聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸耦合性 能的影响.docx

聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸耦合性能的影响摘要：本文将碱矿渣隧道防火涂料通过钢质夹具外挂代表风吸力的配重块后，在经改装过的电磁式垂直振动台上振动，模拟隧道防火涂料在隧道中的振动风吸环境，进行振动风吸耦合试验，结合孔结构和SEM研究聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料振动破坏时间以及粘结强度损伤的影响。试验结果表明，聚丙烯纤维可以增加碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间，降低粘结强度的下降速度。随着聚丙烯纤维掺量的增加，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间呈现增长的趋势，当聚丙烯纤维掺量为0.6%时，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间相比纤维掺量为0时提高了177%,振动风吸耦合时间为30min时粘结强度损失率降低了33.8%。当聚丙烯纤维掺量超过0.6%时，纤维掺量的变化对碱矿渣隧道防火涂料破坏时间、粘结强度损伤的影响不明显。当聚丙烯纤维为1%时，相比纤维掺量为0.6%碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间提高8%,振动风吸耦合时间为30min时粘结强度损失率降低1%。关键字：振动风吸耦合、隧道防火涂料、碱矿渣、纤维掺量、粘结强度、破坏时间1前言粘结性能是隧道防火涂料最为重要的基本性能之一。在隧道中，由于往来车辆的影响隧道防火涂料处于振动和风吸环境中，对隧道防火涂料的粘结性能有不利的影响。其直接关系到隧道防火涂料在使用周期内的实用性,粘结性能的好坏不仅直接影响到隧道防火涂料的防火效果，而且也成为隧道内安全行车的一个重要保障。因此，研究振动和风吸对隧道防火涂料的粘结性能影响显得很有必要。目前在可查的文献中并未有振动及风吸对隧道防火涂料粘结性能影响的研究,相关研究主要集中在振动对隧道整体影响及风吸对列车影响的相关研究：潘昌实W,梁波通过列车荷载周期特点用类似激振形式的函数表达列车荷载。HUnt研究了交通引起的大地振动，Ng用主要研究了地铁列车。孙晓静通过对北京地铁的实测数据得出了路面车流和地铁车流地表响应主频。FUji迎等对于高速列车交会时的空气动力学做出了研究。田红旗等对列车空气动力学做了大量的研究。在可查阅文献内，将碱激发水泥（通常分为地质聚合物和用到的碱矿渣水泥两个）应用于隧道防火涂料的研究较少，口都为地质聚合物的应用，将碱矿渣水泥应用于隧道防火涂料的研究还没有。但是通过查阅相关文献可以发现，碱矿渣水泥具有的良好的耐火性能、抗冻融循环性能、耐腐蚀性能。因此将碱矿渣水泥应用于隧道防火涂料中有得天独厚的优势。聚丙烯纤维应用与隧道防火涂料中的研究主要集中于作为涂料的增强材料,是该材料具有容重轻、抗机械振动好、聚丙烯纤维无定向、均匀分布在涂料中，构成材料内部许许多多的筋，呈立体网状结构，改善了涂层的空隙结构，能够提高涂料涂层的、耐机械冲击性、抗裂性、粘结强度及冻融性等诸多方面。火灾时聚丙烯纤维融化形成无数微小的空洞，隧道防火涂料中燃烧时水分能够向这些小孔中排出，可以避免隧道防火涂料在高温中崩裂。本文用本课题组自行研发的振动风吸耦合试验方法对本课题组已有的碱矿渣隧道防火涂料进行振动风吸耦合试验,研究聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸耦合性能的影响。2原材料本文采用的隧道防火涂料为本课题组研发的碱矿渣隧道防火涂料。