介紹
隨著經濟的飛速發展,日常生產、生活中用火、用電明顯增多,引發火災事故的因素也驟增,火災事故特別是重特大火災事故,給社會造成了巨大財產損失和人員傷亡。據調查,2001年震驚世界的“9·11”事件就是因為飛機撞擊後引起的大火熔化了支承鋼結構,造成了紐約世貿中心倒塌。在爆炸現場救火的300多名消防人員及警察因建築倒塌而喪生。2003年11月3日凌晨,我國某市的衡州大廈一樓倉庫發生火災,最終引發樓房坍塌,20名消防隊員壯烈犧牲,11名消防隊員光榮負傷,96戶居民受災。事故中消防官兵傷亡創新中國紀錄!究其原因,耐火等級較低的建築材料是建築物在火災中發生倒塌主要原因之一。
可以說,如何經濟有效地解決建築物耐火問題,在火災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、新技術在建築領域中的廣泛套用,建築構件的性能也變得越來越複雜,而混凝土以其優越的性能和低廉的價格仍為大量建築工程必不可少的材料。因此具有一定耐火能力、經濟適用的防火耐熱混凝土引起人們的重視。
受熱作用機理
普通混凝土受熱作用機理
大量研究表明,普通混凝土在高溫受熱下的退化包括質量減少和形成大量的孔和裂縫以及強度和彈性模量的下降,退化的結果造成普通混凝土出現大面積裂縫以至坍塌。普通混凝土受熱作用機理包括水泥水化產物受熱作用機理和水泥水化產物與骨料之間受熱相互作用機理。
分析普通混凝土受熱作用機理和混凝土在火災中受損程度的影響因素,提出防火耐熱混凝土是經濟有效解決火災事故中由於建築物耐火等級低而造成巨大財產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依據,並提出研製新型防火耐熱混凝土是今後的研究發展方向
水泥水化產物受熱作用機理
在火災中普通混凝土的溫度不斷升高,當混凝土被加熱到100℃時,毛細孔並始失去水分;達到100℃-150℃時,由於水蒸氣蒸發促進熟料逐步水化,使混凝土抗壓強度增加:200℃-300℃時由於水泥水化產物水化矽酸鈣凝體開始脫水而導致組織硬化:300℃以上由於脫水加劇,混凝土收縮,開始出現裂紋,強度開始下降,575℃時氫氧化鈣脫水,使水泥組織破壞,當溫度達到500℃和800℃時,混凝土抗壓強度分別約為原來強度的70%和30%;混凝土開始坍塌。900℃時混凝土中的碳酸鈣分解,這時游離水、結晶水及水化物的脫水基本結束,強度幾乎喪失。由於氫氧化鈣的脫水,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後吸收空氣中的水分,氧化鈣再次水化,體積膨脹,水泥層會酥鬆剝落。同時,高溫改變了鈣礬石的形成機理,60℃-800℃下鈣礬石開始水解,混凝土內部形成粗大的孔結構。
水泥石與骨料受熱作用機理
300℃時,普通混凝土中的骨料開始膨脹,隨著溫度的繼續升高,水泥收縮和骨料膨脹加劇,兩者結合被破壞,水泥骨架破裂成塊狀;溫度達到500℃以上後,骨料中的石英晶體發生晶型轉變,體積膨脹,初生的不連貫裂縫迅速擴展並連續起來,形成大裂縫,造成混凝土的巨觀破壞;水泥石受拉,骨料受壓,由此加劇了內裂縫的開展,這也是強度降低的主要原因。因此,水泥用量愈大,水灰比愈大,強度降低愈烈。
同時,混凝土表面受火處溫度升高比內部快得多以及骨料和水泥石之間的熱不相容造成的內外溫差和應力差也會引起混凝土開裂和強度下降。
影響因素
混凝土在火災中受損程度的影響因素
通過分析普通混凝土受熱作用機理,各國研究表明,混凝土在火災中受損的嚴重程度取決於以下六個因素: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時間。
因此,提高混凝土的防火耐熱性,是減少混凝土在火災中受損以至坍塌的關鍵,防火耐熱混凝土是一種能長期承受高溫作用(200℃以上),並在高溫下保持所需要的物理力學性能(如有較高的耐火度、熱穩定性、荷重軟化點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(粗細骨料)與適量的膠結料(有時還有礦物攙合料或有機攙合料)和水按一定比例配製而成。
