α-Al2O3改性防火砂浆的制备与性能分析

α-Al2O3改性防火砂浆的制备与性能分析

防火砂浆作为被动防火体系的关键材料，其高温下的体积稳定性和强度保持率直接关系到建筑结构的耐火极限。传统水泥基砂浆高温下易开裂、粉化，导致防火保护层脱落。为改善这一缺陷，本研究引入高熔点、高硬度的α-Al2O3（刚玉型氧化铝）作为功能性填料，通过物理改性和高温烧结协同作用，制备出一系列改性防火砂浆，并系统测试其力学性能、高温残余强度、导热系数及微观形貌。本文旨在为高性能防火砂浆的设计与工程应用提供数据支撑。

原材料与配合比

试验采用42.5级普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、粒径0.15~0.6 mm的膨胀珍珠岩、可再分散乳胶粉（占胶凝材料质量的2%）、聚丙烯纤维（体积掺量0.1%）以及≥99%、中位径D50=5 μm的α-Al2O3粉末。固定水胶比为0.35，胶凝材料总量为450 kg/m³，珍珠岩体积掺量为胶凝材料质量的30%。通过调整α-Al2O3等质量替代部分水泥，制备了掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%的五组试件，编号为A0、A5、A10、A15、A20。具体配合比见表1。

表1 α-Al2O3改性防火砂浆配合比（kg/m³）

编号	水泥	粉煤灰	珍珠岩	α-Al2O3	水	乳胶粉
A0	315	135	135	0	157.5	9.0
A5	292.5	135	135	22.5	157.5	9.0
A10	270	135	135	45	157.5	9.0
A15	247.5	135	135	67.5	157.5	9.0
A20	225	135	135	90	157.5	9.0

制备工艺

先将α-Al2O3、水泥、粉煤灰及膨胀珍珠岩倒入搅拌机中干混3 min，使粉体充分分散；再将可再分散乳胶粉和聚丙烯纤维加入，继续干混2 min；最后加入拌合水，湿拌4 min。将新拌砂浆注入40 mm×40 mm×160 mm棱柱体三联模中，在振动台上振动密实2 min，抹平后在标准养护箱（温度20±2℃、相对湿度≥95%）中养护24 h拆模，然后继续养护至28 d。部分试件在养护完成后经105℃烘干至恒重，并分别置于马弗炉中，以5℃/min升温至200℃、400℃、600℃、800℃、1000℃，保温2 h后自然冷却，用于测试高温后残余性能。

性能试验方法

按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70-2009）测试28 d抗压强度与抗折强度。高温试验后的试件采用自然冷却后的残余强度表示。导热系数采用瞬态平面热源法测试，试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm。线性收缩率按公式(L0-L1)/L0×100%计算，其中L0为养护28 d时长度，L1为高温处理后的长度。微观结构采用扫描电子显微镜（SEM）观察断面形貌。

结果与讨论

各掺量试件的28 d力学性能测试结果如表2所示。可以看出，随着α-Al2O3掺量增加，砂浆的抗压强度先升后降。当掺量为10%时，A10试件的28 d抗压强度达到42.6 MPa，比基准组A0提高约23.1%；抗折强度同样在10%掺量时达到峰值8.9 MPa。这归因于α-Al2O3颗粒粒径较小，能够填充水泥水化产物与骨料之间的微孔隙，形成更致密的堆积结构。但当掺量超过15%后，由于α-Al2O3需水量大，部分未参与水化的颗粒在界面处形成薄弱层，导致强度下降。

表2 α-Al2O3掺量对砂浆28 d力学性能的影响

编号	α-Al2O3掺量（%）	抗压强度（MPa）	抗折强度（MPa）th>
A0	0	34.6	6.8
A5	5	38.2	7.5
A10	10	42.6	8.9
A15	15	41.4	8.2
A20	20	36.8	7.1

表3列出了不同温度处理后的残余抗压强度（相对28 d强度的百分比）。在200℃时，各试件残余强度均超过90%，主要原因是高温促进了水泥水化的进一步进行。400℃后，基准组A0残余强度降至72.3%，而A10仍保持85.7%。600℃以上，未掺α-Al2O3的砂浆因氢氧化钙分解和微裂纹扩展强度急剧下降；A10在800℃和1000℃处理后残余强度分别为64.9%和55.2%，显著高于A0的38.1%和22.6%。这说明α-Al2O3在高温下与硅酸盐相发生烧结反应，生成莫来石或铝酸盐陶瓷相，增强了基体的高温稳定性。

表3 不同温度处理后的残余抗压强度百分比（%）

温度（℃）	A0	A5	A10	A15	A20
200	92.5	94.1	95.3	94.8	93.9
400	72.3	78.9	85.7	83.2	78.6
600	51.4	60.3	72.8	68.5	61.2
800	38.1	47.6	64.9	58.4	49.7
1000	22.6	33.5	55.2	48.3	39.4

表4为常温及1000℃处理后的导热系数与线性收缩率数据。常温下，α-Al2O3的掺入略微提高了导热系数，因为刚玉颗粒本身导热能力较膨胀珍珠岩强，但整体仍处于较低水平。高温1000℃后，所有试件的导热系数均有所上升，这是基体烧结致密化所致。A10的导热系数为0.218 W/(m·K)，仅比A0高约8.5%，仍满足防火隔离材料对低导热性的要求。线性收缩率方面，A0高达1.85%，而A10仅为0.97%，表明α-Al2O3有效抑制了高温下的体积收缩，对防止保护层开裂脱落至关重要。

表4 导热系数与线性收缩率测试结果

编号	常温导热系数（W/(m·K)）	1000℃导热系数（W/(m·K)）	1000℃线性收缩率（%）
A0	0.142	0.201	1.85
A5	0.148	0.209	1.52
A10	0.153	0.218	0.97
A15	0.157	0.224	0.81
A20	0.161	0.231	0.72

微观结构分析

利用SEM观察基准组A0与改性组A10在1000℃煅烧后的微观形貌。A0试样呈现疏松的网状结构，存在大量板状Ca(OH)2脱水留下的孔洞和微裂纹，骨架强度低。A10试样中，α-Al2O3颗粒表面与水泥水化硅酸钙（C-S-H）凝胶发生明显的界面融合，形成连续的致密陶瓷化结构，孔洞数量显著减少，同时可见少量短柱状莫来石晶相生成。这种微观结构的致密化是改性砂浆高温强度提升的根本原因。

结论

（1）α-Al2O3掺量为10%时，改性防火砂浆的28 d抗压强度达42.6 MPa，抗折强度达8.9 MPa，较未改性组分别提高23.1%和30.9%。（2）经1000℃高温处理2 h后，A10的残余抗压强度保持率为55.2%，而基准组仅为22.6%，改性效果显著。（3）10%掺量的α-Al2O3可将砂浆的高温线性收缩率从1.85%降至0.97%，同时导热系数仅小幅升高至0.218 W/(m·K)，兼顾了防火隔热性能与体积稳定性。（4）综合各项指标，推荐α-Al2O3的最佳掺量为10%~15%。该范围可在保证良好施工和易性的同时，获得最优的高温力学性能与抗收缩性能，适用于钢结构防火、隧道防火保护板及高层建筑防火隔离层等领域。

需要指出的是，本文基于实验室标准养护条件，实际工程中尚需考虑振动成型对α-Al2O3分散性的影响。此外，长期高温循环作用下的耐久性问题仍需进一步研究。总体而言，α-Al2O3作为一种高熔点惰性填料的引入，为提升防火砂浆的高温稳定性提供了一条经济有效的技术路径。