市面上的隧道防火涂料通常是由粘结材料、耐火隔热材料、发泡材料、助剂等四部分组成U(H”,本配方剔除了传统隧道防火涂料中的聚磷酸筱、三聚鼠胺以及季戊四醇等发泡材料，并用碱矿渣水泥替代传统隧道防火涂料中的普通水泥。2.1 粘结材料粘结材料由碱矿渣水泥、可再分散乳胶粉以及聚乙烯醉(PVA),聚丙烯纤维组成。碱矿渣水泥：由氢氧化钠和矿渣组成，按照重量百分数，矿渣：93.4%,氢氧化钠：6.6%o氢氧化钠由北京康普汇维科技有限公司生产，矿渣来自福州泰宁混凝土厂。可再分散乳胶粉：可再分乳胶粉主要作为辅助黏结材料，试验中所采用的可再分乳胶粉为英国康凯尔公司生产，型号COnCareLA4500。聚乙烯醇(PVA)：为福州四方化工有限公司生产的粉末聚乙烯醇，型号为：1788-125,白色粉末状，无臭、无味，细度为160目。聚丙烯纤维：用于提高涂料抗裂性能。试验采用聚丙烯纤维为滨州恒泰化纤制品有限公司产品。2.2 隔热耐火材料隔热耐火材料由膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石、空心漂珠组成。膨胀珍珠岩：采用福州友程耐火材料有限公司的产品，粒径约为3mm,容重：83kgn,具有质轻、绝热、无毒、吸声、无味、不燃等特点，耐高温性可达1300。膨胀蛭石：采用福州友程耐火材料有限公司的产品，粒径小于2mm,褐红色，容重：530kgm3o海泡石：采用的海泡石为南阳市卧龙区磊宝海泡石加工有限公司产品，容重：651.8kgm耐高温性可达1700°C。空心漂珠：采用的空心漂珠为河南信阳天梯矿业开发总公司生产的产品，粒径小于0.9mm,容重：338.5kg常温导热系数0.035W(mK),耐高温性可达1360。2.3 阻燃剂阻燃剂由氢氧化铝及氢氧化镁组成。氢氧化铝及氢氧化镁：采用天津市福晨化学试剂厂产品。2.4 配合比及方法3.1 试验配合比为了研究聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸耦合性能的影响，本文在自制的碱矿渣隧道防火涂料（AO组）的基础上，掺入聚丙烯纤维。配合比见表1,表1中各成分为质量百分比（）,用水量为除氢氧化钠固体以外的干料重量的70%o先将除氢氧化钠以外的干料搅拌均匀，再将氢氧化钠溶于水，最后将氢氧化钠溶液倒入到已混合均匀的干料中搅拌均匀。表1碱矿渣隧道防火涂料配合比可再碱期时分矿氢W膨胪海空氢氢M二胀:心氧氧编号PVA散渣化?蛭:泡漂化化乳水钠短石出珠铁铝维岩胶泥粉AO1.34.239.52.8015.613.17.82.53.210.0Al1.34.239.52.80.115.613.17.82.53.210.0A21.34.239.52.80.215.613.17.82.53.210.0A31.34.239.52.80315.613.17.82.53.210.0A41.34.239.52.80.415.613.17.82.53.210.0A51.34.239.52.80.515.613.17.82.53.210.0A61.34.239.52.80.615.613.17.82.53.210.0A71.34.239.52.80.715.613.17.82.53.210.0A81.34.239.52.80.815.613.17.82.53.210.0A91.34.239.52.80.915.613.17.82.53.210.0AlO1.34.239.52.81.015.613.17.82.53.210.03.2 粘结强度的试验方法粘结强度按照合成树脂乳液砂壁状建筑涂料JG“24-2000中进行。粘结强度按以下式计算：=A式中：b为粘结强度，Pa；P为拉伸时荷载，N：A为黏胶面积，m2o3.3 振动风吸耦合的试验方法振动风吸耦合试验方法由本课题组自行研发，采用外挂配重块代表风吸力，在经改装过的电磁式垂直振动台上振动，模拟隧道防火涂料在隧道中的振动风吸环境，进行振动风吸耦合试验。测试碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间以及不同振动时间下碱矿渣隧道防火涂料的粘结强度的损伤规律。