耐熱混凝土概述

黃圣嫵（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

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耐熱混凝土概述

黃圣嫵
（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

【摘要】伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步，特殊性能的混凝土有了與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合及要求。發(fā)展及改良各種滿足不同工業(yè)需求的特種混凝土成了混凝土行業(yè)的一個(gè)必然趨勢(shì)。本文通過對(duì)耐熱混凝土的耐熱機(jī)理、組成材料、配合比設(shè)計(jì)以及耐熱混凝土發(fā)展現(xiàn)狀的研究，探討如何經(jīng)濟(jì)有效地解決建筑物耐火、耐熱等問題。

【關(guān)鍵字】耐熱混凝土；耐熱機(jī)理；組成材料；配合比

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步，特殊性能的混凝土有了與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合及要求[1]。發(fā)展及改良各種滿足不同工業(yè)需求的特種混凝土成了混凝土行業(yè)的一個(gè)必然趨勢(shì)。

近些年來，火災(zāi)事故頻發(fā)，如何經(jīng)濟(jì)有效地解決建筑物耐火、耐熱等問題，顯得具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。這些年來雖然不少的新材料、新工藝、新技術(shù)在建筑領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，但是混凝土依然憑借著其優(yōu)越的性能、低廉的價(jià)格在大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的眾多材料中成為首選材料。使用具有耐熱、耐火性能的混凝土更是能夠經(jīng)濟(jì)有效解決火災(zāi)事故造成巨大財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡等問題的有效方法之一[2]。

1　耐熱混凝土的概念

耐熱混凝土是指在200～1300℃高溫長(zhǎng)期作用下，其物理性能、力學(xué)性能不被破壞，且具有良好的耐急冷急熱性能，在高溫作用下干縮變形小的一種特殊混凝土[3]。

2　耐熱混凝土的耐熱機(jī)理

在高溫作用下，混凝土?xí)a(chǎn)生退化[4]，這種退化包括質(zhì)量減少、形成大量的孔以及裂縫、強(qiáng)度及彈性模量的下降，混凝土的這種退化會(huì)造成混凝土出現(xiàn)大面積的裂縫甚至坍塌。退化的主要原因有以下兩點(diǎn)：第一是水泥漿體失水；第二是骨料膨脹和水泥漿體與骨料以及鋼筋的熱膨脹不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生熱梯度，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。

混凝土在高溫下受到破壞是由于多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素之間的關(guān)系非常復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，普通混凝土隨著溫度變化一般遵循著以下規(guī)律進(jìn)行：

溫度≤100℃，混凝土內(nèi)部的自由水逐漸蒸發(fā)，在混凝土內(nèi)部形成許多的毛細(xì)裂縫以及孔隙。加載后，縫隙尖端的應(yīng)力集中，裂縫擴(kuò)展，促使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

200℃≤溫度≤300℃，混凝土內(nèi)部的自由水已經(jīng)全部蒸發(fā)，水泥凝膠水中的結(jié)合水開始脫出。膠合作用的加強(qiáng)減弱了縫隙尖端的應(yīng)力集中，裂縫減小，混凝土強(qiáng)度提高；但是由于粗細(xì)骨料和水泥漿體兩者的溫度膨脹系數(shù)不相等，應(yīng)變差的增大使骨料界面形成裂紋，降低了混凝土強(qiáng)度。這些矛盾的因素同時(shí)作用，使這一溫度區(qū)段的抗壓強(qiáng)度變化復(fù)雜。

溫度≤500℃，粗細(xì)骨料和水泥漿體的溫度變形差繼續(xù)增加，界面裂縫不斷開展以及延伸，而且溫度到達(dá)400℃以后，水泥水化生成的氫氧化鈣等物質(zhì)脫水，體積膨脹，促使裂縫擴(kuò)大，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著下降。

溫度≤600℃，未進(jìn)行水化的水泥顆粒以及骨料中的石英成分形成晶體，伴隨著這些物質(zhì)巨大的膨脹，部分骨料內(nèi)部開始形成裂縫，混凝土的抗壓強(qiáng)度急劇下降。

