耐熱混凝土的定義

1、耐熱混凝土的定義、分類和應(yīng)用耐熱混凝土是一種能長(zhǎng)期承受高溫作用 (200 C以上)，并在高溫作用下保持所需的物理 力學(xué)性能的特種混凝土。而代替耐火磚用于工業(yè)窯爐內(nèi)襯的耐熱混凝土也稱為耐火混凝土。根據(jù)所用膠結(jié)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(zhì)水泥耐熱混凝土；其他膠結(jié)料耐熱 混凝土。根據(jù)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(yè)的熱工設(shè)備和長(zhǎng)期受高溫 作用的構(gòu)筑物，如工業(yè)煙囪或煙道的內(nèi)襯、工業(yè)窯爐的耐火內(nèi)襯、高溫鍋爐的基礎(chǔ)及

2、外殼。硅酸鹽耐熱混凝土一、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(jié)材料。一般應(yīng)優(yōu)先選用 礦渣硅酸鹽水 泥，并且礦渣摻量不得大于 50 。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(diǎn)較低的材料。此外，因?yàn)樗嗟哪蜔嵝赃h(yuǎn)遠(yuǎn)低于耐熱骨料及耐熱粉料，在保證耐熱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情 況下，應(yīng)盡可能減少水泥的用量，為此，要求水泥的強(qiáng)度等級(jí)不得低于。用上述兩種水泥配制的耐熱混凝土最高使用溫度可以達(dá)到700800 C。其耐熱機(jī)理是：硅酸鹽水泥熟料

3、中的 C 3 S 和 C 2 S 的水化產(chǎn)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 SiO 2 和 A1 2 O 3 又反應(yīng)生成具有較強(qiáng)耐熱性的無(wú)水硅酸鈣和無(wú)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(chǎn)物為Ca(OH) 2 ，水化鋁酸鈣在高溫下脫水，使水泥石結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致混凝土碎裂；另一個(gè)原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英 砂在高溫下發(fā)生較大體積變形， 還有一些骨料在高溫下發(fā)生分解， 從而導(dǎo)致普通混凝土結(jié)構(gòu)的破壞， 強(qiáng)度降低。因此，骨料是配制耐熱混凝土一個(gè)很關(guān)鍵的因素。常用的耐熱粗骨料有碎黏土磚、黏

4、土熟料、碎 高鋁耐火磚 、礬土熟料等；細(xì)骨料有鎂砂、碎鎂質(zhì)耐火磚、含 A12O3 較高的粉煤灰等。(3) 摻合料摻合料的作用主要有兩個(gè)：一是可增加混凝土的密實(shí)性,減少在高溫狀態(tài)下混凝土的變形；二是在用 普通硅酸鹽水泥 時(shí)，摻合料中的 A12O3 和 SiO 2 與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH) 2 的脫水產(chǎn)物 CaO 反應(yīng)形成耐熱性好的無(wú)水硅酸鈣和無(wú)水鋁酸鈣，同時(shí)避免了Ca(OH) 2 脫水引起的體積變化。所以，摻合料應(yīng)選用熔點(diǎn)高、高溫下不變形且含有一定數(shù)量A12O3 的材料。硅酸鹽水泥耐熱混凝土配制時(shí)，可摻加減水劑以降低W/C ，減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙率。減水劑宜采用非引氣型。2 、硅酸鹽水泥

5、耐熱混凝土的配合比般常采用經(jīng)驗(yàn)配合比為初始配合比，該品種耐火混凝土的配合比設(shè)計(jì)用計(jì)算法比較繁瑣，再通過(guò)試配調(diào)整，得到適用的配合比。二、鋁酸鹽水泥 耐熱混凝土鋁酸鹽水泥 是一類沒(méi)有游離 CaO 的中性水泥，具有快硬、高強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、耐火度高等 特點(diǎn)。在冶金、 石油化工 、建材、水電和機(jī)械工業(yè)的一般窯爐上得到廣泛的應(yīng)用，其使用溫度可達(dá) 到13001600 C,有的甚至能達(dá)到1800 C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(jié)材鋁酸鹽水泥 耐熱混凝土的膠結(jié)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

6、鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細(xì)后,采用燒結(jié)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(chǎn)物主要有C 3 AH 6 、 AH 3 、 CAH 10 、 C 2 AH 8 ,而上述產(chǎn)物在高溫作用 下會(huì)發(fā)生脫水,脫水產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)。如：300 500 C C3AH6 CaO+C12A7 +H2OAH3 t A12O3 +H2O 500 1200 C A12O3 +CaOT CAA12O3+C12A7t CA（ 或 CA2 ）A12O3 +CAt CA2 （ 在 A12O3 較多時(shí) ）由上可知，在500 C以前，水泥石由高鋁水泥的水化物組成；500900 C時(shí)