以此来评价碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸耦合性能。振动风吸试验的试验参数如下：（1）风吸力：18N。根据田红旗研究结果，在列车最高车速IIIms“（即400km/h）的车速下，其压力波平均幅值约为2250Pa,如果该幅值作用在面积为4x4Cm的隧道防火涂料上，其作用产生的理论作用力大小约为1.8N。以此作为参考，在试验过程中为了在较短时间内得到较为显著的试验效果，选取10倍的理论作用力18N（实际为18±0.1N）为振动风吸耦合作用中风吸力的大小。（2）破坏时间：将表1各试验配方进行破坏性试验，记录由试验开始至试件振动破坏所需时间。（3）振动风吸耦合作用时间：为了对各组试件的振动风吸性能进行合理评价，并利于各组试件之间的横向比较，测试每个试验配合比进行振动风吸耦合试验Omin、5min.10min>20min、30min后的粘结强度。（4）振动频率：1030Hz.交通引起的环境振动的显著特点是低频、微振动，这与地震、建筑施工、工厂动力设备等其他类型的振源是完全不同的。调查表明，铁路和公路交通引起的环境振动频率范围在几个赫兹到约30HZ之间。因此采用1030Hz扫频振动。（5）振动幅度：3mm。在实际工程中，铁路和公路交通环境引起振幅非常小，引起的地基土动应变一般为10$或更小，完全属于弹性变形阶段，因此交通环境振动及防治措施的研究范围常常是在振幅小于Immu露考虑到仪器的限制，和为了能在较短时间内得到显著的效果，采用振幅3mm进行振动风吸耦合试验。（6）振动方向：垂直振动。张国斌【研究了列车-隧道耦合下的振动响应，得出结论：隧道的振动方向以垂直振动为主，水平方向振动影响较小。电磁式振动台分为垂直振动和水平振动，因此在购买仪器时选择电磁式垂直振动台，振动方向为垂直振动。振动采用电磁式垂直振动台进行，为了保证试件的振幅、频率等振动特性均与振动台保持一致。专门加工固定隧道防火涂料试件用的固定支架，其中支架包括钢质固定支架基座和钢质固定支架上夹片（如图1所示），以及固定用的螺栓。在试验过程中先将试件固定支架的基座用螺栓固定于电磁式垂直振动台上，再将基本试件挂于钢条上，碱矿渣隧道防火涂料钢质上夹具朝下，并列排放，基本试件两两之间用螺栓拧紧隔开，放整齐后将钢质固定支架上夹片盖上，保证各个基本试件安放稳定无滑动现象。将外挂重物过螺栓锚固在碱矿渣隧道防火涂料试件上，如图1（d）所示。这样加上碱矿渣隧道防火涂料表面抗拉用钢质上夹具（112±2g）,碱矿渣隧道防火涂料表面共受到向下的作用力由重1728±5g的重物提供，即18±0.1N°上述碱矿渣隧道防火涂料试件固定于如图1所示的碱矿渣隧道防火涂料振动风吸耦合粘结性能测试装置上。安装完毕之后打开振动台进行计时振动。振动达到时间要求后立即关闭振动台，将试件逐一取下。将上述取下碱矿渣隧道防火涂料试件测试粘结强度。测试风吸振动耦合试验是在HD-A521-1C电磁式垂直振动台图2基础上进行改装的，该仪器由东莞市海达（国际）仪器有限公司生产。(a)试件固定后平面示意图(b)试件固定后正立面示意图(c)试件固定后侧立面示意图(d)带外挂重物的隧道防火涂料试件正立面图图1振动夹具支架及重物示意图I-夹片与基座固定螺孔;2-钢质固定支架基座;3-螺杆与夹片固定螺栓;4-夹片与振动台固定螺杆;5-固定钢片螺丝;&振动台面;7-纤维水泥板;8-待测隧道防火涂料;9-钢质夹具;10-外挂重物图2 HD-A521-1C电磁式垂直振动台4试验结果及分析4.1 破坏时间碱矿渣隧道防火涂料在振动风吸耦合试验下破坏时间随聚丙烯纤维掺量增加的变化规律如图3所示。图3聚丙烯纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料破坏时间影响从图3可以看出各组试验配方的破坏时间在35min105min之间，在振动风吸耦合试验后，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间随聚丙纤维的掺量的增大有明显增长的趋势。