磷酸钾镁水泥隧道防火涂料制备研究.docx

1、磷酸钾镁水泥隧道防火涂料制备研究磷酸钾镁水泥隧道防火涂料制备研究中文摘要随着社会经济的发展和人类环保意识的提高，对隧道防火涂料产品的性能提出了更高的要求。本文制备出快硬早强、粘结性能和耐高温性能优异的磷酸钾镁水泥，并将其代替传统的普通硅酸盐水泥和高铝水泥应用于隧道防火涂料。通过一系列隧道防火涂料基本性能（粘结强度、耐火极限和干密度）试验和性能优化试验研究得出性能最优的磷酸钾镁水泥隧道防火涂料（简称“涂料”）配方，并通过孔结构分析、SEM微观结构和同步热分析试验对涂料的宏观性能进行机理分析。主要得出以下结论：1、磷酸钾镁水泥中KH2PO4与MgO的质量比（即P/M）对抗压强度影响最大,其次是水灰

2、比（即W/C）,最后是硼砂掺量（即B/M）,试验得出的最优配比为PM=13,WC=0.16,B/M=2%o在相同强度等级下，磷酸钾镁水泥的粘结强度和耐高温性能远大于普通硅酸盐水泥的粘结强度和耐高温性能。2、涂料的粘结强度和耐火极限均随着P/M的减小呈现先增后减的趋势。当P/M=1/3时，涂料累计孔体积和平均孔径最小，水泥水化产物MgKPO46H2O生成量最大，轻质骨料与水泥石的界面过渡区最密实，因此涂料的粘结强度和耐火极限最大。3、随着PVA掺量的增加，涂料的粘结强度先增大后减小，当PVA掺量占总质量的1.2%时，其粘结强度最大。4、膨胀剂对涂料有一定的保水作用，延长涂料开放时间，而且能提高涂

3、料的粘结性能。当膨胀剂掺量大于3%以后，粘结强度的提高开始趋于平缓。5、硼酸锌的掺入会降低涂料的粘结性能，但掺量在26%时对涂料耐火性能有利；当掺量大于6%时，会因涂料粘结强度降低过多造成涂层开裂、脱落等现象，从而使涂料失去防火隔热能力。6、引气剂不仅能降低涂料干密度，而且会因为涂料内部气孔结构的改善提高涂料的隔热阻燃性能；当掺量大于0.025%以后，涂料内部气孔相互贯通，在高温条件下易形成热流通道，导致涂料的高温隔热阻燃性能变差。7、制备的涂料能通过混凝土结构防火涂料（GA283752012）指标的要求，与市售隧道防火涂料相比不仅粘结强度提高，而且干燥时间远远降低，对隧道防火涂料的重复喷涂非

4、常有利，能有效提高施工效率。关键词：磷酸钾镁水泥，隧道防火涂料，粘结强度，耐火极限Studyforthepreparationofmagnesium-potassiumphosphatecementtunnelfireproofcoatingsAbstractWiththedevelopmentofthesocialeconomyandtheimprovementofhumanenvironmentalawareness,higherrequirementshavebeenproposedfortheperformanceoftunnelfireproofcoatingproducts.Weh

5、avepreparedamagnesium-potassiumphosphatecementwithrapidhardening,earlystrength,goodbondingperformanceandexcellenthightemperatureresistant,whichcanreplacethetraditionalordinaryportlandcementandhighaluminacementintunnelfireproofcoatings.Basedonaseriesofbasicperformancetest(bondstrength,fireresistancea

6、nddrydensity)andperformanceoptimizationtestoftunnelfireproofcoatings,weobtainedamagnesium-potassiumphosphatecementtunnelfireproofcoatingformulation(shortforcoating)withoptimumoverallperformance.Bytheporestructureanalysistest,SEMmicrostructuretestandsimultaneousthermalanalysistests,amechanismanalysis

7、hasbeenconductedtoexplainthemacroscopicpropertiesofthecoating.Themainconclusionsaredrawnasfollows.1. Inmagnesium-potassiumphosphatecement,ThequalityofKH2PO4andMgOratio(PM)hasthegreatestimpactonthecompressivestrength,andthesecondisthewatercementratio(WC),andthelastisboraxcontent(BM).Theoptimalformula

