陶砂基防火材料的抗冻融性能研究
陶砂基防火材料是一种以膨胀陶砂为轻质骨料，与硅酸盐水泥、粉煤灰或铝酸盐水泥等无机胶凝材料复合而成的新型防火材料。由于其内部具有多孔结构，在高温下能形成稳定的陶瓷化隔热层，因而广泛应用于钢结构防火保护、隧道防火、电缆防火等领域。然而，在寒冷地区，材料内部孔隙中的水分在反复冻融循环作用下会产生膨胀应力，可能导致微裂纹扩展、表面剥落和强度衰减。因此，研究陶砂基防火材料的抗冻融性能具有重要的工程应用价值。本试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中慢冻法，对三种不同配合比的陶砂基防火材料进行冻融循环试验，分析其质量损失、抗压强度损失及相对动弹性模量的变化规律。
试验原材料：陶砂采用页岩陶砂，粒径分为0.15~0.6 mm和0.6~1.2 mm两种；胶凝材料采用P·O 42.5级硅酸盐水泥和二级粉煤灰；为改善韧性，掺入聚丙烯纤维（PP纤维），掺量为0.1%、0.2%与0.3%。试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体，标准养护28 d后，放入（20±2）℃水中浸泡4 d进行饱水，然后进行冻融循环。每次冻融循环包括在（-20±2）℃下冻结2 h，在（20±2）℃水中融化2 h。每25次循环测定一次质量、抗压强度和超声声速。
试验分为三组：A组（基准组，胶砂比1:1，陶砂粒径0.15~0.6 mm）；B组（胶砂比1:1.2，陶砂粒径0.6~1.2 mm，PP纤维0.2%）；C组（胶砂比1:0.8，陶砂粒径0.15~0.6 mm，PP纤维0.3%）。配合比及基本物理性能如下表所示：
| 组号 | 水泥(kg/m³) | 粉煤灰(kg/m³) | 陶砂(kg/m³) | 水(kg/m³) | PP纤维(kg/m³) | 28d抗压强度(MPa) | 表观密度(kg/m³) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 350 | 150 | 500 | 220 | 0 | 18.6 | 1280 |
| B | 320 | 130 | 540 | 210 | 0.9 | 16.2 | 1245 |
| C | 400 | 100 | 400 | 240 | 1.5 | 20.4 | 1310 |
经过100次冻融循环后，各组的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹性模量如表2所示。质量损失率按照G0-Gn/G0×100%计算，抗压强度损失率按照(f0-fn)/f0×100%计算。从表中可以看出，A组在100次循环后质量损失率为2.8%，抗压强度损失率为12.5%，相对动弹性模量为78.4%，表面出现明显麻面和少量剥落。B组由于掺入PP纤维且陶砂粒径较大，质量损失率降低至1.9%，抗压强度损失率为9.6%，相对动弹性模量为85.2%，试件边缘仅有轻微缺损。C组虽然纤维掺量更高，但水胶比偏大，初始强度较高，然而冻融后强度损失反而增大，达到13.8%，相对动弹性模量下降至76.1%，表明过量纤维可能引入更多界面缺陷。
| 组号 | 质量损失率(%) | 抗压强度损失率(%) | 相对动弹性模量(%) | 外观描述 |
|---|---|---|---|---|
| A | 2.8 | 12.5 | 78.4 | 表面麻面，边角轻微剥落 |
| B | 1.9 | 9.6 | 85.2 | 仅边角缺损，表面较完整 |
| C | 3.6 | 13.8 | 76.1 | 表面微裂纹，局部剥落 |
进一步分析冻融循环过程中的性能衰减规律。质量损失率随循环次数的增加而增大，B组在50次循环前增长缓慢，50次后略有加速；A组在75次循环后出现加速损失；C组在25次循环后即出现较明显的质量下降。抗压强度损失率的趋势与质量损失率基本一致，但C组早期损失更快，这可能与其较高的水胶比导致可冻水含量增加有关。
为了更清晰地反映不同循环次数下的性能变化，表3列出了每25次循环后的质量损失率数据：
| 循环次数 | A组 | B组 | C组 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 25 | 0.6 | 0.4 | 1.1 |
| 50 | 1.3 | 0.9 | 2.0 |
| 75 | 2.1 | 1.4 | 2.9 |
| 100 | 2.8 | 1.9 | 3.6 |
从微观角度分析，陶砂基防火材料内部存在大量封闭和半封闭孔隙。冻融破坏的根源在于孔隙水结冰时体积膨胀约9%，产生拉应力；同时，未冻水向冰晶迁移产生渗透压。当应力超过材料的抗拉强度时，微裂纹萌生并扩展。陶砂的“水囊”效应可缓解膨胀压力，但若陶砂自身强度不足或与胶凝材料界面粘结较弱，则容易在界面处产生分离裂纹。
试验表明，胶砂比是影响抗冻融性能的关键因素。胶砂比从1:0.8增至1:1.2时，胶凝材料包裹层增厚，界面过渡区密实度提高，抗冻融性能改善。但胶砂比过小时，如A组（1:1）相对于B组（1:1.2）略差，说明适当增加陶砂比例需要更多的浆体来包裹，否则颗粒间直接接触形成薄弱点。纤维掺量存在最优值，0.2%的PP纤维能有效阻止微裂纹扩展，而0.3%时纤维团聚形成局部缺陷，反而降低了抗冻融性能。
综上所述，陶砂基防火材料的抗冻融性能受配合比和微观结构共同控制。通过试验可得出以下结论：第一，在100次冻融循环条件下，B组配合比（胶砂比1:1.2、陶砂粒径0.6~1.2 mm、PP纤维0.2%）具有最优的抗冻融性能，质量损失率仅1.9%，抗压强度损失率9.6%，相对动弹性模量85.2%。第二，冻融破坏表现为由表及里的剥落和强度衰减，质量损失率与强度损失率呈正相关。第三，掺加适量聚丙烯纤维（0.2%）可提高抗冻融性能，但过量纤维会产生效应。第四，在实际工程中，严寒地区应优先选用大粒径陶砂、适当增大胶砂比并控制水胶比不大于0.5，以保证防火材料的长效耐久性。
陶砂基防火材料不仅需要满足抗冻融要求，还应兼顾防火性能。冻融循环造成的开裂会削弱材料的隔热性，降低耐火极限。建议后续研究结合冻融后的试件进行标准耐火试验，建立抗冻融性能与防火性能之间的关联模型。此外，还可引入硅灰、矿物掺合料或表面疏水处理来进一步提升抗冻融性能，但需要权衡对防火性能的影响。本研究所用慢冻法周期较长，后续可尝试采用快冻法评价其抗冻等级，并利用核磁共振或X射线CT技术观察冻融过程中的孔隙结构演化。