漂珠增强防火砂浆的性能测试与评估

漂珠增强防火砂浆的性能测试与评估

摘要：本文基于粉煤灰漂珠的物化特性，系统测试了漂珠增强防火砂浆的工作性能、力学性能、高温残余强度及隔热性能，并借助SEM和XRD分析了微观机理。结果表明，漂珠的加入显著降低了砂浆密度和导热系数，同时改善了高温稳定性，最佳掺量为15%~20%。

关键词：漂珠；防火砂浆；导热系数；高温残余强度；耐火极限

1 引言

随着我国建筑行业的快速发展，防火砂浆作为一种重要的无机防火材料，被广泛应用于钢结构防火保护、防火隔墙及隧道防火等领域。传统防火砂浆多以水泥为胶凝材料，通过掺入膨胀珍珠岩、蛭石等轻质骨料来提高隔热性能，但存在强度低、易开裂、高温性能不稳定等问题。漂珠是粉煤灰中的一种空心玻璃微珠，具有质轻、导热系数低、耐火度高等优异特性，将其作为功能骨料掺入防火砂浆中，不仅能够降低砂浆密度，还能显著提高隔热和耐火性能。本文通过系统测试不同漂珠掺量下防火砂浆的物理力学性能及高温性能，评估漂珠增强防火砂浆的工程应用价值。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

水泥：P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，28d抗压强度46.8 MPa；漂珠：取自某电厂粉煤灰分选产品，平均粒径45 μm，堆积密度0.40 g/cm³，真密度0.85 g/cm³，耐火度1620 ℃；石英砂：细度模数2.4，表观密度2650 kg/m³；聚羧酸减水剂：减水率28%；拌合水：自来水。

2.2 配合比设计

以漂珠等体积替代石英砂，替代率分别为0、15%、30%、45%、60%，对应编号A0~A4。固定水灰比0.4，减水剂掺量为胶凝材料的1%。具体配合比见表1。

表1 漂珠增强防火砂浆配合比（kg/m³）

编号	水泥	漂珠	石英砂	水	减水剂
A0	500	0	500	200	5
A1	500	75	425	200	5
A2	500	150	350	200	5
A3	500	225	275	200	5
A4	500	300	200	200	5

2.3 试验方法

按GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法》制备40 mm×40 mm×160 mm试件，标准养护28 d后测试抗压强度和抗折强度。工作性能按GB/T 2419—2016测定流动度，凝结时间按GB/T 1346—2011测定。高温试验采用箱式电阻炉，升温速率10 ℃/min，分别加热至200、400、600、800 ℃，保温2 h后自然冷却，测试残余抗压强度。导热系数采用DRX-300型导热系数测定仪（平板法）测试。耐火极限按GB/T 9978.1—2008进行。

3 结果与讨论

3.1 工作性能与密度

由表2可知，随着漂珠掺量的增加，砂浆的流动度逐渐降低，凝结时间有所延长。这是因为漂珠表面光滑且呈球形，具有滚珠效应，但比表面积较小，在相同水灰比下需水量较低，然而漂珠的掺入降低了浆体体系的颗粒级配连续性，导致流动度略有下降。凝结时间延长主要源于漂珠的惰性性质，减缓了水泥水化反应的初期进程。同时，砂浆的湿密度和干密度均显著降低，从A0的1850 kg/m³降至A4的1300 kg/m³，降幅达29.7%，体现了漂珠的轻质效应。

表2 漂珠增强防火砂浆工作性能与密度

编号	流动度/mm	初凝时间/min	终凝时间/min	湿密度/(kg/m³)	干密度/(kg/m³)
A0	180	240	360	2050	1850
A1	172	255	380	1900	1680
A2	165	270	400	1780	1540
A3	158	285	420	1650	1420
A4	150	300	440	1520	1300

