耐熱混凝土簡介與配比設計

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人氣：-發表時間：2017-10-30 15:00【大中小】

　　耐熱混凝土簡介

　　耐熱混凝土是一種能長期承受高溫作用（200℃以上），并在高溫作用下保持所需的物理力學性能的特種混凝土。其代替耐火磚用于工業窯爐內襯的耐熱混凝土也稱為耐火混凝土。

　　根據所用膠結料的不同，耐熱混凝土可分為：硅酸鹽耐熱混凝土；鋁酸鹽耐熱混凝土；磷酸鹽耐熱混凝土；硫酸鹽耐熱混凝土；水玻璃耐熱混凝土；鎂質水泥耐熱混凝土；其他膠結料耐熱混凝土。根據硬化條件可分為：水硬性耐熱混凝土；氣硬性耐熱混凝土；熱硬性耐熱混凝土。

　　耐熱混凝土已廣泛地用于冶金、化工、石油、輕工和建材等工業的熱工設備和長期受高溫作用的構筑物，如工業煙囪或煙道的內襯、工業窯爐的耐火內襯、高溫鍋爐的基礎及外殼。

　　耐熱混凝土與傳統耐火磚相比，具有下列特點：

　　1、生產工藝簡單，通常僅需攪拌機和振動成型機械即可；

　　2、施工簡單，并易于機械化；

　　3、可以建造任何結構形式的窯爐，采用耐熱混凝土可根據生產工藝要求建造復雜的窯爐形式；

　　4、耐熱混凝土窯襯整體性強，氣密性好，使用得當，可提高窯爐的使用壽命；

　　5、建造窯爐的造價比耐火磚低；

　　6、可充分利用工業廢渣、廢舊耐火磚以及某些地方材料和天然材料。

　　【硅酸鹽耐熱混凝土】

　　硅酸鹽耐熱混凝土所用的材料主要有硅酸鹽水泥、耐熱骨料、摻合料以及外加劑等。

　　1 、原材料要求

　　(1) 硅酸鹽水泥

　　可以用礦渣硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥作為其膠結材料。一般應優先選用礦渣硅酸鹽水泥，并且礦渣摻量不得大于 20%。如選用普通硅酸鹽水泥，水泥中所摻的混合材料不得含有石灰石等易在高溫下分解和軟化或熔點較低的材料。

　　此外，因為水泥的耐熱性遠遠低于耐熱骨料及耐熱粉料，在保證耐熱混凝土設計強度的情況下，應盡可能減少水泥的用量，為此，要求水泥的強度等級不得低于42.5MPa。用上述兩種水泥配制的耐熱混凝土最高使用溫度可以達到700～800℃。其耐熱機理是：硅酸鹽水泥熟料中的 C3S和C2S的水化產物Ca(OH)₂在高溫下脫水，生成的CaO與礦渣及摻合料中的活性SiO₂和A1₂O₃又反應生成具有較強耐熱性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，使混凝土具有一定的耐熱性。

　　(2) 耐熱骨料

　　普通混凝土耐熱性不好的主要原因是一些水泥的水化產物為Ca(OH)₂，水化鋁酸鈣在高溫下脫水，使水泥石結構破壞而導致混凝土碎裂；另一個原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英砂在高溫下發生較大體積變形，還有一些骨料在高溫下發生分解，從而導致普通混凝土結構的破壞，強度降低。因此，骨料是配制耐熱混凝土一個很關鍵的因素。常用的耐熱粗骨料有碎黏土磚、黏土熟料、碎高鋁耐火磚、礬土熟料等；細骨料有鎂砂、碎鎂質耐火磚、含Al₂O₃較高的粉煤灰等。

　　(3) 摻合料

　　摻合料的作用主要有兩個：一是可增加混凝土的密實性，減少在高溫狀態下混凝土的變形；二是在用普通硅酸鹽水泥時，摻合料中的Al₂O₃和SiO₂與水泥水化產物Ca(OH)₂的脫水產物CaO反應形成耐熱性好的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，同時避免了Ca(OH)₂脫水引起的體積變化。所以，摻合料應選用熔點高、高溫下不變形且含有一定數量三氧化鋁的材料。

　　硅酸鹽水泥耐熱混凝土配制時，可摻加減水劑以降低W/C，減少混凝土結構內部的孔隙率。減水劑宜采用非引氣型。

　　2、硅酸鹽水泥耐熱混凝土的配合比

　　該品種耐火混凝土的配合比設計用計算法比較繁瑣，一般常采用經驗配合比為初始配合比，再通過試配調整，得到適用的配合比。

　　【鋁酸鹽水泥耐熱混凝土】

　　鋁酸鹽水泥是一類沒有游離CaO的中性水泥，具有快硬、高強、熱穩定性好、耐火度高等特點。在冶金、石油化工、建材、水電和機械工業的一般窯爐上得到廣泛的應用，其使用溫度可達到1300～1600℃，有的甚至能達到1800℃左右，所以又稱為鋁酸鹽耐火混凝土。它屬于水硬性耐熱混凝土，也屬于熱硬性耐熱混凝土。

