耐热混凝土概述

黄圣妩（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）



耐热混凝土概述

黄圣妩
（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）

【摘要】伴随着工业的快速发展和进步，特殊性能的混凝土有了与其对应的应用场合及要求。发展及改良各种满足不同工业需求的特种混凝土成了混凝土行业的一个必然趋势。本文通过对耐热混凝土的耐热机理、组成材料、配合比设计以及耐热混凝土发展现状的研究，探讨如何经济有效地解决建筑物耐火、耐热等问题。

【关键字】耐热混凝土；耐热机理；组成材料；配合比

伴随着工业的快速发展和进步，特殊性能的混凝土有了与其对应的应用场合及要求[1]。发展及改良各种满足不同工业需求的特种混凝土成了混凝土行业的一个必然趋势。

近些年来，火灾事故频发，如何经济有效地解决建筑物耐火、耐热等问题，显得具有重大的现实意义。这些年来虽然不少的新材料、新工艺、新技术在建筑领域中得到广泛的应用，但是混凝土依然凭借着其优越的性能、低廉的价格在大量基础设施建设的众多材料中成为首选材料。使用具有耐热、耐火性能的混凝土更是能够经济有效解决火灾事故造成巨大财产损失、人员伤亡等问题的有效方法之一[2]。

1　耐热混凝土的概念

耐热混凝土是指在200～1300℃高温长期作用下，其物理性能、力学性能不被破坏，且具有良好的耐急冷急热性能，在高温作用下干缩变形小的一种特殊混凝土[3]。

2　耐热混凝土的耐热机理

在高温作用下，混凝土会产生退化[4]，这种退化包括质量减少、形成大量的孔以及裂缝、强度及弹性模量的下降，混凝土的这种退化会造成混凝土出现大面积的裂缝甚至坍塌。退化的主要原因有以下两点：第一是水泥浆体失水；第二是骨料膨胀和水泥浆体与骨料以及钢筋的热膨胀不协调而产生热梯度，从而导致结构的破坏。

混凝土在高温下受到破坏是由于多种因素共同作用的结果，这些因素之间的关系非常复杂。根据现有的研究成果，普通混凝土随着温度变化一般遵循着以下规律进行：

温度≤100℃，混凝土内部的自由水逐渐蒸发，在混凝土内部形成许多的毛细裂缝以及孔隙。加载后，缝隙尖端的应力集中，裂缝扩展，促使混凝土的抗压强度降低。

200℃≤温度≤300℃，混凝土内部的自由水已经全部蒸发，水泥凝胶水中的结合水开始脱出。胶合作用的加强减弱了缝隙尖端的应力集中，裂缝减小，混凝土强度提高；但是由于粗细骨料和水泥浆体两者的温度膨胀系数不相等，应变差的增大使骨料界面形成裂纹，降低了混凝土强度。这些矛盾的因素同时作用，使这一温度区段的抗压强度变化复杂。

温度≤500℃，粗细骨料和水泥浆体的温度变形差继续增加，界面裂缝不断开展以及延伸，而且温度到达400℃以后，水泥水化生成的氢氧化钙等物质脱水，体积膨胀，促使裂缝扩大，混凝土的抗压强度显著下降。

温度≤600℃，未进行水化的水泥颗粒以及骨料中的石英成分形成晶体，伴随着这些物质巨大的膨胀，部分骨料内部开始形成裂缝，混凝土的抗压强度急剧下降。

3　耐热混凝土的组成材料

原材料的性质是决定耐热混凝土性能的首要因素。生产耐热混凝土的主要原材料有：胶凝材料、骨料、掺和料、混凝土外加剂以及拌合用水。

⑴胶凝材料：根据使用的温度不同，选择不同的胶凝材料。①硅酸盐类，主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥以及水玻璃，这类胶凝材料配制的混凝土最高使用温度可达700～800℃，注意的是选择的水泥不包括用石灰石粉作为混合料的水泥；②铝酸盐类，主要有纯铝酸盐水泥以及高铝酸盐水泥两种，这类胶凝材料配制的混凝土最高使用温度可达1200～1600℃，注意的是选择的水泥不包括用石灰石粉作为混合料的水泥；③硫酸盐类，这类胶凝材料有个特点，当温度达到700℃时，内部生产大量的氢氧化铝胶体从而迅速形成致密的结构，温度升高会使强度提高；④矾土类，矾土类胶凝材料配制的耐热混凝土最高使用温度可达1730℃；⑤磷酸盐类，磷酸盐类胶凝材料在温度到达一定时，部分的磷酸盐发生分解-聚合反应，使这种材料具有很强的粘附性，这类胶凝材料配制的混凝土最高使用温度可达1600～1700℃。