3　耐熱混凝土的組成材料

原材料的性質(zhì)是決定耐熱混凝土性能的首要因素。生產(chǎn)耐熱混凝土的主要原材料有：膠凝材料、骨料、摻和料、混凝土外加劑以及拌合用水。

⑴膠凝材料：根據(jù)使用的溫度不同，選擇不同的膠凝材料。①硅酸鹽類，主要有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥以及水玻璃，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達(dá)700～800℃，注意的是選擇的水泥不包括用石灰石粉作為混合料的水泥；②鋁酸鹽類，主要有純鋁酸鹽水泥以及高鋁酸鹽水泥兩種，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達(dá)1200～1600℃，注意的是選擇的水泥不包括用石灰石粉作為混合料的水泥；③硫酸鹽類，這類膠凝材料有個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，內(nèi)部生產(chǎn)大量的氫氧化鋁膠體從而迅速形成致密的結(jié)構(gòu)，溫度升高會(huì)使強(qiáng)度提高；④礬土類，礬土類膠凝材料配制的耐熱混凝土最高使用溫度可達(dá)1730℃；⑤磷酸鹽類，磷酸鹽類膠凝材料在溫度到達(dá)一定時(shí)，部分的磷酸鹽發(fā)生分解-聚合反應(yīng)，使這種材料具有很強(qiáng)的粘附性，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達(dá)1600～1700℃。

⑵骨料：骨料是影響混凝土耐熱性能的主要因素，要配制出性能好的耐熱混凝土，選擇抗震性能優(yōu)良的骨料是關(guān)鍵。①骨料用量的選擇：骨料用量太大，膠凝材料的用量就會(huì)相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致混凝土拌合物的和易性變差，造成混凝土密實(shí)性差，孔隙率大，致使混凝土在高溫下容易分層脫落；骨料用量太少，膠凝材料用量相對(duì)較大，會(huì)導(dǎo)致混凝土的荷重軟化溫度降低，耐熱性能下降。②骨料粒徑的選擇：骨料的粒徑太大，造成混凝土拌合物不易攪拌均勻，骨料的表面積減小，在同等膠凝材料的情況下，拌合物的和易性變差，密實(shí)性下降；骨料的粒徑太小，拌合物的工作性較差，需要在水灰比不變的情況下加大膠凝材料的用量才能滿足施工要求，造成混凝土的高溫強(qiáng)度降低幅度大，耐高溫性能變差。③選擇合理級(jí)配的骨料：能加大骨料的堆積密度，減少膠凝材料的用量，最大限度地發(fā)揮骨料的骨架作用。

⑶摻和料：摻和料在混凝土中的作用是可以替代部分水泥，改善拌合物的工作性，降低混凝土的水化熱，提高混凝土的密實(shí)性、耐久性以及強(qiáng)度。耐熱混凝土中選擇使用的摻和料主要有：①粉煤灰；②礦渣超細(xì)粉；③二氧化硅微粉。

⑷混凝土外加價(jià)：耐熱混凝土一般選擇使用的是復(fù)合型外加劑，使用復(fù)合型外加劑能改善混凝土拌合物的和易性，減少膠凝材料的用量，提高混凝土強(qiáng)度及耐久性。

⑸拌合用水：選擇一般的自來水。

表1　骨料的技術(shù)要求

4　耐熱混凝土的配合比

耐熱混凝土的配合比既要滿足耐熱性能的要求，同時(shí)還需滿足施工的和易性以及強(qiáng)度等要求。根據(jù)配制耐熱混凝土各種原材料的性質(zhì)，耐熱混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本原則[17]為：①盡量減少膠凝材料的用量；②盡量減少單位用水量；③盡可能使用礦物摻和料；④合理的骨料級(jí)配以及砂率。

⑴膠凝材料用量：膠凝材料的用量一般控制在混凝土總重量的10%～20%，在對(duì)荷重軟化點(diǎn)、耐熱性能要求比較高，常溫強(qiáng)度要求不高的情況下，可適當(dāng)降低膠凝材料的用量，一般可控制在10%～15%。