8、isP/M=1/3,W/C=0.16,B/M=2%.Inthesamegradeofstrength,thebondstrengthandhightemperatureperformanceofmagnesium-potassiumphosphatecementaremuchbetterthanthatofordinaryportlandcement.2. WiththedecreaseofP/M,thebondstrengthandfireresistanceofthecoatingfirstlyincreaseandthendrop.WhenP/Mis1/3,thecumulativepo

9、revolumeandaverageporediameterofthecoatingarethesmallest,andtheamountofcementhydrationproducts(MgKPO46H2O)isthemost,andtheinterfacialtransitionzoneoflightweightaggregateandhardenedcementpasteisthedensest.Thereforethebondstrengthandfireresistanceofthecoatingarethebest.3. WiththeincreaseofPVA,thebonds

10、trengthofthecoatingfirstlyincreasesandthendecreases.WhentheamountofPVAaddedis1.2%,thebondstrengthofthecoatingisthebest.4. Expansiveagenthasafunctionofwaterconservation,andcanextendtheopeningtimeandimprovethebondstrengthofthecoating.Whentheaddingamountofexpansiveagentislargerthan3%,thebondstrengthinc

11、reaseofthecoatingbecomesgently.5. Theincorporationofzincboratereducesthebondstrengthofthecoating.However,whenthecontentofzincborateistheregionof2%to6%,itisbeneficialforthefireresistanceofthecoating.Whentheaddingamountofzincborateislargerthan6%,thecoatinglosesthefireinsulationability,becauseofthecrac

12、kingandspallingofthecoatingduetothedecreaseofbondstrength.6. Airentrainingagentcannotonlyreducethedrydensityofthecoating,butalsoimprovethefireresistancebecauseoftheimprovementoftheinternalporestructure.However,whentheamountofairentrainingagentisgreaterthan0.025%,theinterconnectedinternalporosityorpa

13、ssageofthecoatingunderhightemperatureconditioniseasilyformed,resultinginthedeteriorationofhighflame-retardantpropertiesofthecoating.7. Thepreparedcoatinginthispapercanmeettherequirementsoffireproofcoatingsforconcretestructure(GA283752012).Comparedwiththecommerciallyavailabletunnelfireproofcoatings,o

14、urformulationofthecoatingcannotonlyimprovethebondstrength,butalsoshortenthedryingtime.Itisgoodfortherepeatedlysprayingofthecoating,andeffectivelyimprovestheconstructionefficiency.Keywords:magnesium-potassiumphosphatecement,tunnelfireproofcoatings,bondstrength,fireresistance目录中文摘要IAbstractII目录IV第一章绪论

15、11.1 研究背景11.2 隧道火灾的特点及危害11.2.1 隧道火灾的特点11.2.2 隧道火灾对钢筋混凝土的危害31.3 隧道防火措施31.4 国内外隧道防火涂料的研究现状51.4.1 国外隧道防火涂料研究现状51.4.2 国内隧道防火涂料研究现状61.5 磷酸镁水泥的应用现状71.5.1 磷酸镁水泥简介71.5.2 磷酸镁水泥的性能81.5.3 磷酸镁水泥的应用81.6 本课题的特色与创新之处91.7 研究内容及技术路线9第二章磷酸钾镁水泥的试验研究112.1 引言112.2 原材料112.2.1 氧化镁粉112.2.2 磷酸二氢钾122.2.3 硼砂122.2.4 普通硅酸盐水泥122

16、3 试验方法122.3.1 凝结时间122.3.2 抗压强度132.3.3 粘结强度132.3.4 耐高温性能试验132.4 试验配合比142.5 试验结果分析152.5.1 正交试验结果152.5.2 抗压强度极差分析152.5.3 抗压强度影响因素分析162.6 粘结强度试验结果172.7 耐高温性能试验结果182.7.1 表观形貌182.7.2 抗压强度损失率182.7.3 XRD分析192.8 本章小结20第三章隧道防火涂料原材料及性能测试方法223.1 引言223.2 试验原材料223.2.1 粘结材料223.2.2 隔热耐火材料233.3 主要仪器设备263.3.1 ZY6241