⑵骨料：骨料是影响混凝土耐热性能的主要因素，要配制出性能好的耐热混凝土，选择抗震性能优良的骨料是关键。①骨料用量的选择：骨料用量太大，胶凝材料的用量就会相应减少，从而导致混凝土拌合物的和易性变差，造成混凝土密实性差，孔隙率大，致使混凝土在高温下容易分层脱落；骨料用量太少，胶凝材料用量相对较大，会导致混凝土的荷重软化温度降低，耐热性能下降。②骨料粒径的选择：骨料的粒径太大，造成混凝土拌合物不易搅拌均匀，骨料的表面积减小，在同等胶凝材料的情况下，拌合物的和易性变差，密实性下降；骨料的粒径太小，拌合物的工作性较差，需要在水灰比不变的情况下加大胶凝材料的用量才能满足施工要求，造成混凝土的高温强度降低幅度大，耐高温性能变差。③选择合理级配的骨料：能加大骨料的堆积密度，减少胶凝材料的用量，最大限度地发挥骨料的骨架作用。

⑶掺和料：掺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，降低混凝土的水化热，提高混凝土的密实性、耐久性以及强度。耐热混凝土中选择使用的掺和料主要有：①粉煤灰；②矿渣超细粉；③二氧化硅微粉。

⑷混凝土外加价：耐热混凝土一般选择使用的是复合型外加剂，使用复合型外加剂能改善混凝土拌合物的和易性，减少胶凝材料的用量，提高混凝土强度及耐久性。

⑸拌合用水：选择一般的自来水。

表1　骨料的技术要求

4　耐热混凝土的配合比

耐热混凝土的配合比既要满足耐热性能的要求，同时还需满足施工的和易性以及强度等要求。根据配制耐热混凝土各种原材料的性质，耐热混凝土配合比设计的基本原则[17]为：①尽量减少胶凝材料的用量；②尽量减少单位用水量；③尽可能使用矿物掺和料；④合理的骨料级配以及砂率。

⑴胶凝材料用量：胶凝材料的用量一般控制在混凝土总重量的10%～20%，在对荷重软化点、耐热性能要求比较高，常温强度要求不高的情况下，可适当降低胶凝材料的用量，一般可控制在10%～15%。

⑵水灰比：水灰比对混凝土的强度以及残余变形影响很大，在满足施工要求的前提下，适当减少单位用水量，降低水灰比，可以提高耐热混凝土的性能。

⑶掺和料用量：掺和料可以减少胶凝材料用量，改善混凝土的耐高温性能，同时提高和易性。耐热混凝土的掺和料用量可在水泥用量的30%～100%。

⑷骨料级配及砂率：骨料级配满足要求（表1），细骨料用量占总骨料用量的40%～50%。

5　耐热混凝土的研究发展过程及研究使用现状

⑴耐热混凝土的研究发展过程

在我国，上世纪20年代，冶金部建筑科学研究院已经进行了混凝土在高温下的性能变化研究，并且调研和分析了高温对厂房结构以及烟囱的影响；到了上世纪80年代，同济大学、清华大学等高校及相关科研单位对建筑材料的热工性能、建筑构件以及结构的耐火性进行了一系列的试验以及理论分析，部分成果达到国际先进水平，推进了我国在火灾科学研究中的发展。清华大学的过镇海、王传志开展了高温下混凝土性能的研究、水中和教授与潘智生教授共同进行了混凝土高温下力学性能的系统研究，这些研究都取得比较好的成果，为火灾混凝土的评估提供了重要的资料；目前，国际火灾重点实验室拥有大型的燃烧风洞、大空间模拟实验厅以及多种高技术设备，成为了中国火灾科学研究的重要基地。

⑵耐热混凝土的研究使用现状

①新型胶凝材料的开发给耐热混凝土带来了创新性变化，耐热混凝土配料组成中的高分散组分的功能既能保证混凝土的初始强度和密度，还能使混凝土在800～1000℃的温度下强度有所提高，同时还可以保证材料形成细小的毛细管。杨笛[22]在矾土水泥、水玻璃中加入新型耐火粘结材料，研制出一种耐火度可达到1700℃左右的新型锅炉用耐火混凝土。它不仅具有凝结速度快、强度增长快、便于施工等良好的可操作性能，还具有耐火度高、高温使用性能良好等优点；

②使用新型的骨料。李宝珠[23]根据工程需要，利用花岗岩碎石、矿渣硅酸盐水泥，配制了耐热度达300～500℃的耐热混凝土。利用浮石、凝灰岩等等的天然轻骨料、炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等的工业废渣轻骨料以及页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等的人造轻骨料代替普通骨料配制的轻质混凝土，具有轻质、耐热、等优良性能。王镕]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。

③添加复合型外加剂。谢海棠通过添加复合外加剂的方法，配制出轻质耐热混凝土，这项研究填补了目前我国超轻耐热混凝土在高温下其强度低下的空白。

【参考文献】

[1]尚建丽,王争军,党义东.彩色耐热混凝土的试验研究[J].混凝土，2009，(2)：120-122.

[2]钱波，潘莉莎.耐火混凝土的研究进展[J].混凝土，2007，(5)：27-29.

[3]雍本.特殊混凝土施工手册[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

[4]钱波，潘莉莎.防火耐热混凝土的分类[J].TU545，2006: 94-95.