耐熱混凝土概述

黃圣嫵（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

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耐熱混凝土概述

黃圣嫵
（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

【摘要】伴隨著工業的快速發展和進步，特殊性能的混凝土有了與其對應的應用場合及要求。發展及改良各種滿足不同工業需求的特種混凝土成了混凝土行業的一個必然趨勢。本文通過對耐熱混凝土的耐熱機理、組成材料、配合比設計以及耐熱混凝土發展現狀的研究，探討如何經濟有效地解決建筑物耐火、耐熱等問題。

【關鍵字】耐熱混凝土；耐熱機理；組成材料；配合比

伴隨著工業的快速發展和進步，特殊性能的混凝土有了與其對應的應用場合及要求[1]。發展及改良各種滿足不同工業需求的特種混凝土成了混凝土行業的一個必然趨勢。

近些年來，火災事故頻發，如何經濟有效地解決建筑物耐火、耐熱等問題，顯得具有重大的現實意義。這些年來雖然不少的新材料、新工藝、新技術在建筑領域中得到廣泛的應用，但是混凝土依然憑借著其優越的性能、低廉的價格在大量基礎設施建設的眾多材料中成為首選材料。使用具有耐熱、耐火性能的混凝土更是能夠經濟有效解決火災事故造成巨大財產損失、人員傷亡等問題的有效方法之一[2]。

1　耐熱混凝土的概念

耐熱混凝土是指在200～1300℃高溫長期作用下，其物理性能、力學性能不被破壞，且具有良好的耐急冷急熱性能，在高溫作用下干縮變形小的一種特殊混凝土[3]。

2　耐熱混凝土的耐熱機理

在高溫作用下，混凝土會產生退化[4]，這種退化包括質量減少、形成大量的孔以及裂縫、強度及彈性模量的下降，混凝土的這種退化會造成混凝土出現大面積的裂縫甚至坍塌。退化的主要原因有以下兩點：第一是水泥漿體失水；第二是骨料膨脹和水泥漿體與骨料以及鋼筋的熱膨脹不協調而產生熱梯度，從而導致結構的破壞。

混凝土在高溫下受到破壞是由于多種因素共同作用的結果，這些因素之間的關系非常復雜。根據現有的研究成果，普通混凝土隨著溫度變化一般遵循著以下規律進行：

溫度≤100℃，混凝土內部的自由水逐漸蒸發，在混凝土內部形成許多的毛細裂縫以及孔隙。加載后，縫隙尖端的應力集中，裂縫擴展，促使混凝土的抗壓強度降低。

200℃≤溫度≤300℃，混凝土內部的自由水已經全部蒸發，水泥凝膠水中的結合水開始脫出。膠合作用的加強減弱了縫隙尖端的應力集中，裂縫減小，混凝土強度提高；但是由于粗細骨料和水泥漿體兩者的溫度膨脹系數不相等，應變差的增大使骨料界面形成裂紋，降低了混凝土強度。這些矛盾的因素同時作用，使這一溫度區段的抗壓強度變化復雜。

溫度≤500℃，粗細骨料和水泥漿體的溫度變形差繼續增加，界面裂縫不斷開展以及延伸，而且溫度到達400℃以后，水泥水化生成的氫氧化鈣等物質脫水，體積膨脹，促使裂縫擴大，混凝土的抗壓強度顯著下降。

溫度≤600℃，未進行水化的水泥顆粒以及骨料中的石英成分形成晶體，伴隨著這些物質巨大的膨脹，部分骨料內部開始形成裂縫，混凝土的抗壓強度急劇下降。

3　耐熱混凝土的組成材料

原材料的性質是決定耐熱混凝土性能的首要因素。生產耐熱混凝土的主要原材料有：膠凝材料、骨料、摻和料、混凝土外加劑以及拌合用水。

⑴膠凝材料：根據使用的溫度不同，選擇不同的膠凝材料。①硅酸鹽類，主要有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥以及水玻璃，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達700～800℃，注意的是選擇的水泥不包括用石灰石粉作為混合料的水泥；②鋁酸鹽類，主要有純鋁酸鹽水泥以及高鋁酸鹽水泥兩種，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達1200～1600℃，注意的是選擇的水泥不包括用石灰石粉作為混合料的水泥；③硫酸鹽類，這類膠凝材料有個特點，當溫度達到700℃時，內部生產大量的氫氧化鋁膠體從而迅速形成致密的結構，溫度升高會使強度提高；④礬土類，礬土類膠凝材料配制的耐熱混凝土最高使用溫度可達1730℃；⑤磷酸鹽類，磷酸鹽類膠凝材料在溫度到達一定時，部分的磷酸鹽發生分解-聚合反應，使這種材料具有很強的粘附性，這類膠凝材料配制的混凝土最高使用溫度可達1600～1700℃。

