什么是耐火混凝土？

分析普通混凝土受热作用机理和其在火灾中受损程度的影响因素,提出耐火混凝土是经济有效解决火灾事故中由于建筑物耐火等级低而造成巨大财产损失和人员伤亡问题的有效方法之一。综述了耐火混凝土的分类及近十年国内外研究进展,并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究发展方向,为工程上选择使用耐火混凝土提供现实指导依据。

随着经济的飞速发展, 日常生产和生活中的用火、用电明显增多, 引发火灾事故的因素也相应骤增。火灾事故特别是重特大火灾事故, 给社会造成了巨大财产损失和人员伤亡。可以说, 如何经济有效地解决建筑物耐火等级问题, 在火灾荷载和不安全因素迅速增加的今天显得具有重大的现实意义。近年来随着一些新材料、新工艺、新技术在建筑领域中的广泛应用, 建筑构件的性能也变得越来越复杂, 但是混凝土以其优越的性能和低廉的价格成为大量基础设施必不可少的首选材料。使用耐火混凝土更是经济有效解决火灾事故中由于建筑物耐火等级低而造成巨大财产损失和人员伤亡问题的有效方法之一。现今, 耐火混凝土已经广泛应用在化工、冶金、建材等工业领域。因此, 了解现今耐火混凝土的分类和研究进展可以为工程上选择使用耐火混凝土提供现实指导依据, 并提出研制新型耐火混凝土是今后的研究发展方向。

1 普通混凝土受热作用机理

大量研究表明, 普通混凝土在高温受热下的退化包括质量减少和形成大量的孔与裂缝以及强度和弹性模量的下降, 退化的结果造成普通混凝土出现大面积裂缝以至坍塌。普通混凝土受热作用机理包括水泥水化产物受热作用机理和水泥水化产物与骨料之间受热相互作用机理。

1.1 水泥水化产物受热作用机理

在火灾中混凝土的温度不断升高, 当普通混凝土被加热到100℃时, 毛细孔开始失去水分;达到100~150℃时, 由于水蒸气蒸发促进水泥逐步水化, 使混凝土抗压强度增加;200~300℃时由于水泥水化产物水化硅酸钙凝体开始脱水而导致组织硬化;300℃以上由于脱水加剧, 混凝土收缩, 开始出现裂纹, 强度开始下降;575℃时氢氧化钙脱水, 使水泥组织破坏;当温度达到500、800℃时, 混凝土抗压强度分别为原来强度的70%、30%左右, 混凝土开始坍塌;900℃时混凝土中的碳酸钙分解, 这时游离水、结晶水及水化物的脱水基本结束, 混凝土强度几乎丧失。由于氢氧化钙的脱水, 碳酸钙的分解, 混凝土中生成了氧化钙, 在射水的作用或火灾后吸收空气中的水分, 氧化钙再次水化, 体积膨胀, 水泥层会酥松剥落。同时, 高温改变了钙矾石的形成机理, 600~800℃下钙矾石开始水解, 混凝土内部形成粗大的孔结构。

1.2 水泥石与骨料受热作用机理

300℃时, 混凝土中的骨料开始膨胀, 随着温度的继续升高, 水泥收缩和骨料膨胀加剧, 两者结合被破坏, 水泥骨架破裂成块状;温度达到500℃以上后, 骨料中的石英晶体发生晶型转变, 体积膨胀, 初生的不连贯裂缝迅速扩展并连续起来, 形成大裂缝, 造成混凝土的宏观破坏;水泥石受拉, 骨料受压, 由此加剧了内裂缝的开展, 这也是强度降低的主要原因。因此, 水泥用量愈大, 水灰比愈大, 强度降低愈大。同时, 混凝土迎火面表层温度升高比内部快得多以及骨料和水泥石之间的热不相容造成的内外温差和应力差也会引起混凝土开裂和强度下降。

1.3 混凝土在火灾中受损程度的影响因素

各国研究表明, 混凝土在火灾中受损的严重程度取决于以下六个因素:温度升高的速率、最高温度、胶凝材料和骨料的组成、水分含量及火作用的持续时间。因此, 提高混凝土的耐火性, 是减少混凝土在火灾中受损以至坍塌的关键, 耐火混凝土是一种能长期承受高温作用 (200℃以上) , 并在高温下保持所需要的物理力学性能 (如有较高的耐火度、热稳定性、荷重软化点以及高温下较小的收缩等) 的特种混凝土。该混凝土已成功地由耐火骨料 (粗细骨料) 与适量的耐火胶结料 (有时还有矿物掺合料或有机掺合料) 和水按一定比例配制而成。

