分析普通混凝土受熱作用機理和其在火災中受損程度的影響因素,提出耐火混凝土是經濟有效解決火災事故中由于建筑物耐火等級低而造成巨大財產損失和人員傷亡問題的有效方法之一。綜述了耐火混凝土的分類及近十年國內外研究進展,并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究發展方向,為工程上選擇使用耐火混凝土提供現實指導依據。

隨著經濟的飛速發展, 日常生產和生活中的用火、用電明顯增多, 引發火災事故的因素也相應驟增。火災事故特別是重特大火災事故, 給社會造成了巨大財產損失和人員傷亡。可以說, 如何經濟有效地解決建筑物耐火等級問題, 在火災荷載和不安全因素迅速增加的今天顯得具有重大的現實意義。近年來隨著一些新材料、新工藝、新技術在建筑領域中的廣泛應用, 建筑構件的性能也變得越來越復雜, 但是混凝土以其優越的性能和低廉的價格成為大量基礎設施必不可少的首選材料。使用耐火混凝土更是經濟有效解決火災事故中由于建筑物耐火等級低而造成巨大財產損失和人員傷亡問題的有效方法之一。現今, 耐火混凝土已經廣泛應用在化工、冶金、建材等工業領域。因此, 了解現今耐火混凝土的分類和研究進展可以為工程上選擇使用耐火混凝土提供現實指導依據, 并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究發展方向。

1 普通混凝土受熱作用機理

大量研究表明, 普通混凝土在高溫受熱下的退化包括質量減少和形成大量的孔與裂縫以及強度和彈性模量的下降, 退化的結果造成普通混凝土出現大面積裂縫以至坍塌。普通混凝土受熱作用機理包括水泥水化產物受熱作用機理和水泥水化產物與骨料之間受熱相互作用機理。

1.1 水泥水化產物受熱作用機理

在火災中混凝土的溫度不斷升高, 當普通混凝土被加熱到100℃時, 毛細孔開始失去水分;達到100~150℃時, 由于水蒸氣蒸發促進水泥逐步水化, 使混凝土抗壓強度增加;200~300℃時由于水泥水化產物水化硅酸鈣凝體開始脫水而導致組織硬化;300℃以上由于脫水加劇, 混凝土收縮, 開始出現裂紋, 強度開始下降;575℃時氫氧化鈣脫水, 使水泥組織破壞;當溫度達到500、800℃時, 混凝土抗壓強度分別為原來強度的70%、30%左右, 混凝土開始坍塌;900℃時混凝土中的碳酸鈣分解, 這時游離水、結晶水及水化物的脫水基本結束, 混凝土強度幾乎喪失。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后吸收空氣中的水分, 氧化鈣再次水化, 體積膨脹, 水泥層會酥松剝落。同時, 高溫改變了鈣礬石的形成機理, 600~800℃下鈣礬石開始水解, 混凝土內部形成粗大的孔結構。

1.2 水泥石與骨料受熱作用機理

300℃時, 混凝土中的骨料開始膨脹, 隨著溫度的繼續升高, 水泥收縮和骨料膨脹加劇, 兩者結合被破壞, 水泥骨架破裂成塊狀;溫度達到500℃以上后, 骨料中的石英晶體發生晶型轉變, 體積膨脹, 初生的不連貫裂縫迅速擴展并連續起來, 形成大裂縫, 造成混凝土的宏觀破壞;水泥石受拉, 骨料受壓, 由此加劇了內裂縫的開展, 這也是強度降低的主要原因。因此, 水泥用量愈大, 水灰比愈大, 強度降低愈大。同時, 混凝土迎火面表層溫度升高比內部快得多以及骨料和水泥石之間的熱不相容造成的內外溫差和應力差也會引起混凝土開裂和強度下降。

1.3 混凝土在火災中受損程度的影響因素

各國研究表明, 混凝土在火災中受損的嚴重程度取決于以下六個因素: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時間。因此, 提高混凝土的耐火性, 是減少混凝土在火災中受損以至坍塌的關鍵, 耐火混凝土是一種能長期承受高溫作用 (200℃以上) , 并在高溫下保持所需要的物理力學性能 (如有較高的耐火度、熱穩定性、荷重軟化點以及高溫下較小的收縮等) 的特種混凝土。該混凝土已成功地由耐火骨料 (粗細骨料) 與適量的耐火膠結料 (有時還有礦物摻合料或有機摻合料) 和水按一定比例配制而成。