17、防火涂料燃烧试验机（小室法）263.3.2 HC-2000A智能粘结强度检测仪273.3.3 CA砂浆冻融试验机283.3.4 V-Sorb2800孔径分析仪293.3.5 S-3400N型扫描电子显微镜303.3.6 STA449C同步热分析仪313.4 隧道防火涂料性能测试方法323.4.1 耐火极限测试方法323.4.2 粘结强度测试方法333.4.3 干密度测试方法353.4.4 干燥时间（表干）测试方法363.4.5 耐水性测试方法363.4.6 耐酸性测试方法363.4.7 耐碱性测试方法373.4.8 冻融后粘结强度测试方法373.5 本章小结37第四章隧道防火涂料基本性能研究3

18、84.1 引言384.2 正交试验方案384.2.1 因素与水平的确定384.2.2 试验安排与结果394.3 试验结果分析404.3.1 粘结强度试验分析404.3.2 耐火极限试验分析424.3.3 干密度试验分析444.4 初始配方的确定464.5 本章小结46第五章隧道防火涂料性能优化研究485.1 引言485.2 聚乙烯醇（PVA）485.2.1 材料介绍485.2.2 试验设计495.2.3 试验结果及分析495.3 膨胀剂505.3.1 材料介绍505.3.2 试验设计515.3.3 试验结果及分析515.4 硼酸锌525.4.1 材料介绍525.4.2 试验设计535.4.3

19、试验结果及分析545.5 引气剂555.5.1 材料介绍555.5.2 试验设计555.5.3 试验结果及分析565.6 最优配方确定575.7 本章小结57第六章隧道防火涂料优选配方宏微观试验研究586.1 引言586.2 P/M对涂料粘结强度和耐火极限的影响586.3 孑L结构分析试验596.3.1 试样制备596.3.2 试验结果分析596.4 SEM微观结构试验616.4.1 试样制备616.4.2 试验结果分析616.5 同步热分析试验636.5.1 试样制备636.5.2 试验结果分析636.6 本章小结65第七章优选配方综合性能评价667.1 引言667.2 涂料性能检测667.

20、2.1 耐火性能667.2.2 理化性能677.3 与现有隧道防火涂料性能对比697.4 本章小结70结论与展望71结论71展望72参考文献73致谢错误!未定义书签。个人简历错误!未定义书签。第一章绪论1.1 研究背景隧道一般指横截面积超过30m2的地下人工通道。随着城市人口的增加、国内经济的发展,为了缓解城市间物资流通和人际交往的拥挤，国家在公路隧道、铁路隧道、地铁隧道等交通建设方面的力度不断提高，隧道修建越修越多、越修越长咒另外我国隧道开凿技术的不断成熟，也使得大规模的隧道工程建设成为可能。据统计，截止到2011年初，我国拥有公路隧道数量为7384座、公路隧道累计长度超过500万米。其中，

21、特长隧道达到265座、累计长度超过100万米，长隧道为1218座、累计长度超过200万米。近年来，上海崇明隧桥、秦岭终南山隧道、厦门翔安海底隧道等代表性隧道相继完工。与此同时，近几年国内各大城市的轨道交通建设也有了突飞猛进的发展。截至2012年，国内开通的地铁累计长度已超过800公里，渐渐地超越了国外一些地铁发展较早的国家。国内地铁工程虽然起步较晚，但随着国家和地方政府的大力投入和隧道工程技术的快速进步，国内地铁的建设规模和发展速度已经位列世界第一，预计到2020年建设规模将会达到3.8万亿元、然而，随着公路、铁路和地铁等建设的井喷式发展，隧道的安全问题日益突出。由于早期隧道建设对安全意识的相

22、对缺失和如今各类隧道项目的迅猛发展，使得隧道的安全保护措施和隧道建设发展速度不相匹配。如今，世界各地的隧道火灾事故频发，引起了人们对隧道防火的高度重视。隧道防火不仅影响国家经济的发展，而且与人们的生活安全息息相关。因此，隧道防火已经成为当今世界各国面临的巨大难题，同时也成为消防部队探索和研究火灾救援战术的重要课题5o1.2 隧道火灾的特点及危害1.2.1 隧道火灾的特点近年来，国内外公路、铁路、地铁隧道火灾频频发生，给社会带来巨大经济损失的同时，也给人们的生命安全带来了诸多不确定的因素。由于隧道本身复杂的结构形式，密闭的环境，加上人口密集，流动量大，且地处偏僻等诸多因素导致隧道火灾一旦发生，扑

