防火耐熱混凝土

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,日常生產(chǎn)、生活中用火、用電明顯增多,引發(fā)火災(zāi)事故的因素也驟增,火災(zāi)事故特別是重特大火災(zāi)事故,給社會(huì)造成了巨大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。據(jù)調(diào)查,2001年震驚世界的“9·11”事件就是因?yàn)轱w機(jī)撞擊后引起的大火熔化了支承鋼結(jié)構(gòu),造成了紐約世貿(mào)中心倒塌。在爆炸現(xiàn)場救火的300多名消防人員及警察因建筑倒塌而喪生。2003年11月3日凌晨,我國某市的衡州大廈一樓倉庫發(fā)生火災(zāi),最終引發(fā)樓房坍塌,20名消防隊(duì)員壯烈犧牲,11名消防隊(duì)員光榮負(fù)傷,96戶居民受災(zāi)。事故中消防官兵傷亡創(chuàng)新中國紀(jì)錄!究其原因,耐火等級(jí)較低的建筑材料是建筑物在火災(zāi)中發(fā)生倒塌主要原因之一。

可以說,如何經(jīng)濟(jì)有效地解決建筑物耐火問題,在火災(zāi)和不安全因素迅速增加的今天顯得具有重大的意義。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,而混凝土以其優(yōu)越的性能和低廉的價(jià)格仍為大量建筑工程必不可少的材料。因此具有一定耐火能力、經(jīng)濟(jì)適用的防火耐熱混凝土引起人們的重視。

混凝土在火災(zāi)中受損程度的影響因素

通過分析普通混凝土受熱作用機(jī)理,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、膠凝材料和集料的組成、水分含量及火作用的持續(xù)時(shí)間。

因此,提高混凝土的防火耐熱性,是減少混凝土在火災(zāi)中受損以至坍塌的關(guān)鍵,防火耐熱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。防火耐熱混凝土已成功地由耐火骨料(粗細(xì)骨料)與適量的膠結(jié)料(有時(shí)還有礦物攙合料或有機(jī)攙合料)和水按一定比例配制而成。

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和裂縫以及強(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。

分析普通混凝土受熱作用機(jī)理和混凝土在火災(zāi)中受損程度的影響因素,提出防火耐熱混凝土是經(jīng)濟(jì)有效解決火災(zāi)事故中由于建筑物耐火等級(jí)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。綜述了防火耐熱混凝土的分類,為工程上選擇使用防火耐熱混凝土提供指導(dǎo)依據(jù),并提出研制新型防火耐熱混凝土是今后的研究發(fā)展方向

水泥水化產(chǎn)物受熱作用機(jī)理

在火災(zāi)中普通混凝土的溫度不斷升高,當(dāng)混凝土被加熱到100℃時(shí),毛細(xì)孔并始失去水分;達(dá)到100℃-150℃時(shí),由于水蒸氣蒸發(fā)促進(jìn)熟料逐步水化,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℃和800℃時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度分別約為原來強(qiáng)度的70%和30%;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,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(huì)酥松剝落。同時(shí),高溫改變了鈣礬石的形成機(jī)理,60℃-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)。

水泥石與骨料受熱作用機(jī)理

300℃時(shí),普通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)度降低愈烈。

同時(shí),混凝土表面受火處溫度升高比內(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(huì)引起混凝土開裂和強(qiáng)度下降。

根據(jù)防火耐熱混凝土膠結(jié)料的不同,可分為硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、溶膠類及有機(jī)物結(jié)合防火耐熱混凝土等。下面主要介紹常用的硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽防火耐熱混凝土。

硅酸鹽防火耐熱混凝土

以硅酸鹽系列水泥作膠結(jié)材料,耐熱材料作集料配制成的具有防火耐熱性質(zhì)的混凝土稱為硅酸鹽防火耐熱混凝土。硅酸鹽防火耐熱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,碎黏土磚、黏土、熟料、碎高鋁磚作集料。

硅酸鹽防火耐熱混凝土最高使用溫度可達(dá)到700℃~800℃,其耐熱的主要機(jī)理是硅酸鹽系列水泥熟料的水化產(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)耐熱性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣,使混凝土確有一定的防火耐熱性。如使用高鋁磚、礬土熟料和碎鎂磚及鎂砂作集料配制的防火耐熱混凝土,最高使用溫度可達(dá)1100℃。

鋁酸鹽防火耐熱混凝土

以鋁酸鹽系列水泥作膠結(jié)材料,耐熱材料作集料配制成的具有防火耐熱性質(zhì)的混凝土稱為鋁酸鹽防火耐熱混凝土。鋁酸鹽防火耐熱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。純鋁酸鈣水泥是以工業(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)為主要成分的水硬性膠凝材料。

高鋁水泥發(fā)生一系列水化反應(yīng)使低密度水化產(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,當(dāng)混凝土溫度低于1200℃,水化產(chǎn)物強(qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低,當(dāng)溫度高于1200℃,水化產(chǎn)物開始發(fā)生燒結(jié)并產(chǎn)生陶瓷粘結(jié),強(qiáng)度提高。純鋁酸鈣水泥的水化反應(yīng)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AI2O3,因此當(dāng)溫度高于1200℃,水泥水化產(chǎn)物發(fā)生燒結(jié)產(chǎn)生陶瓷粘結(jié)后,混凝土具有更高的強(qiáng)度和耐火度,其最高使用溫度可達(dá)1600℃以上。

磷酸鹽防火耐熱混凝土

以磷酸鹽作結(jié)合劑,耐熱材料作集料配制成的具有防火耐熱性質(zhì)的混凝土成為磷酸鹽防火耐熱混凝土。磷酸鹽防火耐熱混凝土的凝結(jié)硬化與一般的水泥型防火耐熱混凝土不同,磷酸鹽是作為結(jié)合劑而不是膠結(jié)材料,因?yàn)榱姿猁}在常溫下本身并不具有較凝性,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,將集料粘結(jié)在一起成為“混凝土”而獲得強(qiáng)度。常用的磷酸鋁耐熱混凝土的高溫動(dòng)作極限可達(dá)到1600℃-1700℃。

硫酸鹽防火耐熱混凝土

以硫酸鹽作結(jié)合劑,耐熱材料作集料配制成的具有防火耐熱性質(zhì)的混凝土成為硫酸鹽防火耐熱混凝土。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)合的防火耐熱混凝土強(qiáng)度在高溫下增長較慢。溫度升至近700℃時(shí),強(qiáng)度隨溫度的提高而有提高。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(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。

綜上所述,硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽和硫酸鹽等防火耐熱混凝土以其良好的放熱耐火性能得到廣泛的應(yīng)用。隨著人類社會(huì)的發(fā)展,現(xiàn)有資源越來越少,對(duì)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,所以無水泥防火耐熱混凝土或者超低水泥防火耐熱混凝土將今后耐火混凝土的生產(chǎn)中占據(jù)重要的位置,新的結(jié)合劑也將更多地應(yīng)用于防火耐熱混凝土中。

以硫酸鹽作結(jié)合劑,耐熱材料作集料配制成的具有防火耐熱性質(zhì)的混凝土成為硫酸鹽防火耐熱混凝土。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)合的防火耐熱混凝土強(qiáng)度在高溫下增長較慢。溫度升至近700℃時(shí),強(qiáng)度隨溫度的提高而有提高。

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(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。在火災(zāi)中普通混凝土的溫度不斷升高,當(dāng)混凝土被加熱到100℃時(shí),毛細(xì)孔并始失去水分;達(dá)到100℃-150℃時(shí),由于水蒸氣蒸發(fā)促進(jìn)熟料逐步水化,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2100433B