2 耐火混凝土的分類

目前對耐火混凝土的分類主要根據膠結料的不同進行分類, 將耐火混凝土分為硅酸鹽耐火混凝土、鋁酸鹽耐火混凝土、磷酸鹽耐火混凝土、硫酸鹽耐火混凝土、礬土耐火混凝土、氯化物耐火混凝土、溶膠類耐火混凝土及有機物結合耐火混凝土等。

2.1 硅酸鹽耐火混凝土

以硅酸鹽做膠結料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質的混凝土稱為硅酸鹽耐火混凝土。一般采用礦渣硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或水玻璃作為膠結材料, 碎粘土磚、粘土、熟料、碎高鋁磚作骨料, 其最高使用溫度可以到700~800℃, 其耐火的主要機理是硅酸鹽水泥熟料的水化產物氫氧化鈣在高溫下脫水, 生成的氧化鈣與礦渣及摻合料中的活性氧化硅和三氧化二鋁又反應生成具有較強耐火性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣, 使混凝土具有一定的耐火性。如用高鋁磚、礬土熟料和碎鎂磚及鎂砂作骨料配置的耐火混凝土, 最高使用溫度可達1 100℃。

2.2 鋁酸鹽耐火混凝土

以鋁酸鹽做膠結料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質的混凝土稱為鋁酸鹽系列耐火混凝土。一般采用高鋁水泥和純鋁酸鈣水泥作為膠結材料。高鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細后, 采用燒結法和熔融法制成的一種以鋁酸一鈣 (CA) 為主要成分的水硬性膠凝材料。在一系列水化反應中使水泥石由低密度水化產物轉變成高密度非水化產物, 固相摩爾體積縮小, 體系結構間隙增大。因此, 在1 200℃以前, 強度隨溫度的升高而明顯降低, 到了1 200℃后, 材料開始發生燒結并產生陶瓷粘結, 強度提高。純鋁酸鈣水泥以工業氧化鋁和高純石灰石或方解石為原料, 按一定比例混合后, 采用燒結法或熔融法制成的以二鋁酸一鈣 (CA2) 或鋁酸一鈣 (CA) 為主要礦物的水硬性膠凝材料。純鋁酸鈣水泥的水化硬化及在加熱過程中強度的變化與高鋁水泥類似。由于該水泥的化學組成中含有更多的Al2O3, 因此在1 200℃發生燒結產生陶瓷結合后, 具有更高的燒結強度和耐火度, 其最高使用溫度可達1 600℃以上。

2.3 磷酸鹽耐火混凝土

以磷酸鹽作結合劑, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質的混凝土成為磷酸鹽耐火混凝土。磷酸鹽耐火混凝土的凝結硬化與一般的水泥型耐火混凝土不同, 磷酸鹽是作為結合劑而不是膠結劑, 因為磷酸鹽本身在常溫下并不具有膠凝性, 而是在加熱到一定溫度時, 一些磷酸鹽發生分解-聚合反應, 在聚合反應時, 新化合物的形成和聚合具有很強的粘附作用, 將骨料粘結在一起成為“混凝土”而獲得強度。常用的磷酸鋁耐火混凝土的高溫動作極限可達到1 600~1 700℃。

2.4 硫酸鹽耐火混凝土

硫酸鹽耐火混凝土中的結合劑硫酸鹽首先水解成堿式鋁鹽Al (SO4) 3 (OH) 2, 然后生成Al (OH) 3, 最后逐漸形成氫氧化鋁膠體而凝結硬化。硫酸鋁結合的耐火混凝土強度在高溫下增長較慢。溫度升至近700℃時, 強度隨溫度的提高而提高。此時, 氫氧化鋁膠體大量生成并迅速形成致密的結構。硫酸鋁的化學結合水逐步脫水, 由于脫水速度緩慢, 對結構影響較小。

