耐火混凝土的研究進展

張本祿

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

耐火混凝土的研究進展

張本祿

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

對普通混凝土的受熱機理進行了分析介紹，并對耐火混凝土進行了分類，對其前景進行展望。對最近一段時間的工程應用進行簡短介紹，為其整體的發展提供指導依據。

耐火 受熱機理 分類

0 前言

隨著經濟的迅速騰飛，在日常的生產生活中，用水量和用電量明顯的增多，由此引發火災事故的因素也在逐步提升，耐火等級較低是火災中發生建筑物倒塌的主要原因之一。其中最為典型的就是2001年震驚世界的“9.11”事件，由于飛機撞擊紐約世貿中心引發了大火，鋼筋在高溫下融化，最終導致了世貿中心的倒塌，并造成了眾多人員的傷亡。

近年來，隨著越來越多的新工藝、新材料、新技術在建筑領域中的應用越來越廣泛，建筑物的構件的性能也變得更加復雜，由于混凝土卓越的性能和低廉的價格使其成為工程中不可或缺的主要材料。當代的建筑物最大難題就是解決建筑物的耐火等級問題，因此使用耐火混凝土成為解決此類問題的首選。

如今，耐火混凝土已普遍應用于化工、冶金、建材等重要工業領域。所以對耐火混凝土進行細致的分門別類也可為其在日常生活中的應用起到指導作用，更可以為耐火混凝土日后的研究進程打下鋪墊。

1 耐火混凝土的定義

耐火混凝土的組成主要包括耐熱骨料、膠凝材料、特殊外加劑以及水。耐熱骨料主要是碎黏土磚、黏土熟料、礬土熟料、碎高鋁耐火磚等；細骨料有鎂砂、含較高的粉煤灰碎高鋁磚、碎鎂質耐火磚、鎂砂、剛玉砂等，起骨架作用。膠凝材料主要有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥高鋁水泥、低鈣鋁酸鹽水泥，起凝結作用。特殊的外加劑常用的就是減水劑，可以減少拌合混凝土時的用水量。

2 普通混凝土的受熱作用機理

在高溫作用下普通混凝土的退化包括質量降低和大量的裂縫與孔的形成以及抗壓強度和彈性模量的下降，退化的直接影響就是會造成普通混凝土出現大面積裂縫乃至坍塌。混凝土高溫破壞是由很多因素共同作用造成的。

2.1 水泥水化產物受熱作用機理 ][2

混凝土的溫度在火災中不斷升高，當普通混凝土的溫度達到 100Co時，毛細孔中的水分就會蒸發失去；達到 100-150Co時，水蒸氣的蒸發會使得水泥開始逐步水化，這時混凝土的抗壓強度會變大；200-300Co時，水泥水化產物-水化硅酸鈣凝體開始脫水造成混凝土組織硬化；超過 300Co時，由于脫水加劇，混凝土開始逐步收縮，并開始出現裂紋，抗壓強度也會逐步下降；575Co時氫氧化鈣脫水，使水泥組織破壞;當溫度達到 500、800Co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;900Co時混凝上中的碳酸鈣分解，這時結晶水、游離水及水化物的脫水過程基木結束，混凝土強度幾近喪失。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，水泥層會醞松剝落。同時，鈣礬石機理的形成也因高溫而發生了改變，在 600-800Co時，鈣礬石的水解過程也開始發生，混凝土內部粗大的孔結構就此形成。

表1 耐火混凝土組成及使用溫度

磷酸耐火混凝土磷酸礬士熟料高鋁磚200 1400～1500同上 鋯石英粘土熟料、礬士熟料、高鋁磚鋯石英200 1400～1600鎂質耐火混凝土氯化鎂或硫酸鎂溶液方鎂石水泥一、二等冶金鎂砂500輕質耐火混凝土礬士水泥水玻璃硅酸鹽水泥--粘土熟料耐火粘土磚輕質粘土磚陶粒輕質粘土磚100 100 90 800～900 700～800 700～900

2.2 水泥石與骨料受熱作用機理

300Co時，混凝土中的骨料開始膨脹，隨著溫度的不斷升高，水泥收縮和骨料膨脹也不斷加劇，兩者的結合部發生破壞，水泥骨架破裂成塊狀；溫度達到500Co 后，骨料中的石英晶體的晶型開始發生改變，體積開始膨脹，最開始生成的不連貫裂縫迅速擴展起來并開始逐步連接起來，最后形成大裂縫；水泥石受拉，骨料受壓，由此內裂縫的發展開始加劇，這就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。

