耐热混凝土的定义.docx

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耐热混凝土的定义

耐热混凝土的定义

耐热混凝土的定义、分类和应用

　　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。

而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

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A12O3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A12O3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A12O3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。

二、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

　　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→A12O3+H2O

　　500～1200℃A12O3+CaO→CA

　　A12O3+C12A7→CA（或CA2）

　　A12O3+CA→CA2（在A12O3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。

其强度的变化如图6—11所示。

（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A12O3，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。

三、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。

四、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。

耐热混凝土的用途、材料组成及设计施工要点

　　普通混凝土在环境温度超过300℃后，其强度急剧下降，这是由于水泥石中的水化产物在高温下分解脱水，晶格结构遭到破缘故。

当温度达到600～900℃时，含有石英岩与石灰岩的集料会急剧膨胀并产生化学分解，也使混凝土强度显著降低。

所以普凝土的正常使用温度不应超过250℃。

　　耐热混凝土是指能够长期承受高温（250～1300℃）作用高温下保持工作所需要的物理力学性能的特种混凝土，耐热混凝土主要用于工业窑炉基础、外壳、烟囱及原子能压力容器等处，长时间承受高温作用外，还会承受加热冷却的反复温度变化作。

　　耐热混凝土由耐热集料与适量的胶结料（有时还添加矿物料）和水按一定的比例配制而成。

耐热混凝土按其胶结材料不同为水泥耐热混凝土和水玻璃耐热混凝土。

其中水泥耐热混凝土又分为普通硅酸盐水泥耐热混凝土（耐热温度700～1200℃）、矿渣酸盐水泥耐热混凝土（耐热温度700～900℃）和高铝水泥耐热（耐热温度1300～1400℃）等几种。

水玻璃耐热混凝土的耐热温度为600～1200℃。

　耐热混凝土的材料选用有如下要点。

（1）水泥强度等级不得低于32.5MPa，水泥中所掺的混合材料不得含有石灰岩类熔点低且在高温下易于分解软化的材料。

（2）掺合材料当工作温度高于700℃时，必须加入掺合材料。

掺合材料是在拌制耐热混凝土时掺入的具有耐热作用的细粒粉料。

加入掺合料首先可以增加混凝土的密实性，减少高温变形；其次某些掺合料可以与水泥水化物起化学反应而减轻水泥水化物在高温下的体积变化。

掺合材料种类有黏土质（黏土熟料、黏土砖、红砖）、高铝质滴铝砖，矾土熟料）、镁质（冶金镁砂、镁砖）、粉煤灰及高炉重矿渣等。

　　（3）集料不宜采用石灰岩及石英质集料。

石灰岩集料易在高温下分解，石英质集料在高温下会发生较大的体积变形（扩大至原体积的1.3～1.5倍），这些将导致混凝土结构的破坏。

因此耐热混凝土的集料应选择在高温下体积变形小且化学性质比较稳定的材料。

可用黏土熟料、铝矾土熟料、耐火砖碎料、红砖碎料、高炉矿渣、碎镁砖、烧结镁砂、铬铁矿、玄武岩及辉绿岩等。

集料中严禁混有石灰岩等有害杂质。

耐热混凝土的配合比设计，应根据混凝土的工作强度、极限工作温度、材料来源及经济因素加以综合考虑，并通过试验确定。

在试验中应注意用水量（或水玻璃用量）在满足和易性要求下应尽量减少，其坍落度应比普通混凝土小10～20mm；宜用机械搅拌，搅拌时间要比普通混凝土延长1~2分钟。

耐热混凝土浇筑后应精心养护，水泥耐热混凝土宜在15～25℃的潮湿环境中养护，水玻璃耐热混凝土宜在15～30℃的干燥环境中养护；水泥耐热混凝土在气温低于+7℃、水玻璃耐热混凝土在低于+10℃时施工，即应按照冬期施工规定执行，并不得掺用化学促凝剂。

