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。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