⑵骨料：骨料是影響混凝土耐熱性能的主要因素，要配制出性能好的耐熱混凝土，選擇抗震性能優良的骨料是關鍵。①骨料用量的選擇：骨料用量太大，膠凝材料的用量就會相應減少，從而導致混凝土拌合物的和易性變差，造成混凝土密實性差，孔隙率大，致使混凝土在高溫下容易分層脫落；骨料用量太少，膠凝材料用量相對較大，會導致混凝土的荷重軟化溫度降低，耐熱性能下降。②骨料粒徑的選擇：骨料的粒徑太大，造成混凝土拌合物不易攪拌均勻，骨料的表面積減小，在同等膠凝材料的情況下，拌合物的和易性變差，密實性下降；骨料的粒徑太小，拌合物的工作性較差，需要在水灰比不變的情況下加大膠凝材料的用量才能滿足施工要求，造成混凝土的高溫強度降低幅度大，耐高溫性能變差。③選擇合理級配的骨料：能加大骨料的堆積密度，減少膠凝材料的用量，最大限度地發揮骨料的骨架作用。

⑶摻和料：摻和料在混凝土中的作用是可以替代部分水泥，改善拌合物的工作性，降低混凝土的水化熱，提高混凝土的密實性、耐久性以及強度。耐熱混凝土中選擇使用的摻和料主要有：①粉煤灰；②礦渣超細粉；③二氧化硅微粉。

⑷混凝土外加價：耐熱混凝土一般選擇使用的是復合型外加劑，使用復合型外加劑能改善混凝土拌合物的和易性，減少膠凝材料的用量，提高混凝土強度及耐久性。

⑸拌合用水：選擇一般的自來水。

表1　骨料的技術要求

4　耐熱混凝土的配合比

耐熱混凝土的配合比既要滿足耐熱性能的要求，同時還需滿足施工的和易性以及強度等要求。根據配制耐熱混凝土各種原材料的性質，耐熱混凝土配合比設計的基本原則[17]為：①盡量減少膠凝材料的用量；②盡量減少單位用水量；③盡可能使用礦物摻和料；④合理的骨料級配以及砂率。

⑴膠凝材料用量：膠凝材料的用量一般控制在混凝土總重量的10%～20%，在對荷重軟化點、耐熱性能要求比較高，常溫強度要求不高的情況下，可適當降低膠凝材料的用量，一般可控制在10%～15%。

⑵水灰比：水灰比對混凝土的強度以及殘余變形影響很大，在滿足施工要求的前提下，適當減少單位用水量，降低水灰比，可以提高耐熱混凝土的性能。

⑶摻和料用量：摻和料可以減少膠凝材料用量，改善混凝土的耐高溫性能，同時提高和易性。耐熱混凝土的摻和料用量可在水泥用量的30%～100%。

⑷骨料級配及砂率：骨料級配滿足要求（表1），細骨料用量占總骨料用量的40%～50%。

5　耐熱混凝土的研究發展過程及研究使用現狀

⑴耐熱混凝土的研究發展過程

在我國，上世紀20年代，冶金部建筑科學研究院已經進行了混凝土在高溫下的性能變化研究，并且調研和分析了高溫對廠房結構以及煙囪的影響；到了上世紀80年代，同濟大學、清華大學等高校及相關科研單位對建筑材料的熱工性能、建筑構件以及結構的耐火性進行了一系列的試驗以及理論分析，部分成果達到國際先進水平，推進了我國在火災科學研究中的發展。清華大學的過鎮海、王傳志開展了高溫下混凝土性能的研究、水中和教授與潘智生教授共同進行了混凝土高溫下力學性能的系統研究，這些研究都取得比較好的成果，為火災混凝土的評估提供了重要的資料；目前，國際火災重點實驗室擁有大型的燃燒風洞、大空間模擬實驗廳以及多種高技術設備，成為了中國火災科學研究的重要基地。

⑵耐熱混凝土的研究使用現狀

①新型膠凝材料的開發給耐熱混凝土帶來了創新性變化，耐熱混凝土配料組成中的高分散組分的功能既能保證混凝土的初始強度和密度，還能使混凝土在800～1000℃的溫度下強度有所提高，同時還可以保證材料形成細小的毛細管。楊笛[22]在礬土水泥、水玻璃中加入新型耐火粘結材料，研制出一種耐火度可達到1700℃左右的新型鍋爐用耐火混凝土。它不僅具有凝結速度快、強度增長快、便于施工等良好的可操作性能，還具有耐火度高、高溫使用性能良好等優點；

②使用新型的骨料。李寶珠[23]根據工程需要，利用花崗巖碎石、礦渣硅酸鹽水泥，配制了耐熱度達300～500℃的耐熱混凝土。利用浮石、凝灰巖等等的天然輕骨料、爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等的工業廢渣輕骨料以及頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等的人造輕骨料代替普通骨料配制的輕質混凝土，具有輕質、耐熱、等優良性能。王镕]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。

③添加復合型外加劑。謝海棠通過添加復合外加劑的方法，配制出輕質耐熱混凝土，這項研究填補了目前我國超輕耐熱混凝土在高溫下其強度低下的空白。

【參考文獻】

[1]尚建麗,王爭軍,黨義東.彩色耐熱混凝土的試驗研究[J].混凝土，2009，(2)：120-122.

[2]錢波，潘莉莎.耐火混凝土的研究進展[J].混凝土，2007，(5)：27-29.

[3]雍本.特殊混凝土施工手冊[M].北京：中國建材工業出版社，2005.

[4]錢波，潘莉莎.防火耐熱混凝土的分類[J].TU545，2006: 94-95.