2.3 混凝土在火災中受損程度的影響因素

經過大量的研究表明，混凝上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，提高混凝上的耐火性，是減少混凝上在火災中受損以至坍塌的關鍵，耐火混凝上是一種能長期承受高溫作用（200Co以上)，并在高溫下保持必要的物理力學性能（如高溫下較小的收縮、荷重軟化點、有較高的耐火度以及熱穩定性等)的特種混凝上。該混凝土己成功地由耐火骨料（粗細骨料)與適量的耐火膠結材料（有時還有有機摻合料或礦物摻合料)和水按一定比例配制而成。

2 耐火混凝土的分類

目前耐火混凝土主要是根據膠結材料的不同進行分類可分為礬士水泥耐火混凝土、礦渣硅酸鹽耐火混凝土、磷酸耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、鎂質水泥耐火混凝土、硅酸鹽水泥耐火混凝土、低質鈣鋁酸鹽水泥耐火混凝土、輕質耐火混凝土。

目前廣泛應用的是水玻璃耐火混凝土、磷酸耐火混凝土和礬士水泥耐火混凝土。現將它們的組成料材及使用溫度列于表1中。

3 耐火混凝土的研究進展

3.1 新型耐火膠結材料

新型膠結料的問世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 2SiO ）及各種無機和有機添加劑，后者主要對澆筑料混合物的工藝性能和流變學性能的進行調控。耐火混凝土配料中的這些高分散性組分的功能不僅能夠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嘆800-1 000Co)的強度有所提高，以及保證材料形成細的毛細管。

3.2 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[3]根據工程的實際需要，采用了花崗巖碎石和礦渣硅酸鹽水泥，研制了的耐火混凝土耐火度達到300-500Co，各項性能指標也都全部滿足了設計要求。以粘土陶粒、天然輕骨料、人造輕骨料頁巖陶粒、工業廢渣輕骨料、膨脹珍珠巖等取代普通骨料制成的輕質混凝土，具有質量小、耐高溫、保持溫度、隔絕外部熱量等優良性能。這是因為孔隙率越大的輕質混凝土，其熱傳導速率就越低。王銘[4]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，值得進行下一步的大力推廣。

4 配合比設計和強度的影響因素

耐火混凝土的配合比設計主要需注意四點。一、降低水灰比，減少用水量。二、減少膠結材料和水泥用量。三、集料要選擇適當的級配使得混凝土密度達到最大。四、適當的摻合材料，提高混凝土的耐火性。

水泥用量的不同對混凝土的強度有影響，在 110Co水泥用量越大強度越高，但超過110Co的高溫冷卻強度與110Co時相比，溫度越高水泥用量大的強度下降百分比較之水泥用量曉得下降百分比要大。水泥用量越大則殘余收縮增大，特別是在1450Co增大的特別明顯。

水灰比從0.4～0.7每增加0.1則每天抗壓強度降低36～55%，28天抗壓強度降低20～45%。現在一般取水灰比為0.4～0.5左右。

骨料的分級和配比，一種是配以鋁酸鹽水泥的礬土骨料，另一種是連續分級。礬土熟料細粉摻合料的用量為水泥用量的0.5～1.5倍。水泥用量為15%時，細粉用量則為10～15%，細粉選用4900孔篩，篩余量不大于30%。

5 耐火混凝土的殘余強度

不同溫度下陶砂陶粒耐火混凝土（PS）普砂陶粒耐火混凝土(TS）耐火磚耐火混凝土（NHZ）普通耐火混凝土（PT）的燒后抗壓強度和抗壓強度如圖1。

1)在300Co以下，其抗壓強度降低較快，400-1000Co，它們隨溫度升高強度變化不大，其中普通混凝土最差，陶砂陶粒耐火混凝土次之，耐火磚耐火混凝土燒后抗壓強度最好。

2)對于陶砂陶粒耐火混凝土、普砂陶粒耐火混凝土、耐火磚耐火混凝土這三種混凝土，它們的殘余強度與燒后抗壓強度兩者相差不大，說明這三種混凝土在燒后存放一段時間后，它們的結構并沒有發生明顯的破壞，而普通硅酸鹽水泥和普通耐火混凝土在600Co后結構已發生明顯的不可逆轉的破壞。

圖1 混凝土燒后強度展望

隨著人類歷史進程的不斷發展，現有可用資源相對而言越來越少，對如何能夠合理利用資源，降低單位產品能耗及對生態環境的影響的要求也將愈來愈高，所以不管是超低水泥耐火混凝土或者無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。

[1]梁乃興。路面材料科學。重慶：重慶交通學院。2001

[2]潘麗莎。耐火混凝土的研究進展。海口。海南大學。2007.

[3]李寶珠，劉介元.耐熱混凝土骨料的選擇[J].遼寧科技學院學報，2006, 8 (3)∶21- 22.

[4]王銘.粉煤灰加氣混凝土砌塊的耐火性能研究[J].房材和應用1998,6∶3-6.

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1007-6344（2015）03-0336-02