耐热混凝土简介与配比设计

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人气：-发表时间：2017-10-30 15:00【大中小】

　　耐热混凝土简介

　　耐热混凝土是一种能长期承受高温作用（200℃以上），并在高温作用下保持所需的物理力学性能的特种混凝土。其代替耐火砖用于工业窑炉内衬的耐热混凝土也称为耐火混凝土。

　　根据所用胶结料的不同，耐热混凝土可分为：硅酸盐耐热混凝土；铝酸盐耐热混凝土；磷酸盐耐热混凝土；硫酸盐耐热混凝土；水玻璃耐热混凝土；镁质水泥耐热混凝土；其他胶结料耐热混凝土。根据硬化条件可分为：水硬性耐热混凝土；气硬性耐热混凝土；热硬性耐热混凝土。

　　耐热混凝土已广泛地用于冶金、化工、石油、轻工和建材等工业的热工设备和长期受高温作用的构筑物，如工业烟囱或烟道的内衬、工业窑炉的耐火内衬、高温锅炉的基础及外壳。

　　耐热混凝土与传统耐火砖相比，具有下列特点：

　　1、生产工艺简单，通常仅需搅拌机和振动成型机械即可；

　　2、施工简单，并易于机械化；

　　3、可以建造任何结构形式的窑炉，采用耐热混凝土可根据生产工艺要求建造复杂的窑炉形式；

　　4、耐热混凝土窑衬整体性强，气密性好，使用得当，可提高窑炉的使用寿命；

　　5、建造窑炉的造价比耐火砖低；

　　6、可充分利用工业废渣、废旧耐火砖以及某些地方材料和天然材料。

　　【硅酸盐耐热混凝土】

　　硅酸盐耐热混凝土所用的材料主要有硅酸盐水泥、耐热骨料、掺合料以及外加剂等。

　　1 、原材料要求

　　(1) 硅酸盐水泥

　　可以用矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥作为其胶结材料。一般应优先选用矿渣硅酸盐水泥，并且矿渣掺量不得大于 20%。如选用普通硅酸盐水泥，水泥中所掺的混合材料不得含有石灰石等易在高温下分解和软化或熔点较低的材料。

　　此外，因为水泥的耐热性远远低于耐热骨料及耐热粉料，在保证耐热混凝土设计强度的情况下，应尽可能减少水泥的用量，为此，要求水泥的强度等级不得低于42.5MPa。用上述两种水泥配制的耐热混凝土最高使用温度可以达到700～800℃。其耐热机理是：硅酸盐水泥熟料中的 C3S和C2S的水化产物Ca(OH)₂在高温下脱水，生成的CaO与矿渣及掺合料中的活性SiO₂和A1₂O₃又反应生成具有较强耐热性的无水硅酸钙和无水铝酸钙，使混凝土具有一定的耐热性。

　　(2) 耐热骨料

　　普通混凝土耐热性不好的主要原因是一些水泥的水化产物为Ca(OH)₂，水化铝酸钙在高温下脱水，使水泥石结构破坏而导致混凝土碎裂；另一个原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英砂在高温下发生较大体积变形，还有一些骨料在高温下发生分解，从而导致普通混凝土结构的破坏，强度降低。因此，骨料是配制耐热混凝土一个很关键的因素。常用的耐热粗骨料有碎黏土砖、黏土熟料、碎高铝耐火砖、矾土熟料等；细骨料有镁砂、碎镁质耐火砖、含Al₂O₃较高的粉煤灰等。

　　(3) 掺合料

　　掺合料的作用主要有两个：一是可增加混凝土的密实性，减少在高温状态下混凝土的变形；二是在用普通硅酸盐水泥时，掺合料中的Al₂O₃和SiO₂与水泥水化产物Ca(OH)₂的脱水产物CaO反应形成耐热性好的无水硅酸钙和无水铝酸钙，同时避免了Ca(OH)₂脱水引起的体积变化。所以，掺合料应选用熔点高、高温下不变形且含有一定数量三氧化铝的材料。

　　硅酸盐水泥耐热混凝土配制时，可掺加减水剂以降低W/C，减少混凝土结构内部的孔隙率。减水剂宜采用非引气型。

　　2、硅酸盐水泥耐热混凝土的配合比

　　该品种耐火混凝土的配合比设计用计算法比较繁琐，一般常采用经验配合比为初始配合比，再通过试配调整，得到适用的配合比。

　　【铝酸盐水泥耐热混凝土】

　　铝酸盐水泥是一类没有游离CaO的中性水泥，具有快硬、高强、热稳定性好、耐火度高等特点。在冶金、石油化工、建材、水电和机械工业的一般窑炉上得到广泛的应用，其使用温度可达到1300～1600℃，有的甚至能达到1800℃左右，所以又称为铝酸盐耐火混凝土。它属于水硬性耐热混凝土，也属于热硬性耐热混凝土。