23、救工作异常困难，产生的后果较为严重，许多情况下火灾引起的人员和经济损失巨大。与传统建筑物火灾相比，隧道火灾具有其独特性”：(1)火灾发生时烟雾大，温度高，不易扑救由于隧道本身的管状结构、空间狭小，导致烟雾无法及时地排出，温度急剧上升，降低隧道内的能见度，严重影响消防人员的救援工作，危害乘客和消防人员的人身安全。隧道起火后IOmin,隧道内最高温度可达到100(TC以上，且伴随着大量有毒气体，隧道火灾见图1-1。图1-1隧道火灾现场(2)交通堵塞严重，人员车辆疏通困难高速公路车流量很大，而隧道一般仅有两端的出入口，隧道火灾发生后，由于空间狭小且密闭，交通的严重阻塞，人员和车辆疏通非常困难(如图1

24、2)o另外，车上燃油多，火灾发生后如果疏通不利，极有可能因为车辆燃烧造成二次灾害，甚至引发爆炸等惨痛局面。图1-2隧道火灾引起交通堵塞(3)隧道所处地势环境复杂，救援物资难以抵达对于铁路、公路隧道一般建在离救援中心较远的偏僻地带，地区通讯信号不畅，火灾发生后消防救援车辆和设施很难在第一时间内赶赴现场，使得各部门相互协调工作的难度较大，人员调度困难，组织后备人员的物资供应、装备器材等很难抵达救援现场，从而导致火灾扑救工作无法实施。（4）火灾种类的复杂多样化虽然目前相关部门对于铁路、高速路和地铁等均严令禁止携带危化品进入。但在实际的调查中发现，每天仍有相当的危化品车辆行驶在隧道内。如果这些危化品

25、车辆一旦发生事故，就给本来就复杂的隧道灾害埋下了更多不安全的因素。1.2.2 隧道火灾对钢筋混凝土的危害虽然隧道内的钢筋和混凝土均为不燃体，但是其耐火性能很差。钢筋混凝土结构在高温条件下强度受到极大的损失，隧道火灾温度一般都高达100（TC以上,这种高温条件会使钢筋和混凝土之间的粘结力急剧降低，温度越高，两者的粘结力降低得越快,导致钢筋混凝土结构丧失继续承载的能力，从而引发隧道的坍塌。国内外相关研究表明.巴当温度低于300时，混凝土的强度损失很小，其变化主要表现为质量的损失，这个损失是主要原因是混凝土内部的结晶水蒸发造成的；当温度为300时，混凝土水分继续蒸发，其强度损失10%20%;当温度升

26、至600时，混凝土的强度损失达到60%75%;而当温度升至800时,混凝土开始发生大面积的爆破，强度降低80%并且逐渐失去承载能力。钢筋的耐火性能较差，在隧道结构中，混凝土对钢筋的防腐防锈起到至关重要的作用。但是当隧道发生火灾时，混凝土自身发生破坏而失去保护层的作用，导致钢筋的力学性能受到极大的冲击。国内外研究表明.：当温度超过250。C时，钢筋的抗拉强度有一定提高，但是钢筋的弹性模量和屈服强度开始下降，出现“蓝脆”现象；当温度达到3OOoC-4OOoC0t,钢筋的屈服强度下降最快；当温度升至6OOoC0t,其屈服强度下降量达到2/3,此时钢筋已受到严重破坏，无法继续发挥作用。因此，如果不对隧

27、道的钢筋混凝土结构做必要的防火措施，火灾时产生的高温极易使钢筋和混凝土丧失基本的性能，从而造成隧道的坍塌破坏。1.3 隧道防火措施隧道结构防火措施的基本思路是对隧道结构进行保护，使隧道内的钢筋混凝土结构在外部高温条件下能继续维持正常的承载作用，在进行救援工作前不至于发生隧道坍塌现象，为救援工作赢得更多的时间。国内外相关文献研究表明口6%,隧道结构的主要防火措施如下：（1）安装喷淋灭火系统在隧道内安装喷淋灭火系统可以有效降低热气流的温度和烟雾浓度（见图1-3）,但是其有效性仍然存在以下争议：a、该系统安装在隧道上部，对车辆下方的发动机周围起不到很好的灭火效果；b、喷淋系统使隧道内烟气下沉，降低隧