7、由水化產(chǎn)物及由脫水產(chǎn)物之間的二次反應(yīng)物組成； 1000 C 開(kāi)始發(fā)生固相燒結(jié)； 1200 C 以上時(shí)變?yōu)樘?瓷結(jié)合的耐火材料。其強(qiáng)度的變化如圖 6 11 所示。(2) 純鋁酸鹽水泥純鋁酸鹽水泥是用 工業(yè)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(jié)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(guò)程中強(qiáng)度的變化與高鋁水泥類似。由于該水泥的化學(xué)組成中含有更多的 A12O3,因此在1200 C發(fā)生燒結(jié)產(chǎn)生陶瓷結(jié)合后，具有

8、更高的燒結(jié)強(qiáng)度和耐火度，其最高使用溫度可達(dá) 1600 C 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(yīng)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(guò)1500 C ，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(shí)在配制混凝土?xí)r摻加一定量的與水泥化學(xué)成分相進(jìn)的粉料，如剛玉粉、高鋁磯熟料粉等。粉料的細(xì)度一般應(yīng)小于I卩m。三、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(jié)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15001700 C，最高可達(dá)3000

9、 C。而磷酸鹽耐高溫混凝土可以經(jīng)受 -302000 C的多次冷熱循環(huán)而不破壞。1 、膠結(jié)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(jié)性最強(qiáng)。使用 磷酸鋁時(shí)，為加速混凝土在常溫下的硬化，可加入適量的電熔或燒結(jié)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(jié)合狀態(tài)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

10、酸 (HPO3) 等，常用的主要是正磷酸。 正磷酸本身無(wú)膠結(jié)性，但與耐熱骨料接觸后，會(huì)與其中的一些氧化物( 如氧化鎂、氧化鋁 ) 反應(yīng)形成酸式磷酸鹽，從而表現(xiàn)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(jié)構(gòu)物中，因此其所用的耐火骨料也應(yīng) 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(shí)因水分蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，因此在配制時(shí)應(yīng)加入一些微米級(jí) 耐火材料，如剛玉粉、石英粉等。四、水玻璃耐熱混凝土水玻璃耐熱混凝土是以水玻璃為膠結(jié)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(qiáng)度損失小、耐磨、耐腐蝕、

11、熱震穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。適用溫度為8001200 C，是理想的耐火混凝土品種。耐熱混凝土的用途、材料組成及設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)普通混凝土在環(huán)境溫度超過(guò)300 C后，其強(qiáng)度急劇下降，這是由于水泥石中的水化產(chǎn)物在高溫下分解脫水，晶格結(jié)構(gòu)遭到破緣故。當(dāng)溫度達(dá)到600900 C時(shí)，含有石英巖與石灰?guī)r的集料會(huì)急劇膨脹并產(chǎn)生化學(xué)分解，也使混凝土強(qiáng)度顯著降低。所以普凝土的正常使用溫度不應(yīng)超過(guò)250 C。耐熱混凝土是指能夠長(zhǎng)期承受高溫 （2501300 C ）作用高溫下保持工作所需要的物 理力學(xué)性能的特種混凝土， 耐熱混凝土主要用于工業(yè)窯爐基礎(chǔ)、 外殼、煙囪及原子能壓力容器等處， 長(zhǎng)時(shí)間承受高溫作用外，還會(huì)承受加熱冷卻的

12、反復(fù)溫度變化作。耐熱混凝土由耐熱集料與適量的膠結(jié)料 （ 有時(shí)還添加礦物料 ） 和水按一定的比例配制而 成。耐熱混凝土按其膠結(jié)材料不同為水泥耐熱混凝土和水玻璃耐熱混凝土。其中水泥耐熱混凝土又 分為普通硅酸鹽水泥耐熱混凝土（耐熱溫度7001200 C ）、礦渣酸鹽水泥耐熱混凝土（耐熱溫度700900 C ）和高鋁水泥耐熱（耐熱溫度13001400 C ）等幾種。水玻璃耐熱混 凝土的耐熱溫度為 6001200 C。耐熱混凝土的材料選用有如下要點(diǎn)。（1）水泥 強(qiáng)度等級(jí)不得低于 ，水泥中所摻的混合材料不得含有石灰?guī)r類熔點(diǎn)低且在高溫 下易于分解軟化的材料。（2）摻合材料當(dāng)工作溫度高于700 °C

13、時(shí)，必須加入摻合材料。摻合材料是在拌制耐熱混 凝土?xí)r摻入的具有耐熱作用的細(xì)粒粉料。 加入摻合料首先可以增加混凝土的密實(shí)性， 減少高溫變形； 其次某些摻合料可以與水泥水化物起化學(xué)反應(yīng)而減輕水泥水化物在高溫下的體積變化。摻合材料種 類有黏土質(zhì) （ 黏土熟料、黏土磚、紅磚 ） 、高鋁質(zhì)滴鋁磚，礬土熟料 ） 、鎂質(zhì) （ 冶金鎂砂、鎂 磚 ） 、粉煤灰及高爐重礦渣等。（3）集料 不宜采用石灰?guī)r及石英質(zhì)集料。 石灰?guī)r集料易在高溫下分解， 石英質(zhì)集料在高溫下會(huì)發(fā)生較大的體積變形 （ 擴(kuò)大至原體積的 倍 ） ，這些將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。因此耐 熱混凝土的集料應(yīng)選擇在高溫下體積變形小且化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的材料。