当聚丙烯纤维的掺量小于0.6%时，碱矿渣隧道防火涂料破坏时间随聚丙烯纤维掺量的增大而增长；当聚丙烯纤维掺量为0.6%（A6组）时，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间与不掺聚丙烯纤维的时相比增加177%。当聚丙烯纤维掺量为1%（AlO组）时，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间与掺量为0.6%（A6组）时相比仅增加8%,可见此时碱矿渣隧道防火涂料破坏时间受聚丙烯纤维掺量变化影响较小。4.2 粘结强度损伤规律在试验过程中发现，试件在不同时间的振动风吸耦合作用下，碱矿渣隧道防火涂料粘结强度早期损失较严重，根据3.3的实验方法，振动风吸耦合时间为Omin、5min、Iomin、20min、30min,不同聚丙烯纤维掺量下，碱矿渣隧道防火涂料粘结强度随振动风吸耦合作用时间变化规律如图4所示。不同聚丙烯纤维掺量下，碱矿渣隧道防火涂料粘结强度损失率如图5所示。0.40-0.32-0.24 - W 出 0.16-0.08-0.00AOOminI 15minFllIIl IOmin 20min 30ninPU1MM/MU1/MUMMM/MU1/MMMMMM -V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1匕Al A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 10100-180-60-()d图4不同振动时间下碱矿渣隧道防火涂料的粘结强度变化注：图中横轴表示不同试验组不同振动时间下数据：纵轴。代表粘结强度。5minIIIOminHH+H20min30rnin图5不同振动时间碱矿渣隧道防火涂料的粘结强度损失率注：图中横轴表示不同试验组不I司振动时间下数据：纵轴P代表粘结强度失率.结合图4和图5,AO-AlO组在受到振动风吸耦合作用下粘结强度均随着振动时间的增加而降低，聚丙烯纤维的掺入可以有效减缓碱矿渣隧道防火涂料粘结强度的下降速度。当聚丙烯纤维掺量为0（AO组）时，碱矿渣隧道防火涂料的粘结强度随振动时间下降明显，振动风吸耦合时间为5min、IOmin、20min、30min时粘结强度分别为0.312MPa>0.262MPa、0.225MPa、0.182MPa、O.153MPa,振动风吸耦时间为30min时粘结强度损失率为50.9%。A6组（纤维掺量0.6%）振动风吸耦合时间为5min、IOmirI、20min>30min的粘结强度分别为0.350MPa、0320MPa、0.311MPa、0.300MPa、0.290MPa,振动风吸耦合时间为30min时粘结强度损失率为17.1%,A6组各振动耦合时间的粘结强度均高于AO组，且振动风吸耦合时间为30min时A6组比AO组粘结强度损失率下降33.8%,有效的提高碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸耦合性能。当聚丙烯纤维掺量大于06%时，聚丙烯纤维的掺量对碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸耦合性能影响不大。AlO组(纤维掺量为1%)振动风吸耦合时间为5min、Iomin、20min.30min时的粘结强度损失率分别为7.6%、11.2%、13.8%、16.1%,与A6组相比粘结强度损失率下降不明显，振动风吸耦合时间为30min时粘结损失率仅下降1%。由于聚丙烯纤维的价格较高，考虑到碱矿渣隧道防火涂料的经济性，聚丙烯纤维掺量为0.6%时性价比较高。4.3 孔结构试验结果AO组与A6组的孔结构结果见表2。