　　1、膠結材料

　　鋁酸鹽水泥耐熱混凝土的膠結材主要有礬土水泥、低鈣鋁酸鹽水泥、純鋁酸鹽水泥。

　　(1) 高鋁水泥(普通鋁酸鹽水泥)

　　高鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細后，采用燒結法和熔融法制成的一種以鋁酸-鈣(CA) 為主要成分的水硬性水泥。

　　高鋁水泥水化的產物主要有 C3AH6、AH3、CAH10、 C2AH8，而上述產物在高溫作用下會發生脫水，脫水產物之間發生反應。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較多時)

　　由上可知，在 500℃ 以前，水泥石由高鋁水泥的水化物組成；500～900℃時由水化產物及由脫水產物之間的二次反應物組成；1000℃ 開始發生固相燒結； 1200℃ 以上時變為陶瓷結合的耐火材料。

　　(2)純鋁酸鹽水泥

　　純鋁酸鹽水泥是用工業氧化鋁和高純石灰石或方解石為原料，按一定比例混合后，采用燒結法或熔融法制成的以CA2或CA為主要礦物的水硬性水泥。其中CA2和CA 含量總和在95％以上，CA2占60％～65％，另外含有少量C12A7和C2AS 。

　　純鋁酸鹽水泥的水化硬化及在加熱過程中強度的變化與高鋁水泥類似。由于該水泥的化學組成中含有更多的Al₂O₃，因此在1200℃ 發生燒結產生陶瓷結合后，具有更高的燒結強度和耐火度，其最高使用溫度可達1600℃以上。

　　2、骨料

　　由于純鋁酸鹽水泥可以配制較高溫度下工作的耐熱混凝土，因此，采用的骨料應為耐火度更高的骨料，如礬土熟料碎高鋁磚、碎鎂磚和鎂砂等。如使用溫度超過1500℃，最好用鉻鋁渣、電熔剛玉等。

　　3、摻合料

　　為提高耐熱混凝土的耐高溫性能，有時在配制混凝土時摻加一定量的與水泥化學成分相進的粉料，如剛玉粉、高鋁礬熟料粉等。粉料的細度一般應小于lμm。

　　【磷酸或磷酸鹽耐熱混凝土】

　　該耐熱混凝土是以磷酸鹽或磷酸作膠結劑和耐熱骨料等配制而成的混凝土。它是一種熱硬性耐熱混凝土。磷酸鹽耐熱混凝土使用溫度一般為1500～1700℃，最高可達3000℃。而磷酸鹽耐高溫混凝土可以經受-30～2000℃的多次冷熱循環而不破壞。

　　1、膠結劑

　　(1)磷酸鹽

　　主要有鋁、鈉、鉀、鎂、銨的磷酸鹽或聚磷酸鹽，其中用得最多的是鋁、鎂和鈉的磷酸鹽。

　　磷酸鋁一般是磷酸二氫鋁、磷酸氫鋁和正磷酸鋁三種的混合物，其中磷酸二氫鋁的膠結性最強。使用磷酸鋁時，為加速混凝土在常溫下的硬化，可加入適量的電熔或燒結氧化鎂、氧化鈣、氧化鋅和氟化銨等作為促硬劑，也可用含有結合狀態的堿性氧化物(如硅酸鹽水泥)作促硬劑。

　　磷酸鈉鹽一般用正磷酸鈉(Na3PO4)、磷酸二氫鈉、聚磷酸鈉。

　　(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。正磷酸本身無膠結性，但與耐熱骨料接觸后，會與其中的一些氧化物(如氧化鎂、氧化鋁)反應形成酸式磷酸鹽，從而表現出良好的膠凝性。

　　2、耐火骨料

　　由于磷酸鹽及磷酸耐熱混凝土一般用于溫度較高的結構物中，因此其所用的耐火骨料也應選用耐火度高的材料，常用的有碎高鋁磚、鎂砂、剛玉砂等。

　　3、摻合料

　　磷酸鹽耐熱混凝土加熱時因水分蒸發會產生較大的收縮，因此在配制時應加入一些微米級耐火材料，如剛玉粉、石英粉等。

　　由于磷酸鹽和磷酸對人體具有很強的腐蝕性，因此，在施工時必須注意安全，應穿好防護服、防護鞋，戴好防護手套、防護目鏡等。

　　【水玻璃耐熱混凝土】

　　水玻璃耐熱混凝土是以水玻璃為膠結料，與各種耐火骨料、粉料等按一定比例配制而成的氣硬性耐熱混凝土。它具有高溫下強度損失小、耐磨、耐腐蝕、熱震穩定性好等優點。適用溫度為800~ 1200℃ ，是理想的耐火混凝土品種。

