随着经济的飞速发展,日常生产、生活中用火、用电明显增多,引发火灾事故的因素也骤增,火灾事故特别是重特大火灾事故,给社会造成了巨大财产损失和人员伤亡。据调查,2001年震惊世界的“9·11”事件就是因为飞机撞击后引起的大火熔化了支承钢结构,造成了纽约世贸中心倒塌。在爆炸现场救火的300多名消防人员及警察因建筑倒塌而丧生。2003年11月3日凌晨,我国某市的衡州大厦一楼仓库发生火灾,最终引发楼房坍塌,20名消防队员壮烈牺牲,11名消防队员光荣负伤,96户居民受灾。事故中消防官兵伤亡创新中国纪录!究其原因,耐火等级较低的建筑材料是建筑物在火灾中发生倒塌主要原因之一。

可以说,如何经济有效地解决建筑物耐火问题,在火灾和不安全因素迅速增加的今天显得具有重大的意义。近年来随着一些新材料、新工艺、新技术在建筑领域中的广泛应用,建筑构件的性能也变得越来越复杂,而混凝土以其优越的性能和低廉的价格仍为大量建筑工程必不可少的材料。因此具有一定耐火能力、经济适用的防火耐热混凝土引起人们的重视。

混凝土在火灾中受损程度的影响因素

通过分析普通混凝土受热作用机理,各国研究表明,混凝土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、胶凝材料和集料的组成、水分含量及火作用的持续时间。

因此,提高混凝土的防火耐热性,是减少混凝土在火灾中受损以至坍塌的关键,防火耐热混凝土是一种能长期承受高温作用(200℃以上),并在高温下保持所需要的物理力学性能(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。防火耐热混凝土已成功地由耐火骨料(粗细骨料)与适量的胶结料(有时还有矿物搀合料或有机搀合料)和水按一定比例配制而成。

普通混凝土受热作用机理

大量研究表明,普通混凝土在高温受热下的退化包括质量减少和形成大量的孔和裂缝以及强度和弹性模量的下降,退化的结果造成普通混凝土出现大面积裂缝以至坍塌。普通混凝土受热作用机理包括水泥水化产物受热作用机理和水泥水化产物与骨料之间受热相互作用机理。

分析普通混凝土受热作用机理和混凝土在火灾中受损程度的影响因素,提出防火耐热混凝土是经济有效解决火灾事故中由于建筑物耐火等级低而造成巨大财产损失和人员伤亡问题的有效方法之一。综述了防火耐热混凝土的分类,为工程上选择使用防火耐热混凝土提供指导依据,并提出研制新型防火耐热混凝土是今后的研究发展方向

水泥水化产物受热作用机理

在火灾中普通混凝土的温度不断升高,当混凝土被加热到100℃时,毛细孔并始失去水分;达到100℃-150℃时,由于水蒸气蒸发促进熟料逐步水化,使混凝土抗压强度增加:200℃-300℃时由于水泥水化产物水化硅酸钙凝体开始脱水而导致组织硬化:300℃以上由于脱水加剧,混凝土收缩,开始出现裂纹,强度开始下降,575℃时氢氧化钙脱水,使水泥组织破坏,当温度达到500℃和800℃时,混凝土抗压强度分别约为原来强度的70%和30%;混凝土开始坍塌。900℃时混凝土中的碳酸钙分解,这时游离水、结晶水及水化物的脱水基本结束,强度几乎丧失。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,水泥层会酥松剥落。同时,高温改变了钙矾石的形成机理,60℃-800℃下钙矾石开始水解,混凝土内部形成粗大的孔结构。

水泥石与骨料受热作用机理

300℃时,普通混凝土中的骨料开始膨胀,随着温度的继续升高,水泥收缩和骨料膨胀加剧,两者结合被破坏,水泥骨架破裂成块状;温度达到500℃以上后,骨料中的石英晶体发生晶型转变,体积膨胀,初生的不连贯裂缝迅速扩展并连续起来,形成大裂缝,造成混凝土的宏观破坏;水泥石受拉,骨料受压,由此加剧了内裂缝的开展,这也是强度降低的主要原因。因此,水泥用量愈大,水灰比愈大,强度降低愈烈。

同时,混凝土表面受火处温度升高比内部快得多以及骨料和水泥石之间的热不相容造成的内外温差和应力差也会引起混凝土开裂和强度下降。

根据防火耐热混凝土胶结料的不同,可分为硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、氯化物、溶胶类及有机物结合防火耐热混凝土等。下面主要介绍常用的硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐防火耐热混凝土。

硅酸盐防火耐热混凝土

以硅酸盐系列水泥作胶结材料,耐热材料作集料配制成的具有防火耐热性质的混凝土称为硅酸盐防火耐热混凝土。硅酸盐防火耐热混凝土一般采用矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或水玻璃作为胶结材料,碎黏土砖、黏土、熟料、碎高铝砖作集料。