分類
根據防火耐熱混凝土膠結料的不同,可分為矽酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、溶膠類及有機物結合防火耐熱混凝土等。下面主要介紹常用的矽酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽防火耐熱混凝土。
矽酸鹽防火耐熱混凝土
以矽酸鹽系列水泥作膠結材料,耐熱材料作集料配製成的具有防火耐熱性質的混凝土稱為矽酸鹽防火耐熱混凝土。矽酸鹽防火耐熱混凝土一般採用礦渣矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥或水玻璃作為膠結材料,碎黏土磚、黏土、熟料、碎高鋁磚作集料。
矽酸鹽防火耐熱混凝土最高使用溫度可達到700℃~800℃,其耐熱的主要機理是矽酸鹽系列水泥熟料的水化產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矽和三氧化二鋁又反應生成具有較強耐熱性的無水矽酸鈣和無水鋁酸鈣,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製的防火耐熱混凝土,最高使用溫度可達1100℃。
鋁酸鹽防火耐熱混凝土
以鋁酸鹽系列水泥作膠結材料,耐熱材料作集料配製成的具有防火耐熱性質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採用高鋁水泥和純鋁酸鈣水泥作為膠結材料。高鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細後,採用燒結法和熔融法製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氧化鋁和高純石灰石或方解石為原料,按一定比例混合後,採用燒結法或熔融法製成的以二鋁酸一鈣(CA2)或鋁酸一鈣(CA)為主要成分的水硬性膠凝材料。
高鋁水泥發生一系列水化反應使低密度水化產物轉變成高密度非水化產物,固相摩爾體積縮小,體系結構間隙增大。因此,當混凝土溫度低於1200℃,水化產物強度隨溫度的升高而明顯降低,當溫度高於1200℃,水化產物開始發生燒結並產生陶瓷粘結,強度提高。純鋁酸鈣水泥的水化反應及在加熱過程中強度的變化與高鋁水泥類似。由於該水泥的化學組成中含有更多的AI2O3,因此當溫度高於1200℃,水泥水化產物發生燒結產生陶瓷粘結後,混凝土具有更高的強度和耐火度,其最高使用溫度可達1600℃以上。
磷酸鹽防火耐熱混凝土
以磷酸鹽作結合劑,耐熱材料作集料配製成的具有防火耐熱性質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,磷酸鹽是作為結合劑而不是膠結材料,因為磷酸鹽在常溫下本身並不具有較凝性,而是在加熱到一定溫度時,一些磷酸鹽發生分解~聚合反應,在聚合反應時,新化合物的形成和聚合具有很強的粘附作用,將集料粘結在一起成為“混凝土”而獲得強度。常用的磷酸鋁耐熱混凝土的高溫動作極限可達到1600℃-1700℃。
硫酸鹽防火耐熱混凝土
以硫酸鹽作結合劑,耐熱材料作集料配製成的具有防火耐熱性質的混凝土成為硫酸鹽防火耐熱混凝土。硫酸鹽首先水解成鹼式鋁鹽AL(SO4)3(OH)2,然後生成AL(OH)3,最後逐漸形成氫氧化鋁膠體而凝結硬化。硫酸鋁結合的防火耐熱混凝土強度在高溫下增長較慢。溫度升至近700℃時,強度隨溫度的提高而有提高。此時,氫氧化鋁膠體大量生成並迅速形成緻密的結構。硫酸鋁的化學結合水逐步脫水,由於脫水速度緩慢,對結構影響較小。
展望
綜上所述,矽酸鹽、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套用。隨著人類社會的發展,現有資源越來越少,對合理利用資源,降低單位產品能耗及保護環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後耐火混凝土的生產中占據重要的位置,新的結合劑也將更多地套用於防火耐熱混凝土中。