表2孔结构试验结果组别总孔体积(×10-3mlg)平均孔直径(nm)分类孔孔体积(XIO3ng)<20nm2050nm5020Onm>200nmAO69.8255.1026.2715.6427.91OA681.5359.3325.8117.9337.79O由表2可见，AO组(聚丙烯纤维掺量为0)、A6组(聚丙烯纤维掺量为0.6%)的累积孔体积分别为69.82-3ml/g、81.53lg,A6组比AO组的累积孔体积要大，平均孔径分别为55.10nm>59.33nm,A6组的平均孔径也比AO小,在孔径的分布上小孔减少，大孔增多，表明聚丙烯纤维掺量的增加会使得内部微观孔体积增大,增加一定的大孔。导致孔体积增大,大孔增多的原因是由于聚丙烯纤维的加入需要较多的水泥浆包裹，导致碱矿渣隧道防火涂料不密实，在一定程度上降低了碱矿渣隧道防火涂料的拌合性能，内部缺陷增多。但是A6组的抗振动风吸耦合性能优于AO组表明虽然聚丙烯纤维的掺入会增加碱矿渣隧道涂料内部初始微观孔，但是随着振动风吸试验的进行，聚丙烯纤维会抑制碱矿渣隧道防火涂料内部微裂缝的发展。4.4 SEM试验结果AO组和A6组在振动风吸试验破坏下的SEM结果如图7所示。(a)AO组放大100倍(b)A6组放大Ioo倍(C)A6组放大100O倍(d)A6组放大1000倍图7AO组和A6组内部28天SEM试验结果膨胀珍珠岩是隧道防火涂料中一种重要的保温隔热材料，在碱矿渣隧道防火涂料配方中，膨胀珍珠岩所占体积比最大，所占体积超过总干料体积的50%,对提高碱矿渣隧道防火涂料的耐火性能以及降低干密度起到至关重要的作用。膨胀珍珠岩内部疏松、多孔，对保温隔热性能及轻质有利，但同时膨胀珍珠岩作为碱矿渣隧道防火涂料主要的骨料也较为脆弱，容易破坏。因此，水泥浆体与膨胀珍珠岩粘结是否紧密对碱矿渣隧道防火涂料的整体强度十分重要。对比AO组和A6组在破坏后的SEM试验试验结果可以发现，AO组膨胀珍珠岩与涂料浆体的界面过渡区缝隙明显较大(见图7(a),对碱矿渣隧道防火涂料的粘结强度不利，会使得碱矿渣隧道防火涂料在振动风吸耦合作用下在该位置产生应力集中，容易导致微裂缝的形成和发展°A6组内部膨胀珍珠岩与涂料浆体的界面过渡区几乎看不到缝隙(见图7(b),说明AO组涂料浆体和骨料之间的机械咬合力不如A6组，因此A6组的抗振动风吸耦合性能优于AO组，与宏观试验结果一致。A6组中聚丙烯纤维的分布是随机无序的分布在碱矿渣隧道防火涂料内部,在碱矿渣隧道防火涂料内部起到拉结作用，可以有效抑制裂纹的发展,提高碱矿渣隧道防火涂料粘结强度。从图7(C)中可以看出聚丙烯纤维上已有大量的水化产物附着，因此不仅提高了碱矿渣隧道防火涂料的力学性能，而且能很好地阻挡微裂纹的产生及扩展，有效地吸收和耗散能量，提高了碱矿渣隧道防火涂料的抗裂性。从图7(d)中发现许多聚丙烯纤维是被拉断的，说明聚丙烯纤维和水泥有较强的粘结力。碱矿渣隧道防火涂料在进行振动风吸耦合性能实验中，碱矿渣隧道防火涂料在循环荷载下，内部裂缝会随着振动时间而增加从而导致发生破坏。聚丙烯纤维在碱矿渣隧道防火涂料内部起到拉结作用，可以有效抑制裂纹的发展，提高碱矿渣隧道防火涂料粘结强度。在振动风吸时开裂截面的荷载施加到横跨裂缝的聚丙烯纤维上,通过聚丙烯纤维与碱矿渣隧道防火涂料浆体的粘结力，聚丙烯纤维将振动风吸作用产生的拉应力力传到未开裂的水泥石上，分担了拉应力力降低了振动风吸耦合作用对碱矿渣隧道防火涂料内部的损伤，使得碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸破坏能力得到提高。而当碱矿渣隧道防火涂料中加入聚丙烯纤维时，聚丙烯纤维自身不仅可以分担一部分的拉应力，很好的抵抗振动风吸造成的损伤，而且对己经产生裂纹的水泥基涂料有一定的联接作用，使碱矿渣隧道防火涂料内部空隙裂纹不易发展，提高了碱矿渣隧道防火涂料的粘结耐久性能。5结论本文提出振动风吸耦合试验,将碱矿渣隧道防火涂料通过钢质夹具外挂代表风吸力的配重块后在经改装过的电磁式垂直振动台上振动，模拟隧道防火涂料在隧道中的振动风吸环境。