;黑色粘结剂价格低,主要用于性价比较高的防火保护场所。本研究分别选用白色和黑色这两种硅酸盐粘结剂,利用射线荧光光谱仪分析粘结剂的成份,从理论上分析材料的耐火性能。通过烧结点仪,拍摄加热条件下粘结剂的图像,再利用图像软件,计算图像的面积及其收缩率,绘制粘结剂温度-面积收缩率图,找到高温下粘结剂的失效规律,以便选择或配制粘结剂。1 粘结剂成份分析1.1 粘结剂的成份测定利用射线荧光光谱仪分别白色粘结剂和黑色粘结剂的成份,结果如表1所示。表1 粘结剂成份分析Tab.1 Component analysis of binder1.2粘结剂耐火性能讨论非
10、膨胀型防火涂料粘结剂中含量的氧化物主要为 MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、SO3和 CaO。然而SO3高温时变成气体,脱离粘结剂,因此,不应该计为耐火材料的有效成份。而上述其他氧化物含量的比例大小,影响粘结剂的耐火度。根据表的成份分析,白色粘结剂中MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和 Fe2O3的含量之和为 96.262,黑色粘结剂 中 MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和 Fe2O3的 含 量 之 和 为95.899。如果从氧化物百分比来看,白色粘结剂耐火度大于黑色粘结剂耐火度。然而,根据晶格能理论,电荷越高,晶格能越大,熔点越高。粘结剂中电荷高且含量高的元素决定了粘结剂的
11、耐火度。粘结剂中含量的耐火氧化物为 Al2O3、SiO2和 Fe2O3。白色粘结剂中 Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量之和为 16.763,黑色粘结剂中 Al2O3、SiO2和 Fe2O3的含量之和为 27.008。根据晶格能分分析物成份MgOAl2O3SiO2P2O5SO3ClK2OCaOTiO2Cr2O3Mn2O3Fe2O3ZnOSrO白色粘结剂/%3.0321.64014.7610.0602.8520.1130.52976.4670.0740.000 0410.000 3370.36200.072黑色粘结剂/%1.6364.58118.3560.1742.4500.1020.759
12、67.2550.3600.000 1110.0824.0710.0790.084何世家,等:高温下非膨胀型防火涂料粘结剂热膨胀性能50分析测试 ANALYSIS AND TEST析显示,黑色粘结剂耐火度要大于白色粘结剂耐火度。显然,从化学组成分析难以判定粘结剂的耐火性能。2 粘结剂图像分析通过成份分析,得出粘结剂耐火度自相矛盾的结论,因此,该分析方法无法用于筛选合适的粘结剂。若采用加热方法分析图像,分析粘结剂的收缩率,对于选择或设计粘结剂可能更为有效。2.1样品制作首先,按照m(粘结剂)m(水)1002的比例,向粘结剂中加入水,充分搅拌成糊状,再将糊状物转入直径 10 mm、高 10 mm 的
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