2 耐火混凝土的分类

目前对耐火混凝土的分类主要根据胶结料的不同进行分类, 将耐火混凝土分为硅酸盐耐火混凝土、铝酸盐耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土、硫酸盐耐火混凝土、矾土耐火混凝土、氯化物耐火混凝土、溶胶类耐火混凝土及有机物结合耐火混凝土等。

2.1 硅酸盐耐火混凝土

以硅酸盐做胶结料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性质的混凝土称为硅酸盐耐火混凝土。一般采用矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或水玻璃作为胶结材料, 碎粘土砖、粘土、熟料、碎高铝砖作骨料, 其最高使用温度可以到700~800℃, 其耐火的主要机理是硅酸盐水泥熟料的水化产物氢氧化钙在高温下脱水, 生成的氧化钙与矿渣及掺合料中的活性氧化硅和三氧化二铝又反应生成具有较强耐火性的无水硅酸钙和无水铝酸钙, 使混凝土具有一定的耐火性。如用高铝砖、矾土熟料和碎镁砖及镁砂作骨料配置的耐火混凝土, 最高使用温度可达1 100℃。

2.2 铝酸盐耐火混凝土

以铝酸盐做胶结料, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性质的混凝土称为铝酸盐系列耐火混凝土。一般采用高铝水泥和纯铝酸钙水泥作为胶结材料。高铝水泥是由石灰和铝矾土按一定比例磨细后, 采用烧结法和熔融法制成的一种以铝酸一钙 (CA) 为主要成分的水硬性胶凝材料。在一系列水化反应中使水泥石由低密度水化产物转变成高密度非水化产物, 固相摩尔体积缩小, 体系结构间隙增大。因此, 在1 200℃以前, 强度随温度的升高而明显降低, 到了1 200℃后, 材料开始发生烧结并产生陶瓷粘结, 强度提高。纯铝酸钙水泥以工业氧化铝和高纯石灰石或方解石为原料, 按一定比例混合后, 采用烧结法或熔融法制成的以二铝酸一钙 (CA2) 或铝酸一钙 (CA) 为主要矿物的水硬性胶凝材料。纯铝酸钙水泥的水化硬化及在加热过程中强度的变化与高铝水泥类似。由于该水泥的化学组成中含有更多的Al2O3, 因此在1 200℃发生烧结产生陶瓷结合后, 具有更高的烧结强度和耐火度, 其最高使用温度可达1 600℃以上。

2.3 磷酸盐耐火混凝土

以磷酸盐作结合剂, 耐火材料作骨料配制成的具有耐火性质的混凝土成为磷酸盐耐火混凝土。磷酸盐耐火混凝土的凝结硬化与一般的水泥型耐火混凝土不同, 磷酸盐是作为结合剂而不是胶结剂, 因为磷酸盐本身在常温下并不具有胶凝性, 而是在加热到一定温度时, 一些磷酸盐发生分解-聚合反应, 在聚合反应时, 新化合物的形成和聚合具有很强的粘附作用, 将骨料粘结在一起成为“混凝土”而获得强度。常用的磷酸铝耐火混凝土的高温动作极限可达到1 600~1 700℃。

2.4 硫酸盐耐火混凝土

硫酸盐耐火混凝土中的结合剂硫酸盐首先水解成碱式铝盐Al (SO4) 3 (OH) 2, 然后生成Al (OH) 3, 最后逐渐形成氢氧化铝胶体而凝结硬化。硫酸铝结合的耐火混凝土强度在高温下增长较慢。温度升至近700℃时, 强度随温度的提高而提高。此时, 氢氧化铝胶体大量生成并迅速形成致密的结构。硫酸铝的化学结合水逐步脱水, 由于脱水速度缓慢, 对结构影响较小。