通过破坏时间以及粘结强度损伤规律来研究碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸耦合性能。本文以课题组前期自制的碱矿渣隧道防火涂料的基础上掺入聚丙烯纤维，研究纤维掺量对碱矿渣隧道防火涂料的抗振动风吸耦合性能的影响。并结合孔结构、SEM等微观试验方法对宏观试验数据的微观机理进行研究，研究结果如下：(1)碱矿渣隧道防火涂料在受到振动风吸耦合作用时.，粘结强度随着振动时间的增加而下降。(2)聚丙烯纤维可以增加碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间，降低粘结强度的下降速度。随着聚丙烯纤维掺量的增加，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间呈现增长的趋势，当聚丙烯纤维掺量为0.6%时，碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间相比纤维掺量为0时提高了177%,振动风吸耦合时间为30min时粘结强度损失率降低了33.8%。当聚丙烯纤维掺量超过0.6%时，纤维掺量的变化对碱矿渣隧道防火涂料破坏时间、粘结强度损伤的影响不明显。当聚丙烯纤维为1%时，相比纤维掺量为0.6%碱矿渣隧道防火涂料的破坏时间提高8%,振动风吸耦合时间为30min时粘结强度损失率降低1%。(3)搀入聚丙烯纤维会导致碱矿渣隧道防火涂料的孔体积增大，大孔增多，说明聚丙烯纤维增强碱矿渣隧道防火涂料抗振动风吸耦合性能的的原因并不是通过增加涂料密实度来实现的。从碱矿渣隧道防火涂料破坏面的SEM结果可以看出，聚丙烯纤维的分布是随机无序的分布在碱矿渣隧道防火涂料内部，纤维上有大量的水化产物附着，且有许多聚丙烯纤维是被拉断的，在涂料内部起到拉结作用，可以有效抑制裂纹的发展，提高涂料粘结强度。从而降低碱矿渣隧道防火涂料粘结强度的下降速度，延长破坏时间，提高抗振动风吸耦合性能。6参考文献1潘昌实.黄土隧道列车动我响应有限元初步数定分析研究J.土木工程学报，1984,18(4):19-28.2梁波.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析J.铁道学报，1999,21(2):84-88.3 H.E.M.Hunt.Measurementandmodellingoftraffic-inducedgroundvibrationD.UniversityofCambrige,1988.4 S.L.D.Ng.Transmissionofground-bornevibrationfromsurfacerailwaytrainsD.UniversityofCambrige,1995.15孙晓静.地铁列车振动对环境影响的预测研究及减振措施分析D.北京：北京交通大学，1999.6Fujii,K.,T.Ogawa.AerodynamicsofhighspeedtrainspassingbyeachotherJ.Computers&Fluids,1995,24(8):897-908.7田红旗.中国列车空气动力学研究进展J.交通运输工程学报,2006,6(1):64-67.8蒲心诚.碱矿渣水泥与混凝±M.北京：科学出版社,2010.9HuoR,LiY-Zh,YuM-G,YouF,ZhouY-J.Preliminaryinvestigationonmechanicalsmokeventilationinlargesoacebuilding.FireSciTechnol,2001(4):3-5.10王新钢.隧道防火涂料的研究及其施工技术J.上海涂料,2006,44(6).11王国建.建筑防火材料M.北京：中国石化出版社,2006:3948.(12中华人民共和国国家计划委员会.混凝土强度检验评定标准.GBJ107-87.北京，1988.13夏禾.交通环境振动工程M.北京:科学出版社,201().14张国斌.列车一隧道耦合振动分析D.大连：大连交通大学,2012.