　　1、胶结材料

　　铝酸盐水泥耐热混凝土的胶结材主要有矾土水泥、低钙铝酸盐水泥、纯铝酸盐水泥。

　　(1) 高铝水泥(普通铝酸盐水泥)

　　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-钙(CA) 为主要成分的水硬性水泥。

　　高铝水泥水化的产物主要有 C3AH6、AH3、CAH10、 C2AH8，而上述产物在高温作用下会发生脱水，脱水产物之间发生反应。如：

　　300～500℃ C3AH6 → CaO+C12A7 +H₂O AH3 → Al₂O₃+H₂O

　　500～1200℃ Al₂O₃+CaO → CA Al₂O₃+C12A7 → CA(或CA2)

　　Al₂O₃+CA → CA2(在Al₂O₃较多时)

　　由上可知，在 500℃ 以前，水泥石由高铝水泥的水化物组成；500～900℃时由水化产物及由脱水产物之间的二次反应物组成；1000℃ 开始发生固相烧结； 1200℃ 以上时变为陶瓷结合的耐火材料。

　　(2)纯铝酸盐水泥

　　纯铝酸盐水泥是用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CA2或CA为主要矿物的水硬性水泥。其中CA2和CA 含量总和在95％以上，CA2占60％～65％，另外含有少量C12A7和C2AS 。

　　纯铝酸盐水泥的水化硬化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Al₂O₃，因此在1200℃ 发生烧结产生陶瓷结合后，具有更高的烧结强度和耐火度，其最高使用温度可达1600℃以上。

　　2、骨料

　　由于纯铝酸盐水泥可以配制较高温度下工作的耐热混凝土，因此，采用的骨料应为耐火度更高的骨料，如矾土熟料碎高铝砖、碎镁砖和镁砂等。如使用温度超过1500℃，最好用铬铝渣、电熔刚玉等。

　　3、掺合料

　　为提高耐热混凝土的耐高温性能，有时在配制混凝土时掺加一定量的与水泥化学成分相进的粉料，如刚玉粉、高铝矾熟料粉等。粉料的细度一般应小于lμm。

　　【磷酸或磷酸盐耐热混凝土】

　　该耐热混凝土是以磷酸盐或磷酸作胶结剂和耐热骨料等配制而成的混凝土。它是一种热硬性耐热混凝土。磷酸盐耐热混凝土使用温度一般为1500～1700℃，最高可达3000℃。而磷酸盐耐高温混凝土可以经受-30～2000℃的多次冷热循环而不破坏。

　　1、胶结剂

　　(1)磷酸盐

　　主要有铝、钠、钾、镁、铵的磷酸盐或聚磷酸盐，其中用得最多的是铝、镁和钠的磷酸盐。

　　磷酸铝一般是磷酸二氢铝、磷酸氢铝和正磷酸铝三种的混合物，其中磷酸二氢铝的胶结性最强。使用磷酸铝时，为加速混凝土在常温下的硬化，可加入适量的电熔或烧结氧化镁、氧化钙、氧化锌和氟化铵等作为促硬剂，也可用含有结合状态的碱性氧化物(如硅酸盐水泥)作促硬剂。

　　磷酸钠盐一般用正磷酸钠(Na3PO4)、磷酸二氢钠、聚磷酸钠。

　　(2)磷酸

　　磷酸有正磷酸(H₃PO₄)、焦磷酸(H₃P₂O₇)及偏磷酸(HPO₃)等，常用的主要是正磷酸。正磷酸本身无胶结性，但与耐热骨料接触后，会与其中的一些氧化物(如氧化镁、氧化铝)反应形成酸式磷酸盐，从而表现出良好的胶凝性。

　　2、耐火骨料

　　由于磷酸盐及磷酸耐热混凝土一般用于温度较高的结构物中，因此其所用的耐火骨料也应选用耐火度高的材料，常用的有碎高铝砖、镁砂、刚玉砂等。

　　3、掺合料

　　磷酸盐耐热混凝土加热时因水分蒸发会产生较大的收缩，因此在配制时应加入一些微米级耐火材料，如刚玉粉、石英粉等。

　　由于磷酸盐和磷酸对人体具有很强的腐蚀性，因此，在施工时必须注意安全，应穿好防护服、防护鞋，戴好防护手套、防护目镜等。

　　【水玻璃耐热混凝土】

　　水玻璃耐热混凝土是以水玻璃为胶结料，与各种耐火骨料、粉料等按一定比例配制而成的气硬性耐热混凝土。它具有高温下强度损失小、耐磨、耐腐蚀、热震稳定性好等优点。适用温度为800~ 1200℃ ，是理想的耐火混凝土品种。

