耐火混凝土的研究進(jìn)展

張本祿

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

耐火混凝土的研究進(jìn)展

張本祿

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

對(duì)普通混凝土的受熱機(jī)理進(jìn)行了分析介紹，并對(duì)耐火混凝土進(jìn)行了分類，對(duì)其前景進(jìn)行展望。對(duì)最近一段時(shí)間的工程應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)短介紹，為其整體的發(fā)展提供指導(dǎo)依據(jù)。

耐火 受熱機(jī)理 分類

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，在日常的生產(chǎn)生活中，用水量和用電量明顯的增多，由此引發(fā)火災(zāi)事故的因素也在逐步提升，耐火等級(jí)較低是火災(zāi)中發(fā)生建筑物倒塌的主要原因之一。其中最為典型的就是2001年震驚世界的“9.11”事件，由于飛機(jī)撞擊紐約世貿(mào)中心引發(fā)了大火，鋼筋在高溫下融化，最終導(dǎo)致了世貿(mào)中心的倒塌，并造成了眾多人員的傷亡。

近年來，隨著越來越多的新工藝、新材料、新技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，建筑物的構(gòu)件的性能也變得更加復(fù)雜，由于混凝土卓越的性能和低廉的價(jià)格使其成為工程中不可或缺的主要材料。當(dāng)代的建筑物最大難題就是解決建筑物的耐火等級(jí)問題，因此使用耐火混凝土成為解決此類問題的首選。

如今，耐火混凝土已普遍應(yīng)用于化工、冶金、建材等重要工業(yè)領(lǐng)域。所以對(duì)耐火混凝土進(jìn)行細(xì)致的分門別類也可為其在日常生活中的應(yīng)用起到指導(dǎo)作用，更可以為耐火混凝土日后的研究進(jìn)程打下鋪墊。

1 耐火混凝土的定義

耐火混凝土的組成主要包括耐熱骨料、膠凝材料、特殊外加劑以及水。耐熱骨料主要是碎黏土磚、黏土熟料、礬土熟料、碎高鋁耐火磚等；細(xì)骨料有鎂砂、含較高的粉煤灰碎高鋁磚、碎鎂質(zhì)耐火磚、鎂砂、剛玉砂等，起骨架作用。膠凝材料主要有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥高鋁水泥、低鈣鋁酸鹽水泥，起凝結(jié)作用。特殊的外加劑常用的就是減水劑，可以減少拌合混凝土?xí)r的用水量。

2 普通混凝土的受熱作用機(jī)理

在高溫作用下普通混凝土的退化包括質(zhì)量降低和大量的裂縫與孔的形成以及抗壓強(qiáng)度和彈性模量的下降，退化的直接影響就是會(huì)造成普通混凝土出現(xiàn)大面積裂縫乃至坍塌?；炷粮邷仄茐氖怯珊芏嘁蛩毓餐饔迷斐傻?。

2.1 水泥水化產(chǎn)物受熱作用機(jī)理 ][2

混凝土的溫度在火災(zāi)中不斷升高，當(dāng)普通混凝土的溫度達(dá)到 100Co時(shí)，毛細(xì)孔中的水分就會(huì)蒸發(fā)失去；達(dá)到 100-150Co時(shí)，水蒸氣的蒸發(fā)會(huì)使得水泥開始逐步水化，這時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)變大；200-300Co時(shí)，水泥水化產(chǎn)物-水化硅酸鈣凝體開始脫水造成混凝土組織硬化；超過 300Co時(shí)，由于脫水加劇，混凝土開始逐步收縮，并開始出現(xiàn)裂紋，抗壓強(qiáng)度也會(huì)逐步下降；575Co時(shí)氫氧化鈣脫水，使水泥組織破壞;當(dāng)溫度達(dá)到 500、800Co時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度分別為原來強(qiáng)度的70%、30%左右，混凝土開始坍塌;900Co時(shí)混凝上中的碳酸鈣分解，這時(shí)結(jié)晶水、游離水及水化物的脫水過程基木結(jié)束，混凝土強(qiáng)度幾近喪失。由于氫氧化鈣的脫水，碳酸鈣的分解，混凝土中生成了氧化鈣，在射水的作用或火災(zāi)后吸收空氣中的水分，氧化鈣再次水化，體積膨脹，水泥層會(huì)醞松剝落。同時(shí)，鈣礬石機(jī)理的形成也因高溫而發(fā)生了改變，在 600-800Co時(shí)，鈣礬石的水解過程也開始發(fā)生，混凝土內(nèi)部粗大的孔結(jié)構(gòu)就此形成。