28、道内能见度，极大地阻碍了乘客逃生和消防救援；c、设备造价和维修费用高。图1-3隧道喷淋灭火系统（2）在隧道内粘贴专用防火板隧道专用防火板有外观光滑、美观等优点（见图1-4）,但是其防水性能有待解决，且施工较为繁琐，造价比较高，另外防火板后的钢材在高温条件下易成为热量传递的通道，引起混凝土爆裂。图1-4隧道专用防火板(3)在隧道内壁喷涂隧道防火涂料隧道防火涂料是一种涂覆在隧道内壁及拱顶的防火涂料(见图1-5),它能有效防止隧道内钢筋混凝土结构的高温破坏，具有良好的粘结、耐火性能，而且其使用成本低、施工方便的特点，是一种适合国内社会经济发展水平的新型防火涂料，具有巨大的经济效益和社会需求。图1-5

29、隧道防火涂料1.4 国内外隧道防火涂料的研究现状1.4.1 国外隧道防火涂料研究现状国外对隧道防火涂料的研究已有40多年的历史，其研究是建立在钢结构防火涂料的基础上展开的。美国AntonQCtaVian就将硅酸盐水泥和高铝水泥作为粘结材料，硬硅钙石、钙硅石、蛭石作为隔热耐火材料，并添加一些增强剂及助剂,研制出一种隧道内的优质防火涂料。Weil.E等国则以水泥、无机矿物纤维、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩和轻质碳酸钙为原料研制出新的无机建筑物防火涂料。Kidder等所针对隧道结构和建筑物外墙用高铝水泥、纤维、海泡石、钙硅石和无定型硅石等研制出了具有优良隔热性能和防爆性能的防火涂料。瑞士DuquesneS等

30、源研制出一种环保型隧道防火涂料，该涂料由复合型粘结剂、隔热耐火填料、发泡材料及助剂组成，施工时采用抹涂法涂覆于隧道衬砌中，当涂层厚度为22mm时，耐火极限达到4h。随着隧道防火涂料研制工作的展开和隧道防火意识的不断加强，欧美国家渐渐地将隧道防火作为隧道安全设计一个重要指标。在美国、英国、德国等欧美国家隧道防火涂料已经广泛的应用到实际的隧道及地下工程中。许多国家已经建立了有关隧道防火涂料的测试标准，如美国的ASTME-119(UL263),英国的BS476,德国的DIN4102,及国际标准ISo834加。1.4.2 国内隧道防火涂料研究现状由于对隧道防火意识的缺乏，标准规范的缺失，经济和技术水平

31、的制约，国内对隧道防火涂料的研究起步较晚。针对隧道防火涂料的研发工作始于1990年前后，四川大学率先研制出环保型无卤素隧道防火涂料的产品加。然而，国内对隧道防火涂料的真正应用是从2001年左右才开始阿。随后，为了对参差不齐的隧道防火涂料产品进行规范，2005年公安部发布了中华人民共和国公共安全行业标准混凝土结构防火涂料(GA982005)回替代预应力混凝土楼板防火涂料通用技术条件(GA981995)32,成为国内第一个针对隧道防火涂料的行业标准。2012年又将标准更新为中华人民共和国国家标准混凝土结构防火涂料(GA28375-2012)本标准对涂料的粘结性能和干密度提出了更高的要求，进一步明确

32、了隧道防火涂料的一般要求、技术要求、试验方法和检验规则，对隧道防火涂料各种性能指标做出了明确和详尽的规定。近几年，国内对隧道防火涂料的研究取得了较大的进展。程小伟将可在分散乳胶粉加入水泥基防火涂料中改善隧道防火涂料的粘结性、耐水性，提高其耐冷热循环和耐火性能回。左志康等用硅酸盐水泥和高铝水泥作为复合粘结剂，海泡石、硅酸铝棉、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、空心微珠组成的隔热耐火材料，聚磷酸镂、三聚氟胺、季戊四醇组成的发泡材料和化学助剂研制了一种新型隧道防火涂料的，该产品已通过国家防火建筑材料质量监督检验中心检测。陈夙等将硅酸盐水泥与高铝水泥按不同比例复配，通过对粘结强度和耐火性能的测试，当m(硅酸盐水泥