2.5 礬土耐火混凝土

礬土耐火混凝土是利用礬土水泥膠結料、耐火骨料、摻合料及水按一定比例混合成型養護和硬化而成。礬土耐火混凝土有與耐火磚同樣的耐高溫性能 (最高耐火溫度1 730℃) , 與耐火磚比較, 其簡化了制作工藝, 降低了制作成本, 提高了烘干爐的質量, 是一種經濟性較好的耐火膠結料。

3 耐火混凝土的研究進展

3.1 使用新型耐火膠結料

新型膠結料的開發帶來了耐火混凝土的創新。以新型低水泥耐火混凝土為例, 它的結合劑 (高濃度陶瓷泥漿結合劑) 是一種綜合性系統, 該系統組成中不僅包括高鋁水泥, 而且還包括高分散性細粉 (如Si O2) 及各種無機和有機加入劑, 后者為澆筑料混合物的流變學性能及工藝性能的調節劑。耐火混凝土配料組成中的高分散性組分的功能不僅保證混凝土具有較高的初始強度及密度, 而且還使混凝土在較低溫度下 (800~1 000℃) 的強度有所提高, 以及保證材料形成細的毛細管。楊笛在礬土水泥及水玻璃中加入新型耐火粘結材料研制出一種新型鍋爐用耐火混凝土, 耐火度可達到1 700℃左右, 可廣泛的用于電站、爐頂、爐墻、抽爐煙管道及其它耐火工程。它具有速凝、強度增長快、方便施工及貯存運輸等良好的可操作性能, 同時還具有較高的耐火度和較好的高溫使用性能, 已在衡水電廠、盤山電廠、牙克石電廠、呼市電廠等電廠得到良好的應用。莫斯科國立建筑大學開發的耐火混凝土采用新型復合硅酸鈉做結合劑, 用于砌筑水泥熟料煅燒窯的燒結帶。

3.2 使用新型耐火骨料

骨料的組成是影響混凝土耐火等級的重要因素。傳統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。李寶珠根據工程需要, 采用了花崗巖碎石和礦渣硅酸鹽水泥, 研制了耐火度達到300~500℃的耐火混凝土, 各項性能指標完全滿足了設計要求。以天然輕骨料 (如浮石、凝灰巖等) 、工業廢渣輕骨料 (如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造輕骨料 (頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等) 取代普通骨料制成的輕質混凝土, 具有輕質、耐火、保溫、隔熱等優良性能。這是由于孔隙率越大的輕質混凝土, 混凝土整體的熱傳導速率越低。王研究表明粉煤灰加氣混凝土制品是一種輕質、保溫、吸音、易加工、且耐火性能又較好的新型建筑材料。應用和推廣這種材料對減輕建筑物自重, 增強建筑的保濕、吸音、耐火等性能大有好處, 是值得進一步推廣使用的新型建筑材料。

3.3 添加減水劑等外加劑

謝海棠通過添加復合外加劑的方法, 配制出超輕高強耐火混凝土, 填補了目前國內超輕耐火混凝土高溫力學強度偏低的空白。謝咸頌在混凝土配合比中摻入水泥用量2.0%左右的虎塔牌TOR-803高效減水劑, 拆模后耐火混凝土表面無蜂窩、露筋、孔洞等質量缺陷, 經過一年多使用未見任何裂紋。工程實踐還表明, 使用普通硅酸鹽水泥、火成巖骨料配制極限使用溫度不低于800℃耐火混凝土, 只要措施得當, 質量完全可以保證。王廣信采用42.5級以上的水泥、高效減水劑和優質的細度小于0.088mm、含量高于95%的耐火骨料, 經過科學計算、設計、配制成高強耐火混凝土, 并將其應用在隧道窯窯車上。經三年使用效果表明:其不僅能滿足耐火性能要求, 抗沖擊性和抗磨損性明顯優于粘土耐火磚和普通耐火混凝土, 而且維修費用低, 使用壽命長。

4 展望

隨著人類社會的發展, 現有資源越來越少, 對合理利用資源, 降低單位產品能耗及保護環境的要求也將愈來愈高, 所以無水泥耐火混凝土或者超低水泥耐火混凝土將今后耐火混凝土的生產中占據重要的位置, 各種新型的結合劑系統也將更多地用于提高其耐火、抗折、抗壓等性能。同時, 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有效便利的方法。