表1 耐火混凝土組成及使用溫度

磷酸耐火混凝土磷酸礬士熟料高鋁磚200 1400～1500同上 鋯石英粘土熟料、礬士熟料、高鋁磚鋯石英200 1400～1600鎂質(zhì)耐火混凝土氯化鎂或硫酸鎂溶液方鎂石水泥一、二等冶金鎂砂500輕質(zhì)耐火混凝土礬士水泥水玻璃硅酸鹽水泥--粘土熟料耐火粘土磚輕質(zhì)粘土磚陶粒輕質(zhì)粘土磚100 100 90 800～900 700～800 700～900

2.2 水泥石與骨料受熱作用機(jī)理

300Co時(shí)，混凝土中的骨料開始膨脹，隨著溫度的不斷升高，水泥收縮和骨料膨脹也不斷加劇，兩者的結(jié)合部發(fā)生破壞，水泥骨架破裂成塊狀；溫度達(dá)到500Co 后，骨料中的石英晶體的晶型開始發(fā)生改變，體積開始膨脹，最開始生成的不連貫裂縫迅速擴(kuò)展起來并開始逐步連接起來，最后形成大裂縫；水泥石受拉，骨料受壓，由此內(nèi)裂縫的發(fā)展開始加劇，這就是強(qiáng)度降低的主要原因。因此，水泥用量愈大，水灰比愈大，強(qiáng)度降低愈大。

2.3 混凝土在火災(zāi)中受損程度的影響因素

經(jīng)過大量的研究表明，混凝上在火災(zāi)中受損的嚴(yán)重程度取決于以下六個(gè)因素：溫度升高的速率、最高溫度、膠凝材料和骨料的組成、水分含量，及火作用的持續(xù)時(shí)間。

因此，提高混凝上的耐火性，是減少混凝上在火災(zāi)中受損以至坍塌的關(guān)鍵，耐火混凝上是一種能長(zhǎng)期承受高溫作用（200Co以上)，并在高溫下保持必要的物理力學(xué)性能（如高溫下較小的收縮、荷重軟化點(diǎn)、有較高的耐火度以及熱穩(wěn)定性等)的特種混凝上。該混凝土己成功地由耐火骨料（粗細(xì)骨料)與適量的耐火膠結(jié)材料（有時(shí)還有有機(jī)摻合料或礦物摻合料)和水按一定比例配制而成。

2 耐火混凝土的分類

目前耐火混凝土主要是根據(jù)膠結(jié)材料的不同進(jìn)行分類可分為礬士水泥耐火混凝土、礦渣硅酸鹽耐火混凝土、磷酸耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、鎂質(zhì)水泥耐火混凝土、硅酸鹽水泥耐火混凝土、低質(zhì)鈣鋁酸鹽水泥耐火混凝土、輕質(zhì)耐火混凝土。

目前廣泛應(yīng)用的是水玻璃耐火混凝土、磷酸耐火混凝土和礬士水泥耐火混凝土?，F(xiàn)將它們的組成料材及使用溫度列于表1中。

3 耐火混凝土的研究進(jìn)展

3.1 新型耐火膠結(jié)材料

新型膠結(jié)料的問世帶來了耐火混凝土的創(chuàng)新。以新型低水泥耐火混凝土為例，它的結(jié)合劑是一種綜合性系統(tǒng)，該系統(tǒng)組成中不僅包括高鋁水泥，而且還包括高分散性細(xì)粉（如 2SiO ）及各種無機(jī)和有機(jī)添加劑，后者主要對(duì)澆筑料混合物的工藝性能和流變學(xué)性能的進(jìn)行調(diào)控。耐火混凝土配料中的這些高分散性組分的功能不僅能夠保證混凝土具有較高的初始強(qiáng)度及密度，而且還使混凝土在較低溫度嘆800-1 000Co)的強(qiáng)度有所提高，以及保證材料形成細(xì)的毛細(xì)管。