　　5.耐熱混凝土的用途、材料組成及設計施工要點

　　生成了氧化鈣，氧化鈣會吸收空氣中的水分，再次水化導致體積膨脹產生商品混凝土表面酥松剝落現象，此外高溫改變了鈣礬石的形成機理，使商品混凝土內部形成粗大的孔結構。

　　各種巖石成分的骨料，受熱變形也不相同。含有石英巖的骨料（如石英砂、砂巖等石英質骨料），在575℃以下，體積逐漸膨脹，而在575℃時，突然膨脹；含有石灰巖的材料，在750-900℃條件下分解成氧化鈣，強度顯著降低故普通商品混凝土不宜在高溫環境下使用，其使用溫度一般也不超過250℃。

　　300℃時商品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，兩者結合被破壞產生界面破壞，伴隨著水泥水化產物的受熱破壞以及骨料的晶型轉換，界面破壞加劇。同時由于商品混凝土表面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商品混凝土開裂和強度下降。

　　二、耐熱商品混凝土配合比設計要點

　　依據上述商品混凝土材料受熱后作用機理可以得出配合比設計要點：

　　1、水泥品種的選擇

　　按照設計目標，本次商品混凝土耐熱度在700℃，為確保安全實際研究過程中提高至750℃，基本已經達到了硅酸鹽水泥耐熱商品混凝土溫度上限。為確保所設計配合比的實用性，研究中依然以硅酸鹽質水泥為主，也進行了硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥以及水玻璃等膠凝材料的試驗。研究結果表明通過合適的配制技術采用硅酸鹽質水泥能夠配制出符合目標要求的耐高溫商品混凝土材料。

　　2、水泥用量的選擇

　　由于所用的水泥品種主要為硅酸鹽質水泥，其受熱變化過程和機理不可避免，因而在配合比設計時在保證強度的前提下應盡量減小水泥用量。由于本公司膠凝混合材質量一般，28天、35天齡期商品混凝土強度未見明顯增長，因而將水泥用量定在270kg左右，但是從商品混凝土耐高溫角度而言，該水泥用量有進一步下降的空間。建議：可以適當提高混合材質量等級或者以較長齡期（比如56天）作為評價商品混凝土材料強度標準，從而降低水泥用量。

　　3、摻合料的選擇

　　為避免Ca(OH)₂的分解而產生的潛在危害，應盡可能的減少Ca(OH)₂數量，在配合比中添加大量混合材是一個比較合適的方法。同時在高溫作用下，混合材可以起到進一步水化作用從而彌補商品混凝土強度的下降。本次設計時采用粉煤灰和礦粉雙摻技術。在試驗基礎上選擇了較為合適的摻量及比例。需要指出的是由于本次混合材中粉煤灰質量等級一般，因而采用了較高的礦粉用量，這可能對商品混凝土的工作性產生不利的影響。

　　4、骨料的選擇

　　細骨料采用水渣，粗骨料選用了玄武巖、焦寶石等。試驗研究結果表明：玄武巖基本能夠滿足要求。與江砂相比，由于水渣不存在形貌效應，其配制的商品混凝土材料工作性一般。必須嚴格控制粗骨料的級配、泥含量、泥塊含量等技術指標。

　　5、用水量和外加劑摻量

　　為滿足商品混凝土的工作性，本次配合比中用水量較高，多余的水通常以自由水或者毛細孔水存在，雖然不直接對商品混凝土高溫性能產生影響，但是用水量的高低與商品混凝土孔結構及形貌密切相關，在有條件的情況下，建議采用較好的性能的外加劑從而減少水和水泥用量。本次所用外加劑減水效果一般且泌水率等指標也一般。建議采用聚羧酸等高性能外加劑。

　　6、受熱過程膨脹壓力釋放和抗裂性能提高

　　從商品混凝土材料受熱作用機理和過程分析可知，高溫作用下，水蒸汽的膨脹壓力和商品混凝土材料內部微觀裂縫客觀存在，同時也是導致商品混凝土材料受熱作用后性能劣化的主要原因之一。在配合比中適當的引入氣孔或者高溫分解材料有助于提高商品混凝土耐高溫性能。本次研究中采用添加聚丙烯纖維、摻加引氣劑的方法來釋放受熱過程中的膨脹壓力。研究結果表明:摻加適量的聚丙烯纖維有助于提高商品混凝土材料的耐高溫性能。

　　三、結論

　　1、本次所設計的配合比基本能夠滿足要求，存在一定的提高空間。

　　2、需要對原材料性能進行嚴格控制，特別是水泥中混合材摻量和品種的控制，避免水泥中出現較多石灰質混合材等問題。

　　四、配合比驗證

　　樣品名稱 C35 700℃耐高溫商品混凝土設計工程名稱高爐基礎強度等級 C35檢測類別委托

　　檢測依據《耐熱商品混凝土配合比設計及性能檢驗規程》等檢測數據

　　設計要求: C35 700℃耐高溫商品混凝土設計。材料性能：

　　（1）水泥：P·O42.5；

　　（2）砂：水渣；

　　（3）石子：5～20mm（玄武巖）；

　　（4）外加劑：摻加高效聚羧酸。

　　（5）水：自來水；