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耐火混凝土的研究进展

日期:2016-3-11 14:31:36 来源:转载 浏览数:
 
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    0· 前言
    随着经济的迅速腾飞,在日常的生产生活中,用水量和用电量明显的增多,由此引发火灾事故的因素也在逐步提升,耐火等级较低是火灾中发生建筑物倒塌的主要原因之一。其中最为典型的就是2001 年震惊世界的“9.11”事件,由于飞机撞击纽约世贸中心引发了大火,钢筋在高温下融化,最终导致了世贸中心的倒塌,并造成了众多人员的伤亡。
    近年来,随着越来越多的新工艺、新材料、新技术在建筑领域中的应用越来越广泛,建筑物的构件的性能也变得更加复杂,由于混凝土卓越的性能和低廉的价格使其成为工程中不可或缺的主要材料。当代的建筑物最大难题就是解决建筑物的耐火等级问题,因此使用耐火混凝土成为解决此类问题的首选。
    如今,耐火混凝土已普遍应用于化工、冶金、建材等重要工业领域。所以对耐火混凝土进行细致的分门别类也可为其在日常生活中的应用起到指导作用,更可以为耐火混凝土日后的研究进程打下铺垫。
    1·耐火混凝土的定义
    耐火混凝土[1]是指工作于900~ 1600 C o的温度下并保持其物理力学性能( 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。耐火混凝土的组成主要包括耐热骨料、胶凝材料、特殊外加剂以及水。耐热骨料主要是碎黏土砖、黏土熟料、矾土熟料、碎高铝耐火砖等;细骨料有镁砂、含Al2O3 较高的粉煤灰碎高铝砖、碎镁质耐火砖、镁砂、刚玉砂等,起骨架作用。胶凝材料主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥高铝水泥、低钙铝酸盐水泥,起凝结作用。特殊的外加剂常用的就是减水剂,可以减少拌合混凝土时的用水量。
    2· 普通混凝土的受热作用机理
    在高温作用下普通混凝土的退化包括质量降低和大量的裂缝与孔的形成以及抗压强度和弹性模量的下降,退化的直接影响就是会造成普通混凝土出现大面积裂缝乃至坍塌。混凝土高温破坏是由很多因素共同作用造成的。
    2.1 水泥水化产物受热作用机理[2]
    混凝土的温度在火灾中不断升高,当普通混凝土的温度达到100 ℃ 时,毛细孔中的水分就会蒸发失去;达到100-150 ℃ 时,水蒸气的蒸发会使得水泥开始逐步水化,这时混凝土的抗压强度会变大;200-300 ℃ 时,水泥水化产物-水化硅酸钙凝体开始脱水造成混凝土组织硬化;超过300 ℃ 时,由于脱水加剧,混凝土开始逐步收缩,并开始出现裂纹,抗压强度也会逐步下降;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 ℃ 时混凝上中的碳酸钙分解,这时结晶水、游离水及水化物的脱水过程基木结束,混凝土强度几近丧失。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,水泥层会酝松剥落。同时,钙矾石机理的形成也因高温而发生了改变,在600-800 ℃ 时,钙矾石的水解过程也开始发生,混凝土内部粗大的孔结构就此形成。
                 
