分析普通混凝土受熱作用機(jī)理和其在火災(zāi)中受損程度的影響因素,提出耐火混凝土是經(jīng)濟(jì)有效解決火災(zāi)事故中由于建筑物耐火等級低而造成巨大財(cái)產(chǎn)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(nèi)外研究進(jìn)展,并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究發(fā)展方向,為工程上選擇使用耐火混凝土提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)依據(jù)。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展, 日常生產(chǎn)和生活中的用火、用電明顯增多, 引發(fā)火災(zāi)事故的因素也相應(yīng)驟增。火災(zāi)事故特別是重特大火災(zāi)事故, 給社會造成了巨大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。可以說, 如何經(jīng)濟(jì)有效地解決建筑物耐火等級問題, 在火災(zāi)荷載和不安全因素迅速增加的今天顯得具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。近年來隨著一些新材料、新工藝、新技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用, 建筑構(gòu)件的性能也變得越來越復(fù)雜, 但是混凝土以其優(yōu)越的性能和低廉的價(jià)格成為大量基礎(chǔ)設(shè)施必不可少的首選材料。使用耐火混凝土更是經(jīng)濟(jì)有效解決火災(zāi)事故中由于建筑物耐火等級低而造成巨大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡問題的有效方法之一。現(xiàn)今, 耐火混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、冶金、建材等工業(yè)領(lǐng)域。因此, 了解現(xiàn)今耐火混凝土的分類和研究進(jìn)展可以為工程上選擇使用耐火混凝土提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)依據(jù), 并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究發(fā)展方向。

1 普通混凝土受熱作用機(jī)理

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

1.1 水泥水化產(chǎn)物受熱作用機(jī)理

在火災(zāi)中混凝土的溫度不斷升高, 當(dāng)普通混凝土被加熱到100℃時(shí), 毛細(xì)孔開始失去水分;達(dá)到100~150℃時(shí), 由于水蒸氣蒸發(fā)促進(jìn)水泥逐步水化, 使混凝土抗壓強(qiáng)度增加;200~300℃時(shí)由于水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝體開始脫水而導(dǎo)致組織硬化;300℃以上由于脫水加劇, 混凝土收縮, 開始出現(xiàn)裂紋, 強(qiáng)度開始下降;575℃時(shí)氫氧化鈣脫水, 使水泥組織破壞;當(dāng)溫度達(dá)到500、800℃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;900℃時(shí)混凝土中的碳酸鈣分解, 這時(shí)游離水、結(jié)晶水及水化物的脫水基本結(jié)束, 混凝土強(qiáng)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(zāi)后吸收空氣中的水分, 氧化鈣再次水化, 體積膨脹, 水泥層會酥松剝落。同時(shí), 高溫改變了鈣礬石的形成機(jī)理, 600~800℃下鈣礬石開始水解, 混凝土內(nèi)部形成粗大的孔結(jié)構(gòu)。

1.2 水泥石與骨料受熱作用機(jī)理

300℃時(shí), 混凝土中的骨料開始膨脹, 隨著溫度的繼續(xù)升高, 水泥收縮和骨料膨脹加劇, 兩者結(jié)合被破壞, 水泥骨架破裂成塊狀;溫度達(dá)到500℃以上后, 骨料中的石英晶體發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變, 體積膨脹, 初生的不連貫裂縫迅速擴(kuò)展并連續(xù)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(nèi)裂縫的開展, 這也是強(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。同時(shí), 混凝土迎火面表層溫度升高比內(nèi)部快得多以及骨料和水泥石之間的熱不相容造成的內(nèi)外溫差和應(yīng)力差也會引起混凝土開裂和強(qiáng)度下降。

1.3 混凝土在火災(zāi)中受損程度的影響因素

各國研究表明, 混凝土在火災(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, 提高混凝土的耐火性, 是減少混凝土在火災(zāi)中受損以至坍塌的關(guān)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(xué)性能 (如有較高的耐火度、熱穩(wěn)定性、荷重軟化點(diǎn)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(xì)骨料) 與適量的耐火膠結(jié)料 (有時(shí)還有礦物摻合料或有機(jī)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(jù)膠結(jié)料的不同進(jìn)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(jī)物結(jié)合耐火混凝土等。

2.1 硅酸鹽耐火混凝土

以硅酸鹽做膠結(jié)料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質(zhì)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(jié)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(jī)理是硅酸鹽水泥熟料的水化產(chǎn)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(yīng)生成具有較強(qiáng)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(dá)1 100℃。