33、)：m(高铝水泥)=5:1时，耐火极限最高，粘结性能较好的。方兴中（专利号：CN1986715）发明了一种隧道防火涂料，该涂料由是由582树脂、丙乳液、AEC膨胀水泥和耐火水泥为粘结剂，海泡石、硅酸铝纤维、膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙、粉煤灰为隔热耐火骨料，膨胀蛭石、季戊四醇、重铭酸镂、三聚氧胺、聚磷酸镂为发泡材料，氢氧化镁、氧化铝、硼酸镂、氧化锡为助剂组成，具有粘结性、耐火性能高、耐水性好等特点河。彭桦，石宗利（专利号：CN1986715）研制了一种隧道防火涂料，其表干时间大约为61，叶春会，王泽平（专利号:CN103992703A）发明了一种隧道防火涂料，不同实施例的表干时间为4h6即。综上所述

34、目前国内对隧道防火涂料的粘结材料基本都是采用硅酸盐水泥和高铝水泥，并未涉及其它新型环保水泥。为了提高涂料的耐火性能，多数涂料掺入了聚磷酸镂和三聚氧胺作为发泡材料，但这两者物质遇水反应生成氨气，不仅对环境造成污染，而且危害人身安全。另外，隧道防火涂料施工工艺大多采用分层喷涂，待上层涂料干燥后方可喷涂下层，由于目前的隧道防火涂料不同程度地存在表干时间偏长的问题，使得分层喷涂的的时间间隔达到12h24h,严重影响施工效率。1.5 磷酸镁水泥的应用现状1.5.1 磷酸镁水泥简介磷酸镁水泥（MPC）是一种新型的快硬早强胶凝材料，与传统的硅酸盐水泥煨烧工艺不同,它不需要消耗大面积的粘土资源，能有效地保护

35、耕地及合理规划能源阿。传统的磷酸镁水泥是由氧化镁和磷酸二氢氨反应制得，但是在其水化反应过程中会释放出难闻的氨气，不仅对环境造成污染，而且易造成使用设备的损坏。磷酸钾镁水泥（MKPC）是目前性能较好的磷酸镁水泥，通常是由氧化镁粉（MgO）磷酸二氢钾（KH2PCU）、缓凝剂按一定比例配制而成。Mgo是由菱镁矿（MgCo3）经高温锻烧而成，在水化反应中提供碱性环境和Mg2+;KH2PO4主要为水化反应提供酸性环境和PO?；目前缓凝剂最为常见的是硼砂（Na2B4O7IOH2O）,其主要作用是减慢水化反应的速度，给试验操作提供充足的时间。MKPC水化反应的实质是基于酸碱中和的放热反应.，其化学方程式如下

36、MgO+KH2PO4+H2O=MgKPO46H2O（式1-1）1.5.2 磷酸镁水泥的性能磷酸镁水泥作为一种新型胶凝材料，具有传统水泥无法比拟的性能（1）凝结硬化速度快，早期强度高磷酸镁水泥的凝结时间一般在10min左右，1h就可以拆模，3h的抗压强度可以达到40MPa以上。（2）粘结强度高磷酸镁水泥干缩小，且弹性模量和膨胀系数与混凝土十分接近，而且磷酸盐能和混凝土水化产物或未反应的熟料反应生成胶凝性磷酸钙类产物，因此具有很高的粘结强度，是一种理想的修补材料。（3）耐热性能好磷酸镁水泥是一种优良的镁质耐火材料，理论上耐火度可达1300,当温度超过800时，硬化的水泥石转化为类似陶瓷的结构，强

37、度反而有所提高。（4）对钢筋的防锈性能好在相同条件下,采用磷酸镁水泥的钢筋锈蚀率仅为采用硅酸盐水泥的22.8%和采用矿渣水泥的48.6%。1.5.3 磷酸镁水泥的应用目前磷酸镁水泥应用研究主要集中在以下几个方面叱？（I）作为快速修补材料磷酸镁水泥作为一种道路修补材料，不仅凝结硬化快、早期强度高，而且施工简便、易于养护、耐久性好，甚至可以在低温环境下施工，是一种理想的道路抢修材料，这成为如今磷酸镁水泥应用最普遍的领域。（2）固化有害及放射性核废料磷酸镁水泥对有害及放射性核废料的固化可以在常温下进行，无需特殊的烧结设备，不仅可以降低燃料费用，而且可以避免废料中成分挥发造成的二次污染,同时废料制品的