　耐火混凝土的用途、材料组成及设计施工要点

　　耐火混凝土是指工作于900~1600℃的温度下并保持其物理力学性能的特种混凝土，它与耐热混凝土有许多共同之处，在一些资料中甚至不将二者加以区分。

它与耐热混凝土的区别主要在于它往往直接暴露于高温火焰中，工作温度亦更高，且较少反复加热冷却情况。

耐火混凝土广泛运用于冶金、石油、化工及核电等工业窑炉中，主要代替耐火砖用作窑炉的膛壁内衬或主体结构，它比耐火砖生产工艺简单，施工效率高，成本低，易于满足异形部位施工与维修，其寿命较耐火砖可提高1～2倍。

　　耐火混凝土品种繁多，其材料组成也因具体工作要求不同而多种多样，可大致作如下分类。

（1）按胶结材料分类

　　①水硬性耐火混凝土胶结材料为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、高铝水泥等。

它的强度形成与普通混凝土相同，都是由于水泥水化反应生成胶凝物质与集料界面紧密结合，形成具有设计强度的整体。

　　②火硬性耐火混凝土胶结材料为高铝水泥、低钙铝酸盐水泥等。

火硬性耐火混凝土的胶结材料仅在混凝土浇筑成型后的一段时间由水泥水化产物产生胶凝作用，形成混凝土的初期强度，对结构本身起支持作用。

当温度升高时，在温度300～1200℃阶段，混凝土内部产生一系列化学反应，水泥石由低密度水化产物转成高密度非水化产物（焙烧产物），固相体积缩小，而固体间空隙增大，混凝土强度反而降低。

当继续升温，温度超过1200℃后，固相材料经烧结作用产生陶瓷结构，强度显著提高，成为工作所需要的耐火混凝土。

　　③气硬性耐火混凝土胶结材料为水玻璃并用氟硅酸钠作固化剂（参见耐酸碱混凝土）。

水玻璃耐热混凝土粗集料常用镁砖碎块或黏土熟料块，细集料常用镁砂或黏土熟料砂，掺合料常用镁砖粉或黏土熟料粉。

（2）按集料成分分类

　　按集料成分，耐火混凝土可分为铝质耐火混凝土主要成分为氧化铝（Al2O3），耐火温度1800℃、硅质耐火混凝土主要成分为二氧化硅（SiO2），耐火温度1200℃与镁质耐火混凝土主要成分为氧化镁（MgO），耐火温度800℃。

（3）按堆密度分类

　　按堆密度，耐火混凝土可分为普通耐火混凝土（所用集料为天然石材）与轻质耐火混凝土（所用集料为天然轻集料、人造轻集料及工业废渣轻集料）。

耐火混凝土的配比设计有如下要点。

　　①施工条件允许的前提下，要尽可能降低水灰比，减少用水量。

这是因为耐火混凝土在高温下水分容易散失，致使混凝土孔隙增加、强度降低。

　　②在满足和易性和常温强度的前提下，要尽可能减少胶结材料和水泥的用量。

这是因为通常集料的耐火程度要高于胶结材料，高温胶结材料先于集料发生软化、变形。

　　③加入适当的掺合材料可提高混凝土的耐火性，同时可改善和易性并减少水泥用量。

常用掺合材料有黏土熟料、黏土耐火砖、黄土、矾土熟料、镁砂、铬铁矿、粉煤灰、高铝砖的磨细粉料。

　　④集料要选择适当的级配使密度达到最大，还要注意与胶结材料的匹配与适应。

砂率控制在40％～60％。

配合比设计一般以经验合比为基础，通过试拌调整后确定。

耐火混凝土一般不配钢筋，因为钢筋的热膨胀系数与耐火混凝土差别很大，高温下会导致混凝土开裂剥落，钢筋氧化、软化失去增强作用。

必须配筋时要采取特殊措施，如钢筋表面渗铝抗氧化、用型钢或埋入冷却水管等。

　　耐火混凝土的施工与养护基本同耐热混凝土。