硅酸盐防火耐热混凝土最高使用温度可达到700℃~800℃,其耐热的主要机理是硅酸盐系列水泥熟料的水化产物氢氧化钙在高温下脱水,生成的氧化钙与矿渣及掺合料中的活性氧化硅和三氧化二铝又反应生成具有较强耐热性的无水硅酸钙和无水铝酸钙,使混凝土确有一定的防火耐热性。如使用高铝砖、矾土熟料和碎镁砖及镁砂作集料配制的防火耐热混凝土,最高使用温度可达1100℃。

铝酸盐防火耐热混凝土

以铝酸盐系列水泥作胶结材料,耐热材料作集料配制成的具有防火耐热性质的混凝土称为铝酸盐防火耐热混凝土。铝酸盐防火耐热混凝土一般采用高铝水泥和纯铝酸钙水泥作为胶结材料。高铝水泥是由石灰和铝矾土按一定比例磨细后,采用烧结法和熔融法制成的一种以铝酸一钙(CA)为主要成分的水硬性胶凝材料。纯铝酸钙水泥是以工业氧化铝和高纯石灰石或方解石为原料,按一定比例混合后,采用烧结法或熔融法制成的以二铝酸一钙(CA2)或铝酸一钙(CA)为主要成分的水硬性胶凝材料。

高铝水泥发生一系列水化反应使低密度水化产物转变成高密度非水化产物,固相摩尔体积缩小,体系结构间隙增大。因此,当混凝土温度低于1200℃,水化产物强度随温度的升高而明显降低,当温度高于1200℃,水化产物开始发生烧结并产生陶瓷粘结,强度提高。纯铝酸钙水泥的水化反应及在加热过程中强度的变化与高铝水泥类似。由于该水泥的化学组成中含有更多的AI2O3,因此当温度高于1200℃,水泥水化产物发生烧结产生陶瓷粘结后,混凝土具有更高的强度和耐火度,其最高使用温度可达1600℃以上。

磷酸盐防火耐热混凝土

以磷酸盐作结合剂,耐热材料作集料配制成的具有防火耐热性质的混凝土成为磷酸盐防火耐热混凝土。磷酸盐防火耐热混凝土的凝结硬化与一般的水泥型防火耐热混凝土不同,磷酸盐是作为结合剂而不是胶结材料,因为磷酸盐在常温下本身并不具有较凝性,而是在加热到一定温度时,一些磷酸盐发生分解~聚合反应,在聚合反应时,新化合物的形成和聚合具有很强的粘附作用,将集料粘结在一起成为“混凝土”而获得强度。常用的磷酸铝耐热混凝土的高温动作极限可达到1600℃-1700℃。

硫酸盐防火耐热混凝土

以硫酸盐作结合剂,耐热材料作集料配制成的具有防火耐热性质的混凝土成为硫酸盐防火耐热混凝土。硫酸盐首先水解成碱式铝盐AL(SO4)3(OH)2,然后生成AL(OH)3,最后逐渐形成氢氧化铝胶体而凝结硬化。硫酸铝结合的防火耐热混凝土强度在高温下增长较慢。温度升至近700℃时,强度随温度的提高而有提高。此时,氢氧化铝胶体大量生成并迅速形成致密的结构。硫酸铝的化学结合水逐步脱水,由于脱水速度缓慢,对结构影响较小。

综上所述,硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐和硫酸盐等防火耐热混凝土以其良好的放热耐火性能得到广泛的应用。随着人类社会的发展,现有资源越来越少,对合理利用资源,降低单位产品能耗及保护环境的要求也将愈来愈高,所以无水泥防火耐热混凝土或者超低水泥防火耐热混凝土将今后耐火混凝土的生产中占据重要的位置,新的结合剂也将更多地应用于防火耐热混凝土中。

以硫酸盐作结合剂,耐热材料作集料配制成的具有防火耐热性质的混凝土成为硫酸盐防火耐热混凝土。硫酸盐首先水解成碱式铝盐AL(SO4)3(OH)2,然后生成AL(OH)3,最后逐渐形成氢氧化铝胶体而凝结硬化。硫酸铝结合的防火耐热混凝土强度在高温下增长较慢。温度升至近700℃时,强度随温度的提高而有提高。

氢氧化铝胶体大量生成并迅速形成致密的结构。硫酸铝的化学结合水逐步脱水,由于脱水速度缓慢,对结构影响较小。在火灾中普通混凝土的温度不断升高,当混凝土被加热到100℃时,毛细孔并始失去水分;达到100℃-150℃时,由于水蒸气蒸发促进熟料逐步水化,使混凝土抗压强度增加:200℃-300℃时由于水泥水化产物水化硅酸钙凝体开始脱水而导致组织硬化2100433B