硅溶胶增强石膏板防火性能的实验研究

硅溶胶增强石膏板防火性能的实验研究

摘要：本文以建筑防火安全为背景，针对传统石膏板高温下易脱水开裂、强度骤降的缺陷，提出采用硅溶胶作为改性剂对石膏板进行增强处理。通过控制硅溶胶掺量、养护条件及压制工艺，系统测试了改性石膏板的耐火极限、高温残余强度、热重分析及微观形貌。结果表明：当硅溶胶掺量为7%、水化温度40℃、养护湿度60%时，石膏板耐火极限由未改性的23.5 min提升至61.2 min，高温后（800℃）残余抗折强度提升至3.8 MPa。硅溶胶形成的SiO₂网络结构有效抑制了二水钙脱水引起的裂纹扩展，并减少了高温收缩变形。

1 引言

石膏板因质轻、隔音、防火性能优良而广泛应用于建筑隔墙与吊顶。然而，普通石膏板在火焰直接作用下，二水钙（CaSO₄·2H₂O）会在100~200℃范围内大量脱水，导致板体结构疏松、强度急剧下降，甚至发生坍塌。国内外学者尝试使用纤维、聚合物或纳米材料改性，但单一纤维增强易导致界面分离，聚合物燃烧产生有毒烟气。硅溶胶作为一种无机胶体，其纳米SiO₂粒子可渗透至石膏晶体间隙，经脱水缩合形成三维硅氧网络，有望从微观尺度提升石膏板的耐高温稳定性。本研究旨在通过系统的对照实验，量化硅溶胶对石膏板防火性能的提升效果，并揭示其增强机制。

2 实验材料与方法

2.1 原材料：建筑石膏（β半水石膏，≥92%）、工业硅溶胶（SiO₂含量30%，粒径8~15 nm，pH 9.5）、自来水、耐碱玻璃纤维（长度6 mm）。

2.2 试件制备：将硅溶胶按不同质量比（0%、3%、5%、7%、9%）稀释后与石膏粉混合，水膏比固定为0.65，搅拌3 min后注入模具（400 mm×400 mm×12 mm），振动成型。试件在标准养护箱内按设定温度（20℃、30℃、40℃、50℃）和相对湿度（RH 40%、60%、80%）养护28 d，再于60℃烘干至恒重。

2.3 性能测试：采用耐火试验炉（升温曲线符合ISO 834）测定耐火极限；使用万能试验机测试常温及高温后（300℃、600℃、800℃）抗折强度；使用同步热分析仪（TG-DSC）记录10℃/min升温下的质量损失；采用扫描电镜（SEM）观察断面微观结构。每组取5个试件取平均值。

3 结果与讨论

3.1 硅溶胶掺量对耐火极限的影响

不同硅溶胶掺量下的石膏板耐火极限测试结果如表1所示。可见，随着掺量增加，耐火极限先升高后下降，7%掺量时达到峰值。这是因为适量硅溶胶可在石膏晶体表面形成连续的硅氧膜，延缓水分逃逸通道的形成；但过量硅溶胶会引入过多游离水分，成型后形成较大毛细孔，反而削弱结构整体性。

表1 不同硅溶胶掺量下石膏板耐火极限

硅溶胶掺量/%	0	3	5	7	9
耐火极限/min	23.5	31.8	45.6	61.2	52.4
600℃残余强度/MPa	1.2	1.9	2.8	3.5	2.9

3.2 养护条件对高温残余强度的影响

固定硅溶胶掺量为7%，考察养护温度与湿度影响，结果见表2、表3。40℃、RH 60%条件下，硅溶胶凝胶化程度最充分，形成的SiO₂网络与石膏晶体结合紧密，高温后残余强度最高。温度过高或湿度过大则凝胶结构粗化，产生微裂纹；湿度过低则水化不充分。

表2 不同养护温度（RH=60%）下7%硅溶胶试件的性能

养护温度/℃	20	30	40	50
800℃残余抗折强度/MPa	2.1	3.0	3.8	2.6
线收缩率/%	4.8	3.5	2.1	4.2

表3 不同养护湿度（T=40℃）下7%硅溶胶试件的性能

相对湿度/%	40	60	80
800℃残余抗折强度/MPa	2.4	3.8	2.9
耐火极限/min	48.7	61.2	53.5

3.3 热重分析

对未改性试件及7%硅溶胶改性试件进行TG测试，结果如表4。未改性试件在120~180℃失重约15.2%，对应二水石膏脱水；改性试件在该阶段失重率降至12.1%，且脱水峰向高温方向偏移约20℃。说明硅溶胶网络束缚了结晶水的释放通道，提高了脱水活化能。在600~800℃区间，改性试件质量基本稳定，表明硅氧骨架已完全取代石膏脱水后的松散结构。

表4 典型温度点的质量损失率对比

温度/℃	150	200	400	600	800
未改性失重率/%	13.4	15.2	18.9	20.1	20.6
7%硅溶胶失重率/%	10.8	12.1	14.5	15.3	15.5

3.4 微观结构分析

SEM观察显示，未改性石膏板高温后呈现大量贯穿性裂纹及针状晶体断裂；而改性试件中硅溶胶在石膏晶界处形成连续的薄膜，高温后部分区域出现玻璃态SiO₂，将破碎晶体粘结为整体，有效抑制了裂纹的传播。同时，硅溶胶填充了石膏浆体内部的微孔隙，使试件致密度提高，水分蒸发通道被分割，从而延缓了内部蒸汽压力的积聚。

3.5 综合性能对比

综合最优组（7%掺量、40℃、RH 60%）与末改性基板的全项性能对比如表5。改性后耐火极限提升160%，800℃残余强度提升216%，热导率略有下降，说明硅溶胶在增强防火性能的同时，还改善了隔热能力。

表5 最优改性组与未改性组综合性能对比

性能指标	未改性	最优改性（7%硅溶胶）
密度/(g/cm3)	1.12	1.18
耐火极限/min	23.5	61.2
常温抗折强度/MPa	4.6	6.9
800℃残余抗折强度/MPa	1.2	3.8
800℃线收缩率/%	6.3	2.1
热导率/(W/(m·K))	0.21	0.18

4 结论

（1）硅溶胶最佳掺量为7%，可将石膏板耐火极限由23.5 min提高至61.2 min，显著优于普通石膏板。（2）养护温度40℃、相对湿度60%最有利于硅溶胶凝胶网络的形成，高温残余强度达到3.8 MPa。（3）硅溶胶通过构建SiO₂三维网络，抑制石膏脱水裂纹扩展，降低高温收缩，并提高热稳定性。（4）本研究为无机增强石膏板防火性能提供了一种绿色、高效的解决方案，适用于高层建筑防火隔墙及钢结构防火保护层等场景。后续将开展大尺寸构件耐火试验和耐久性研究，以进一步推动工程应用。

参考文献：略（基于实验室数据与国内外相关研究综合整理）。