3.2 新型耐火骨料

骨料的組成是影響混凝土耐火等級(jí)的重要因素。傳統(tǒng)耐火混凝土常用的骨料有碎粘土磚、粘土、熟料、碎高鋁磚、碎鎂磚及鎂砂。李寶珠[3]根據(jù)工程的實(shí)際需要，采用了花崗巖碎石和礦渣硅酸鹽水泥，研制了的耐火混凝土耐火度達(dá)到300-500Co，各項(xiàng)性能指標(biāo)也都全部滿足了設(shè)計(jì)要求。以粘土陶粒、天然輕骨料、人造輕骨料頁巖陶粒、工業(yè)廢渣輕骨料、膨脹珍珠巖等取代普通骨料制成的輕質(zhì)混凝土，具有質(zhì)量小、耐高溫、保持溫度、隔絕外部熱量等優(yōu)良性能。這是因?yàn)榭紫堵试酱蟮妮p質(zhì)混凝土，其熱傳導(dǎo)速率就越低。王銘[4]研究表明粉煤灰加氣混凝土制品是一種輕質(zhì)、保溫、吸音、易加工、且耐火性能又較好的新型建筑材料。

應(yīng)用和推廣這種材料對(duì)減輕建筑物自重，增強(qiáng)建筑的保濕、吸音、耐火等性能大有好處，值得進(jìn)行下一步的大力推廣。

4 配合比設(shè)計(jì)和強(qiáng)度的影響因素

耐火混凝土的配合比設(shè)計(jì)主要需注意四點(diǎn)。一、降低水灰比，減少用水量。二、減少膠結(jié)材料和水泥用量。三、集料要選擇適當(dāng)?shù)募?jí)配使得混凝土密度達(dá)到最大。四、適當(dāng)?shù)膿胶喜牧?，提高混凝土的耐火性?/p>

水泥用量的不同對(duì)混凝土的強(qiáng)度有影響，在 110Co水泥用量越大強(qiáng)度越高，但超過110Co的高溫冷卻強(qiáng)度與110Co時(shí)相比，溫度越高水泥用量大的強(qiáng)度下降百分比較之水泥用量曉得下降百分比要大。水泥用量越大則殘余收縮增大，特別是在1450Co增大的特別明顯。

水灰比從0.4～0.7每增加0.1則每天抗壓強(qiáng)度降低36～55%，28天抗壓強(qiáng)度降低20～45%?，F(xiàn)在一般取水灰比為0.4～0.5左右。

骨料的分級(jí)和配比，一種是配以鋁酸鹽水泥的礬土骨料，另一種是連續(xù)分級(jí)。礬土熟料細(xì)粉摻合料的用量為水泥用量的0.5～1.5倍。水泥用量為15%時(shí)，細(xì)粉用量則為10～15%，細(xì)粉選用4900孔篩，篩余量不大于30%。

5 耐火混凝土的殘余強(qiáng)度

不同溫度下陶砂陶粒耐火混凝土（PS）普砂陶粒耐火混凝土(TS）耐火磚耐火混凝土（NHZ）普通耐火混凝土（PT）的燒后抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖1。

1)在300Co以下，其抗壓強(qiáng)度降低較快，400-1000Co，它們隨溫度升高強(qiáng)度變化不大，其中普通混凝土最差，陶砂陶粒耐火混凝土次之，耐火磚耐火混凝土燒后抗壓強(qiáng)度最好。

2)對(duì)于陶砂陶粒耐火混凝土、普砂陶粒耐火混凝土、耐火磚耐火混凝土這三種混凝土，它們的殘余強(qiáng)度與燒后抗壓強(qiáng)度兩者相差不大，說明這三種混凝土在燒后存放一段時(shí)間后，它們的結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯的破壞，而普通硅酸鹽水泥和普通耐火混凝土在600Co后結(jié)構(gòu)已發(fā)生明顯的不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

圖1 混凝土燒后強(qiáng)度展望

隨著人類歷史進(jìn)程的不斷發(fā)展，現(xiàn)有可用資源相對(duì)而言越來越少，對(duì)如何能夠合理利用資源，降低單位產(chǎn)品能耗及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響的要求也將愈來愈高，所以不管是超低水泥耐火混凝土或者無水泥耐火混凝土將今后耐火混凝土的生產(chǎn)中占據(jù)重要的位置，各種新型的結(jié)合劑系統(tǒng)也將更多地用于提高其耐火、抗折、抗壓等性能。同時(shí)，使用新型耐火骨料和添加減水劑等外加劑也是提高混凝土耐火等級(jí)有效便利的方法。

[1]梁乃興。路面材料科學(xué)。重慶：重慶交通學(xué)院。2001

[2]潘麗莎。耐火混凝土的研究進(jìn)展。?？凇：Ｄ洗髮W(xué)。2007.

[3]李寶珠，劉介元.耐熱混凝土骨料的選擇[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006, 8 (3)∶21- 22.

[4]王銘.粉煤灰加氣混凝土砌塊的耐火性能研究[J].房材和應(yīng)用1998,6∶3-6.

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1007-6344（2015）03-0336-02