2.2 鋁酸鹽耐火混凝土

以鋁酸鹽做膠結(jié)料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質(zhì)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(jié)材料。高鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細(xì)后, 采用燒結(jié)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(yīng)中使水泥石由低密度水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成高密度非水化產(chǎn)物, 固相摩爾體積縮小, 體系結(jié)構(gòu)間隙增大。因此, 在1 200℃以前, 強(qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低, 到了1 200℃后, 材料開始發(fā)生燒結(jié)并產(chǎn)生陶瓷粘結(jié), 強(qiáng)度提高。純鋁酸鈣水泥以工業(yè)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(jié)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(qiáng)度的變化與高鋁水泥類似。由于該水泥的化學(xué)組成中含有更多的Al2O3, 因此在1 200℃發(fā)生燒結(jié)產(chǎn)生陶瓷結(jié)合后, 具有更高的燒結(jié)強(qiáng)度和耐火度, 其最高使用溫度可達(dá)1 600℃以上。

2.3 磷酸鹽耐火混凝土

以磷酸鹽作結(jié)合劑, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性質(zhì)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(jié)硬化與一般的水泥型耐火混凝土不同, 磷酸鹽是作為結(jié)合劑而不是膠結(jié)劑, 因?yàn)榱姿猁}本身在常溫下并不具有膠凝性, 而是在加熱到一定溫度時(shí), 一些磷酸鹽發(fā)生分解-聚合反應(yīng), 在聚合反應(yīng)時(shí), 新化合物的形成和聚合具有很強(qiáng)的粘附作用, 將骨料粘結(jié)在一起成為“混凝土”而獲得強(qiáng)度。常用的磷酸鋁耐火混凝土的高溫動作極限可達(dá)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(jié)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(jié)硬化。硫酸鋁結(jié)合的耐火混凝土強(qiáng)度在高溫下增長較慢。溫度升至近700℃時(shí), 強(qiáng)度隨溫度的提高而提高。此時(shí), 氫氧化鋁膠體大量生成并迅速形成致密的結(jié)構(gòu)。硫酸鋁的化學(xué)結(jié)合水逐步脫水, 由于脫水速度緩慢, 對結(jié)構(gòu)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(jié)料、耐火骨料、摻合料及水按一定比例混合成型養(yǎng)護(hù)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(zhì)量, 是一種經(jīng)濟(jì)性較好的耐火膠結(jié)料。

3 耐火混凝土的研究進(jìn)展

3.1 使用新型耐火膠結(jié)料

新型膠結(jié)料的開發(fā)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 (高濃度陶瓷泥漿結(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Si O2) 及各種無機(jī)和有機(jī)加入劑, 后者為澆筑料混合物的流變學(xué)性能及工藝性能的調(diào)節(jié)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(qiáng)度及密度, 而且還使混凝土在較低溫度下 (800~1 000℃) 的強(qiáng)度有所提高, 以及保證材料形成細(xì)的毛細(xì)管。楊笛在礬土水泥及水玻璃中加入新型耐火粘結(jié)材料研制出一種新型鍋爐用耐火混凝土, 耐火度可達(dá)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(qiáng)度增長快、方便施工及貯存運(yùn)輸?shù)攘己玫目刹僮餍阅? 同時(shí)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(yīng)用。莫斯科國立建筑大學(xué)開發(fā)的耐火混凝土采用新型復(fù)合硅酸鈉做結(jié)合劑, 用于砌筑水泥熟料煅燒窯的燒結(jié)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(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。李寶珠根據(jù)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(dá)到300~500℃的耐火混凝土, 各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足了設(shè)計(jì)要求。以天然輕骨料 (如浮石、凝灰?guī)r等) 、工業(yè)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(zhì)混凝土, 具有輕質(zhì)、耐火、保溫、隔熱等優(yōu)良性能。這是由于孔隙率越大的輕質(zhì)混凝土, 混凝土整體的熱傳導(dǎo)速率越低。王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, 是值得進(jìn)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(fù)合外加劑的方法, 配制出超輕高強(qiáng)耐火混凝土, 填補(bǔ)了目前國內(nèi)超輕耐火混凝土高溫力學(xué)強(qiáng)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(zhì)量缺陷, 經(jīng)過一年多使用未見任何裂紋。工程實(shí)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(dāng), 質(zhì)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(yōu)質(zhì)的細(xì)度小于0.088mm、含量高于95%的耐火骨料, 經(jīng)過科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)、配制成高強(qiáng)耐火混凝土, 并將其應(yīng)用在隧道窯窯車上。經(jīng)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(yōu)于粘土耐火磚和普通耐火混凝土, 而且維修費(fèi)用低, 使用壽命長。

4 展望

隨著人類社會的發(fā)展, 現(xiàn)有資源越來越少, 對合理利用資源, 降低單位產(chǎn)品能耗及保護(hù)環(huán)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(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有效便利的方法。