38、强度高，稳定性好，有害物质溶出率低，是一种极具前景的固化手段。将废料颗粒掺入到磷酸镁水泥中，会与磷酸镁水泥的水化产物发生反应，产生了新的磷酸盐，这种有害物质的磷酸盐溶解度非常小，被磷酸镁水泥水化产物包裹严实。（3）作为新型结合剂制造人造板材磷酸镁水泥代替传统的结合剂生产人造板材，与传统的工艺相比，可以有效降低能源消耗，减少环境污染，同时生产的板材耐火性和耐久性更好。磷酸镁水泥与木质废料混合后，水化反应生成磷酸盐，将木质废料胶结于网构体中，成为致密的复合材料。其工艺过程在室温环境下即可快速凝结硬化，无需像传统高聚物进行加热养护，对周围的环境湿度也无特殊要求。（4）制作生物骨水泥磷酸镁水泥不仅毒性

39、低、生物相容性好，而且与生物骨之间的粘结较好，将其植入到生物体内不会发生异物反应，因此可以将其制作成生物骨水泥用于生物骨的固定和牙齿的快速修复材料，在医学领域具有不错的发展前景。（5）作为喷涂材料由于磷酸镁水泥的快速早强和良好的耐高温性能，美国的一些公司将其开发成为喷涂混凝土，喷涂在硬质泡沫聚苯乙烯板或木材表面形成墙体。综上所述，目前对磷酸镁水泥的开发应用较少，其良好的快硬早强和耐高温性能并未受到足够的重视。1.6 本课题的特色与创新之处目前隧道防火涂料中的粘结材料基本都采用硅酸盐水泥和高铝水泥，本课题首次将磷酸钾镁水泥应用于隧道防火涂料，充分发挥其快硬早强、粘结性和耐高温性好等特点，有效地提

40、高涂料的粘结强度和耐火极限，降低干燥时间。另外，将传统隧道防火涂料配方中的发泡材料（季戊四醇、三聚家胺和聚磷酸镂）去除，有效防止生产和施工过程中有害气体氨气的排放，研制出一种新型环保型隧道防火涂料。1.7 研究内容及技术路线本文的研究内容如下：（1）通过正交试验进行磷酸钾镁水泥制备，得出其最优配方，在此基础上研究磷酸钾镁水泥的粘结性能和耐高温性能。（2）通过正交试验研究磷酸钾镁水泥隧道防火涂料各组分对粘结强度、耐火极限和干密度的影响规律，并探求其机理。（3）在初始配方中分别掺入聚乙烯醇（PVA）、膨胀剂、硼酸锌和引气剂对涂料的综合性能进行优化，寻求磷酸钾镁水泥隧道防火涂料的最优配方。（4）通过

41、孔结构分析、扫描电镜和同步热分析等微观机理试验来解释宏观现象，以掌握隧道防火涂料性能差异的内在规律。（5）对最优配方进行综合性能检测并对其作出应用评价。本文的技术路线如图1-6所示：图1-6技术路线图第二章磷酸钾镁水泥的试验研究2.1 引言磷酸钾镁水泥（MKPC）是一种新型的快硬早强胶凝材料，在国内还未见有成熟的产品销售。本章通过正交试验对MKPC的制备进行研究，从中得出MKPC的最优配比，并对其粘结性能和耐高温性能进行了研究。2.2 原材料2.2.1 氧化镁粉氧化镁粉（MgO,缩写成M）,由辽宁省海城市群利矿业有限公司生产的一次燃烧镁粉，并在SX2-8-10型箱式电阻炉900的条件下燃烧1.