2.5 矾土耐火混凝土

矾土耐火混凝土是利用矾土水泥胶结料、耐火骨料、掺合料及水按一定比例混合成型养护和硬化而成。矾土耐火混凝土有与耐火砖同样的耐高温性能 (最高耐火温度1 730℃) , 与耐火砖比较, 其简化了制作工艺, 降低了制作成本, 提高了烘干炉的质量, 是一种经济性较好的耐火胶结料。

3 耐火混凝土的研究进展

3.1 使用新型耐火胶结料

新型胶结料的开发带来了耐火混凝土的创新。以新型低水泥耐火混凝土为例, 它的结合剂 (高浓度陶瓷泥浆结合剂) 是一种综合性系统, 该系统组成中不仅包括高铝水泥, 而且还包括高分散性细粉 (如Si O2) 及各种无机和有机加入剂, 后者为浇筑料混合物的流变学性能及工艺性能的调节剂。耐火混凝土配料组成中的高分散性组分的功能不仅保证混凝土具有较高的初始强度及密度, 而且还使混凝土在较低温度下 (800~1 000℃) 的强度有所提高, 以及保证材料形成细的毛细管。杨笛在矾土水泥及水玻璃中加入新型耐火粘结材料研制出一种新型锅炉用耐火混凝土, 耐火度可达到1 700℃左右, 可广泛的用于电站、炉顶、炉墙、抽炉烟管道及其它耐火工程。它具有速凝、强度增长快、方便施工及贮存运输等良好的可操作性能, 同时还具有较高的耐火度和较好的高温使用性能, 已在衡水电厂、盘山电厂、牙克石电厂、呼市电厂等电厂得到良好的应用。莫斯科国立建筑大学开发的耐火混凝土采用新型复合硅酸钠做结合剂, 用于砌筑水泥熟料煅烧窑的烧结带。

3.2 使用新型耐火骨料

骨料的组成是影响混凝土耐火等级的重要因素。传统耐火混凝土常用的骨料有碎粘土砖、粘土、熟料、碎高铝砖、碎镁砖及镁砂。李宝珠根据工程需要, 采用了花岗岩碎石和矿渣硅酸盐水泥, 研制了耐火度达到300~500℃的耐火混凝土, 各项性能指标完全满足了设计要求。以天然轻骨料 (如浮石、凝灰岩等) 、工业废渣轻骨料 (如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造轻骨料 (页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等) 取代普通骨料制成的轻质混凝土, 具有轻质、耐火、保温、隔热等优良性能。这是由于孔隙率越大的轻质混凝土, 混凝土整体的热传导速率越低。王研究表明粉煤灰加气混凝土制品是一种轻质、保温、吸音、易加工、且耐火性能又较好的新型建筑材料。应用和推广这种材料对减轻建筑物自重, 增强建筑的保湿、吸音、耐火等性能大有好处, 是值得进一步推广使用的新型建筑材料。

3.3 添加减水剂等外加剂

谢海棠通过添加复合外加剂的方法, 配制出超轻高强耐火混凝土, 填补了目前国内超轻耐火混凝土高温力学强度偏低的空白。谢咸颂在混凝土配合比中掺入水泥用量2.0%左右的虎塔牌TOR-803高效减水剂, 拆模后耐火混凝土表面无蜂窝、露筋、孔洞等质量缺陷, 经过一年多使用未见任何裂纹。工程实践还表明, 使用普通硅酸盐水泥、火成岩骨料配制极限使用温度不低于800℃耐火混凝土, 只要措施得当, 质量完全可以保证。王广信采用42.5级以上的水泥、高效减水剂和优质的细度小于0.088mm、含量高于95%的耐火骨料, 经过科学计算、设计、配制成高强耐火混凝土, 并将其应用在隧道窑窑车上。经三年使用效果表明:其不仅能满足耐火性能要求, 抗冲击性和抗磨损性明显优于粘土耐火砖和普通耐火混凝土, 而且维修费用低, 使用寿命长。

4 展望

随着人类社会的发展, 现有资源越来越少, 对合理利用资源, 降低单位产品能耗及保护环境的要求也将愈来愈高, 所以无水泥耐火混凝土或者超低水泥耐火混凝土将今后耐火混凝土的生产中占据重要的位置, 各种新型的结合剂系统也将更多地用于提高其耐火、抗折、抗压等性能。同时, 使用新型耐火骨料和添加减水剂等外加剂也是提高混凝土耐火等级有效便利的方法。