⑵水灰比：水灰比對(duì)混凝土的強(qiáng)度以及殘余變形影響很大，在滿足施工要求的前提下，適當(dāng)減少單位用水量，降低水灰比，可以提高耐熱混凝土的性能。

⑶摻和料用量：摻和料可以減少膠凝材料用量，改善混凝土的耐高溫性能，同時(shí)提高和易性。耐熱混凝土的摻和料用量可在水泥用量的30%～100%。

⑷骨料級(jí)配及砂率：骨料級(jí)配滿足要求（表1），細(xì)骨料用量占總骨料用量的40%～50%。

5　耐熱混凝土的研究發(fā)展過程及研究使用現(xiàn)狀

⑴耐熱混凝土的研究發(fā)展過程

在我國(guó)，上世紀(jì)20年代，冶金部建筑科學(xué)研究院已經(jīng)進(jìn)行了混凝土在高溫下的性能變化研究，并且調(diào)研和分析了高溫對(duì)廠房結(jié)構(gòu)以及煙囪的影響；到了上世紀(jì)80年代，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等高校及相關(guān)科研單位對(duì)建筑材料的熱工性能、建筑構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)的耐火性進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)以及理論分析，部分成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，推進(jìn)了我國(guó)在火災(zāi)科學(xué)研究中的發(fā)展。清華大學(xué)的過鎮(zhèn)海、王傳志開展了高溫下混凝土性能的研究、水中和教授與潘智生教授共同進(jìn)行了混凝土高溫下力學(xué)性能的系統(tǒng)研究，這些研究都取得比較好的成果，為火災(zāi)混凝土的評(píng)估提供了重要的資料；目前，國(guó)際火災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有大型的燃燒風(fēng)洞、大空間模擬實(shí)驗(yàn)廳以及多種高技術(shù)設(shè)備，成為了中國(guó)火災(zāi)科學(xué)研究的重要基地。

⑵耐熱混凝土的研究使用現(xiàn)狀

①新型膠凝材料的開發(fā)給耐熱混凝土帶來了創(chuàng)新性變化，耐熱混凝土配料組成中的高分散組分的功能既能保證混凝土的初始強(qiáng)度和密度，還能使混凝土在800～1000℃的溫度下強(qiáng)度有所提高，同時(shí)還可以保證材料形成細(xì)小的毛細(xì)管。楊笛[22]在礬土水泥、水玻璃中加入新型耐火粘結(jié)材料，研制出一種耐火度可達(dá)到1700℃左右的新型鍋爐用耐火混凝土。它不僅具有凝結(jié)速度快、強(qiáng)度增長(zhǎng)快、便于施工等良好的可操作性能，還具有耐火度高、高溫使用性能良好等優(yōu)點(diǎn)；

②使用新型的骨料。李寶珠[23]根據(jù)工程需要，利用花崗巖碎石、礦渣硅酸鹽水泥，配制了耐熱度達(dá)300～500℃的耐熱混凝土。利用浮石、凝灰?guī)r等等的天然輕骨料、爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等的工業(yè)廢渣輕骨料以及頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等的人造輕骨料代替普通骨料配制的輕質(zhì)混凝土，具有輕質(zhì)、耐熱、等優(yōu)良性能。王镕]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。

③添加復(fù)合型外加劑。謝海棠通過添加復(fù)合外加劑的方法，配制出輕質(zhì)耐熱混凝土，這項(xiàng)研究填補(bǔ)了目前我國(guó)超輕耐熱混凝土在高溫下其強(qiáng)度低下的空白。

【參考文獻(xiàn)】

[1]尚建麗,王爭(zhēng)軍,黨義東.彩色耐熱混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2009，(2)：120-122.

[2]錢波，潘莉莎.耐火混凝土的研究進(jìn)展[J].混凝土，2007，(5)：27-29.

[3]雍本.特殊混凝土施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.

[4]錢波，潘莉莎.防火耐熱混凝土的分類[J].TU545，2006: 94-95.