　　5.耐热混凝土的用途、材料组成及设计施工要点

　　生成了氧化钙，氧化钙会吸收空气中的水分，再次水化导致体积膨胀产生商品混凝土表面酥松剥落现象，此外高温改变了钙矾石的形成机理，使商品混凝土内部形成粗大的孔结构。

　　各种岩石成分的骨料，受热变形也不相同。含有石英岩的骨料（如石英砂、砂岩等石英质骨料），在575℃以下，体积逐渐膨胀，而在575℃时，突然膨胀；含有石灰岩的材料，在750-900℃条件下分解成氧化钙，强度显著降低故普通商品混凝土不宜在高温环境下使用，其使用温度一般也不超过250℃。

　　300℃时商品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，两者结合被破坏产生界面破坏，伴随着水泥水化产物的受热破坏以及骨料的晶型转换，界面破坏加剧。同时由于商品混凝土表面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商品混凝土开裂和强度下降。

　　二、耐热商品混凝土配合比设计要点

　　依据上述商品混凝土材料受热后作用机理可以得出配合比设计要点：

　　1、水泥品种的选择

　　按照设计目标，本次商品混凝土耐热度在700℃，为确保安全实际研究过程中提高至750℃，基本已经达到了硅酸盐水泥耐热商品混凝土温度上限。为确保所设计配合比的实用性，研究中依然以硅酸盐质水泥为主，也进行了硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥以及水玻璃等胶凝材料的试验。研究结果表明通过合适的配制技术采用硅酸盐质水泥能够配制出符合目标要求的耐高温商品混凝土材料。

　　2、水泥用量的选择

　　由于所用的水泥品种主要为硅酸盐质水泥，其受热变化过程和机理不可避免，因而在配合比设计时在保证强度的前提下应尽量减小水泥用量。由于本公司胶凝混合材质量一般，28天、35天龄期商品混凝土强度未见明显增长，因而将水泥用量定在270kg左右，但是从商品混凝土耐高温角度而言，该水泥用量有进一步下降的空间。建议：可以适当提高混合材质量等级或者以较长龄期（比如56天）作为评价商品混凝土材料强度标准，从而降低水泥用量。

　　3、掺合料的选择

　　为避免Ca(OH)₂的分解而产生的潜在危害，应尽可能的减少Ca(OH)₂数量，在配合比中添加大量混合材是一个比较合适的方法。同时在高温作用下，混合材可以起到进一步水化作用从而弥补商品混凝土强度的下降。本次设计时采用粉煤灰和矿粉双掺技术。在试验基础上选择了较为合适的掺量及比例。需要指出的是由于本次混合材中粉煤灰质量等级一般，因而采用了较高的矿粉用量，这可能对商品混凝土的工作性产生不利的影响。

　　4、骨料的选择

　　细骨料采用水渣，粗骨料选用了玄武岩、焦宝石等。试验研究结果表明：玄武岩基本能够满足要求。与江砂相比，由于水渣不存在形貌效应，其配制的商品混凝土材料工作性一般。必须严格控制粗骨料的级配、泥含量、泥块含量等技术指标。

　　5、用水量和外加剂掺量

　　为满足商品混凝土的工作性，本次配合比中用水量较高，多余的水通常以自由水或者毛细孔水存在，虽然不直接对商品混凝土高温性能产生影响，但是用水量的高低与商品混凝土孔结构及形貌密切相关，在有条件的情况下，建议采用较好的性能的外加剂从而减少水和水泥用量。本次所用外加剂减水效果一般且泌水率等指标也一般。建议采用聚羧酸等高性能外加剂。

　　6、受热过程膨胀压力释放和抗裂性能提高

　　从商品混凝土材料受热作用机理和过程分析可知，高温作用下，水蒸汽的膨胀压力和商品混凝土材料内部微观裂缝客观存在，同时也是导致商品混凝土材料受热作用后性能劣化的主要原因之一。在配合比中适当的引入气孔或者高温分解材料有助于提高商品混凝土耐高温性能。本次研究中采用添加聚丙烯纤维、掺加引气剂的方法来释放受热过程中的膨胀压力。研究结果表明:掺加适量的聚丙烯纤维有助于提高商品混凝土材料的耐高温性能。

　　三、结论

　　1、本次所设计的配合比基本能够满足要求，存在一定的提高空间。

　　2、需要对原材料性能进行严格控制，特别是水泥中混合材掺量和品种的控制，避免水泥中出现较多石灰质混合材等问题。

　　四、配合比验证

　　样品名称 C35 700℃耐高温商品混凝土设计工程名称高炉基础强度等级 C35检测类别委托

　　检测依据《耐热商品混凝土配合比设计及性能检验规程》等检测数据

　　设计要求: C35 700℃耐高温商品混凝土设计。材料性能：

　　（1）水泥：P·O42.5；

　　（2）砂：水渣；

　　（3）石子：5～20mm（玄武岩）；

　　（4）外加剂：掺加高效聚羧酸。

　　（5）水：自来水；