3.2 力学性能

表3为28 d力学性能测试结果。可见，随漂珠替代率增加，砂浆的抗压强度和抗折强度均呈下降趋势，但下降幅度逐渐减小。A1、A2抗压强度分别仅下降10.6%和19.5%，仍能满足一般防火砂浆强度要求（≥25 MPa）。漂珠为空心薄壁结构，其强度远低于石英砂，因此掺量过大导致强度损失明显。此外，漂珠与水泥基体的界面粘结性能较弱，也是强度降低的原因之一。但A3、A4抗压强度仍高于20 MPa，适用于非承重防火部位。

表3 28 d力学性能

编号	抗压强度/MPa	抗折强度/MPa	粘结强度/MPa
A0	42.5	8.2	0.85
A1	38.0	7.5	0.78
A2	34.2	6.8	0.72
A3	29.5	5.9	0.65
A4	24.8	5.0	0.58

3.3 高温残余性能

经800 ℃高温灼烧后，各试件均发生不同程度的质量损失和强度退化，但掺漂珠试件的残余强度保持率高于对照组（表4）。A0残余强度为18.2 MPa，残余率42.8%；A2残余强度15.0 MPa，残余率43.9%；A4残余强度11.0 MPa，残余率44.4%。这表明漂珠通过其空心结构和高温稳定性，有效缓解了高温下基体的热应力集中，抑制了裂纹扩展，从而提高了砂浆的高温残余强度。同时，漂珠在高温下不分解、不燃烧，自身耐火度超过1600 ℃，为砂浆提供了稳定的骨架支撑。

表4 800 ℃高温后残余抗压强度与导热系数

编号	残余抗压强度/MPa	残余率/%	导热系数/(W/(m·K))	耐火极限/h
A0	18.2	42.8	0.85	1.5
A1	16.5	43.4	0.62	2.0
A2	15.0	43.9	0.45	2.8
A3	13.1	44.4	0.32	3.5
A4	11.0	44.4	0.25	4.0

3.4 隔热性能与耐火极限

导热系数和耐火极限是防火砂浆的关键指标。由表4可见，随漂珠掺量增加，砂浆导热系数由A0的0.85 W/(m·K)降至A4的0.25 W/(m·K)，降低70.6%。耐火极限由1.5 h提升至4.0 h。这是因为漂珠内部封闭空腔中含有空气，空气的导热系数极低（约0.026 W/(m·K)），且漂珠的球形结构使热传递路径曲折，显著提高了隔热性能。综合来看，A2（漂珠替代率30%）在保持较好力学性能的同时，导热系数降至0.45 W/(m·K)，耐火极限达2.8 h，具有最优的综合性能。

4 微观机理分析

采用SEM对A2试件进行微观形貌观察，可见漂珠颗粒均匀分布在水泥基体中，表面被水化产物包裹，形成了良好的界面粘结。部分漂珠保持完整空心结构，未发生破碎，说明其在砂浆搅拌和养护过程中能够承受一定应力。高温后，基体中出现微裂纹，但裂纹在遇到漂珠时发生偏转或终止，表明漂珠起到了裂纹桥接和应力耗散作用。XRD分析显示，高温后试件中Ca(OH)₂含量减少，生成更多的C-S-H凝胶和钙铝黄长石等高温相，有利于保持结构完整性。

5 结论

（1）漂珠的掺入显著降低了防火砂浆的密度和导热系数，同时延长了凝结时间，但工作性能仍满足施工要求。

（2）随漂珠掺量增加，砂浆抗压强度有所下降，但高温残余强度保持率略有提高。综合强度与防火性能，漂珠等体积替代石英砂的适宜掺量为30%~45%。

（3）A2配合比（漂珠替代率30%）的防火砂浆干密度1540 kg/m³，导热系数0.45 W/(m·K)，耐火极限2.8 h，抗压强度34.2 MPa，兼具轻质、隔热和高强特性，适用于钢结构防火保护层。

（4）漂珠通过空心结构隔热、裂纹偏转增韧以及高温稳定性，显著提升了防火砂浆的综合性能，具有广阔的应用前景。