14、可用黏土熟料、鋁礬土熟 料、耐火磚碎料、紅磚碎料、高爐礦渣、碎鎂磚、燒結(jié)鎂砂、鉻鐵礦、玄武巖及輝綠巖等。集料中 嚴(yán)禁混有石灰?guī)r等有害雜質(zhì)。 耐熱混凝土的配合比設(shè)計(jì)， 應(yīng)根據(jù)混凝土的工作強(qiáng)度、 極限工作溫度、 材料來(lái)源及經(jīng)濟(jì)因素加以綜合考慮， 并通過(guò)試驗(yàn)確定。 在試驗(yàn)中應(yīng)注意用水量 （ 或水玻璃用量 ） 在 滿足和易性要求下應(yīng)盡量減少，其坍落度應(yīng)比普通混凝土小10 20mm ；宜用機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間要比普通混凝土延長(zhǎng) 12 分鐘。耐熱混凝土澆筑后應(yīng)精心養(yǎng)護(hù)，水泥耐熱混凝土宜在15 25 C的潮濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)， 水玻璃耐熱混凝土宜在 1530 C的干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)； 水泥耐熱混凝土 在氣溫低于+ 7

15、C、水玻璃耐熱混凝土在低于+ 10 C時(shí)施工，即應(yīng)按照冬期施工規(guī)定執(zhí)行，并不得摻用化學(xué)促凝劑。耐火混凝土的用途、材料組成及設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)耐火混凝土是指工作于 900 1600 C的溫度下并保持其物理力學(xué)性能的特種混凝土，它 與耐熱混凝土 有許多共同之處， 在一些資料中甚至不將二者加以區(qū)分。 它與耐熱混凝土的區(qū)別主要 在于它往往 直接暴露于高溫火焰中， 工作溫度亦更高， 且較少反復(fù)加熱冷卻情況。 耐火混凝土廣泛 運(yùn)用于冶金、 石油、 化工及核電等工業(yè)窯爐 中， 主要代替耐火磚用作窯爐的膛壁內(nèi)襯或主體結(jié)構(gòu)， 它比耐火磚生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，施工效率高，成本低，易于滿足異形部位施工與維修，其壽命較耐火磚 可提

16、高 1 2 倍。耐火混凝土品種繁多， 其材料組成也因具體工作要求不同而多種多樣， 可大致作如下分類。(1) 按膠結(jié)材料分類 水硬性耐火混凝土膠結(jié)材料為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、高鋁水 泥等。它的強(qiáng)度形成與普通混凝土相同， 都是由于水泥水化反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)與集料界面緊密結(jié)合， 形成具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度的整體。 火硬性耐火混凝土 膠結(jié)材料為高鋁水泥、 低鈣鋁酸鹽水泥等。 火硬性耐火混凝土的膠結(jié) 材料僅在混凝土澆筑成型后的一段時(shí)間由水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生膠凝作用，形成混凝土的初期強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)本身起支持作用。 當(dāng)溫度升高時(shí)，在溫度3001200 C階段，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一系列化學(xué)反 應(yīng)，水泥石由低密

17、度水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)成高密度非水化產(chǎn)物 ( 焙燒產(chǎn)物 ) ，固相體積縮小，而固體間空 隙增大，混凝土強(qiáng)度反而降低。 當(dāng)繼續(xù)升溫，溫度超過(guò)1200 C后，固相材料經(jīng)燒結(jié)作用產(chǎn)生陶瓷 結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度顯著提高，成為工作所需要的耐火混凝土。 氣硬性耐火混凝土 膠結(jié)材料為水玻璃并用氟硅酸鈉作固化劑 ( 參見(jiàn)耐酸堿混凝土 ) 水玻璃耐熱混凝土粗集料常用鎂磚碎塊或黏土熟料塊，細(xì)集料常用鎂砂或黏土熟料砂，摻合料常用 鎂磚粉或黏土熟料粉。(2) 按集料成分分類按集料成分，耐火混凝土可分為鋁質(zhì)耐火混凝土主要成分為氧化鋁(Al 2 O 3 ) ，耐火溫度1800 C、硅質(zhì)耐火混凝土主要成分為二氧化硅（SiO 2 ），耐火溫度1200 C與鎂質(zhì)耐火混凝土主要成分為氧化鎂 （MgO），耐火溫度800 C 。（3）按堆密度分類按堆密度，耐火混凝土可分為普通耐火混凝土 （ 所用集料為天然石材 ） 與輕質(zhì)耐火混凝 土 （ 所用集料為天然輕集料、人造輕集料及工業(yè)廢渣輕集料 ）。耐火混凝土的配比設(shè)計(jì)有如下要點(diǎn)。 施工條件允許的前提下，要盡可能降低水灰比，減少用水量。這是因?yàn)槟突鸹炷猎诟?溫下水分容易散失，致使混凝土孔隙增加、強(qiáng)度降低。 在滿足和易性和常溫強(qiáng)度的前提下，要盡可能減少膠結(jié)材料和水泥的用量。這是因?yàn)橥?常集料的耐火程度要高于膠結(jié)材料，高溫膠結(jié)材料先于集料發(fā)生軟化、變形。