42、5h而成，其化学成分见表2-1,其表观见图2-1。表2-1氧化镁粉的化学成分/（%）MgOSiO2CaOAI2O3Fe2O3loss92.552.682.540.600.960.27图2-1氧化镁粉实物图2.2.2 磷酸二氢钾磷酸二氢钾（KH2PO4,缩写成P）,工业级，白色棱柱状晶体颗粒，KH2PO4含量98%,由福州台江区品杰实验仪器有限公司提供。2.2.3 硼砂硼砂（Na2B4O7lOH2O,缩写成B）,工业级，白色柱状晶体颗粒，Na2B4O7lOH2O含量95%,由辽宁省大石桥市兴鹏复合配有限公司生产。2.2.4 普通硅酸盐水泥采用福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度为3O5O

43、kgm3,比表面积为360m2/kgo2.3 试验方法2.3.1 凝结时间MKPC的凝结时间的测定使用维卡仪（见图2-2）,参考GB/T1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法司的规定进行。由于MKPC凝结速度较快，搅拌时间要控制在3分钟之内，初始阶段每隔30秒钟测一次，临近初凝时每隔15秒钟测一次。考虑到MKPC浆体的初、终凝时间间隔很短，试验中主要测定初凝时间，并作为MKPC的凝结时间。口图2-2维卡仪实物图2.3.2 抗压强度MKPC净浆的试件尺寸为40mm40mm160mm,试件必须1h内脱模，在室内空气中自然养护到3h后，按照GB/T17671-1999水泥胶砂

44、强度检验方法.的规定进行抗压强度测定，加荷速率控制在0.51.0MPa/min。2.3.3 粘结强度MKPC的粘结强度采用间接的方法，用抗折强度表示，试验方法见图2-3。普通硅酸盐水泥砂浆的配合比为m（水泥）：m（砂）：m（水）=1.0:3.0:0.5（质量比）。普通硅酸盐水泥砂浆试件养护达到28d后，用切割机将砂浆试件切成两半，两切断面间距IOmm。将待测水泥净浆迅速浇入两断面间隙中，捣实抹平后放在空气中养护至测试龄期，测定试件的抗折强度同。如果试件在粘结界面处发生破坏，则水泥的粘结强度等于实测的抗折强度；如果试件在非粘结界面处发生破坏，则水泥的粘结强度大于实测的抗折强度。压力粘结强度试验方

45、法示意图1IOnlm厚水泥净浆；2普通硅酸盐水泥砂浆（八）示意图（b）实物图图2-3粘结强度试验方法2.3.4 耐高温性能试验将相同强度等级（抗压强度相同）的MKPC和普通硅酸盐水泥净浆试件（尺寸为40mmx40mmxl60mm）,放至烘箱中，在Il（TC下烘烤24h后，再将试件放入高温电阻炉中在850焙烧3h,随炉自然冷却后观察试件表观形貌的变化、高温后试件的抗压强度损失率以及通过XRD分析两种水泥高温前后的产物变化，以评定其耐高温性能。XRD测试采用福州大学测试中心的X/PertProMPD型X射线粉末衍射仪，如图2-4所示，主要技术参数如下:（1）厂家：荷兰飞利浦公司。（2）主要技术指标

46、线性度：+/-0.0025；重现性：+/-0.0001；扫描速度范围：0.001-1.27o/S；最小步长:0.0001。；2。测量范围:0-167；测角仪半径可调范围：135230mm;管轴最大转距：30nm；探测器最大转距：1Onm。（3）应用范围：普通图谱扫描，指定方法录谱，物相定性，薄膜图谱常规扫描，小角录谱，晶粒度测定，物相半定量，薄膜厚度粗糙度分析，薄膜物相定性，原位录谱，结晶度测定（包含各晶相含量），晶胞参数指标化，结构精修。图2-4X/PertProMPD型X射线粉末衍射仪2.4 试验配合比以KH2PO4与Mgo的质量比（即P/M）、水灰比（即W/C）、硼砂掺量（即B/M）三个因素作为正交试验的因素，各因素取四个不同水平，正交试验因素水平表（见表2-2）,选择净浆3h抗压强度为试验指标，来寻找MKPC的最优配比。表2-2正交试验因素水平表素水平P/MW/CB/M(%)空列空列11/20.1521121/30.1642231/40.1763341/50.188442.5 试验结果分析2.5.1 正交试验结果正交试验结果见表2-3o表2-3正交试验结果素组另P/MW/CB/M(%)凝结时间(min)3h抗压强度(MPa)Al1/20.1526.543.22A21/20.1648.042.43A31/20.1768.534.32A41/20.18