                 
    2.2 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,随着温度的不断升高,水泥收缩和骨料膨胀也不断加剧,两者的结合部发生破坏,水泥骨架破裂成块状;温度达到500 C o后,骨料中的石英晶体的晶型开始发生改变,体积开始膨胀,最开始生成的不连贯裂缝迅速扩展起来并开始逐步连接起来,最后形成大裂缝;水泥石受拉,骨料受压,由此内裂缝的发展开始加剧,这就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。
    2.3 混凝土在火灾中受损程度的影响因素
    经过大量的研究表明,混凝上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,提高混凝上的耐火性,是减少混凝上在火灾中受损以至坍塌的关键,耐火混凝上是一种能长期承受高温作用(200 ℃ 以上),并在高温下保持必要的物理力学性能(如高温下较小的收缩、荷重软化点、有较高的耐火度以及热稳定性等)的特种混凝上。该混凝土己成功地由耐火骨料(粗细骨料)与适量的耐火胶结材料(有时还有有机掺合料或矿物掺合料)和水按一定比例配制而成。
    2· 耐火混凝土的分类
    目前耐火混凝土主要是根据胶结材料的不同进行分类可分为矾士水泥耐火混凝土、矿渣硅酸盐耐火混凝土、磷酸耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、镁质水泥耐火混凝土、硅酸盐水泥耐火混凝土、低质钙铝酸盐水泥耐火混凝土、轻质耐火混凝土。
    目前广泛应用的是水玻璃耐火混凝土、磷酸耐火混凝土和矾士水泥耐火混凝土。现将它们的组成料材及使用温度列于表1中。
    3· 耐火混凝土的研究进展
    3.1 新型耐火胶结材料
    新型胶结料的问世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SiO2 )及各种无机和有机添加剂,后者主要对浇筑料混合物的工艺性能和流变学性能的进行调控。耐火混凝土配料中的这些高分散性组分的功能不仅能够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叹800-1 000 ℃ )的强度有所提高,以及保证材料形成细的毛细管。
    3.2 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[3]根据工程的实际需要,采用了花岗岩碎石和矿渣硅酸盐水泥,研制了的耐火混凝土耐火度达到300-500 ℃ ,各项性能指标也都全部满足了设计要求。以粘土陶粒、天然轻骨料、人造轻骨料页岩陶粒、工业废渣轻骨料、膨胀珍珠岩等取代普通骨料制成的轻质混凝土,具有质量小、耐高温、保持温度、隔绝外部热量等优良性能。这是因为孔隙率越大的轻质混凝土,其热传导速率就越低。王铭[4]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,值得进行下一步的大力推广。
    4· 配合比设计和强度的影响因素
    耐火混凝土的配合比设计主要需注意四点。一、降低水灰比,减少用水量。二、减少胶结材料和水泥用量。三、集料要选择适当的级配使得混凝土密度达到最大。四、适当的掺合材料,提高混凝土的耐火性。
    水泥用量的不同对混凝土的强度有影响,在110 ℃ 水泥用量越大强度越高,但超过110 ℃ 的高温冷却强度与110 ℃ 时相比,温度越高水泥用量大的强度下降百分比较之水泥用量晓得下降百分比要大。水泥用量越大则残余收缩增大,特别是在1450 ℃ 增大的特别明显。
    水灰比从0.4~0.7 每增加0.1 则每天抗压强度降低36~55%,28 天抗压强度降低20~45%。现在一般取水灰比为0.4~0.5左右。
    骨料的分级和配比,一种是配以铝酸盐水泥的矾土骨料,另一种是连续分级。矾土熟料细粉掺合料的用量为水泥用量的0.5~1.5倍。水泥用量为15%时,细粉用量则为10~15%,细粉选用4900孔筛,筛余量不大于30%。
    5· 耐火混凝土的残余强度
    不同温度下陶砂陶粒耐火混凝土(PS)普砂陶粒耐火混凝土(TS)耐火砖耐火混凝土(NHZ)普通耐火混凝土(PT)的烧后抗压强度和抗压强度如图1。a- 烧后抗压强度;b-烧后残余强度
    1)在300 ℃ 以下,其抗压强度降低较快,400-1000 ℃ ,它们随温度升高强度变化不大,其中普通混凝土最差,陶砂陶粒耐火混凝土次之,耐火砖耐火混凝土烧后抗压强度最好。
    2)对于陶砂陶粒耐火混凝土、普砂陶粒耐火混凝土、耐火砖耐火混凝土这三种混凝土,它们的残余强度与烧后抗压强度两者相差不大,说明这三种混凝土在烧后存放一段时间后,它们的结构并没有发生明显的破坏,而普通硅酸盐水泥和普通耐火混凝土在600 ℃ 后结构已发生明显的不可逆转的破坏。
                       
    展望
    随着人类历史进程的不断发展,现有可用资源相对而言越来越少,对如何能够合理利用资源,降低单位产品能耗及对生态环境的影响的要求也将愈来愈高,所以不管是超低水泥耐火混凝土或者无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。

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