耐热混凝土配合比设计及介绍课案

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1、以下内容均来自于网络，郑广伟整理。耐热混凝土是一种能长期承受高温作用(200 C 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、工业窑炉的耐火内衬、高温

2、锅炉的基础及外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。1. 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

3、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 C。其耐热机理是：硅酸盐水泥熟料中的 C 3 S和 C 2 S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 SiO 2和 A1 2 O 3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

4、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、矶土熟料等；细骨料有镁砂、碎镁质耐火砖、含A12O3较高的粉煤灰等。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 A

5、12O3和 SiO 2 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。2. 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

6、。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13001600 C,有的甚至能达到1800 C 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矶土水泥、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矶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C 3 AH 6 AH 3 、 CAH 10 、 C 2 AH 8 ，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

7、应。如：300500 C C3AH6 宀 CaO+C12A7 +H2OAH3 t A12O3 +H2O5001200 C A12O3 +CaO t CAA12O3+C12A7 t CA（ 或 CA2 ）A12O3 +CA t CA2 （在 A12O3 较多时）由上可知，在 500 C 以前，水泥石由高铝水泥的水化物组成；500 900 C时由水化产物及由脱水产物之间的二次反应物组成；1000 C 开始发生固相烧结；1200 C 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

8、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 C 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 C 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，如矶土熟料碎高铝砖、碎镁砖和镁砂等。如使用温度超过1500 C ,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

9、掺加一定量的与水泥化学成分 相进的粉料，如刚玉粉、高铝矶熟料粉等。粉料的细度一般应小于I卩m。3. 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15001700 C ，最高可达 3000 C 。而磷酸盐耐高温混凝土可以经受-30 2000 C 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

10、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。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

11、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。4. 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 8001200 C ，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普通混凝土在环境温度超过300 C 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

12、。当温度达到600900 C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 C o耐热混凝土是指能够长期承受高温（2501300 C ）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 700120

13、0 C ）、矿渣酸盐水泥耐热混凝土（耐热温度 700900 C ）和高铝水泥耐热（耐热温度 13001 400 C ）等几种。水玻璃耐热混凝土的耐热温度为6001200 Co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 42.5MPa，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 C 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（

14、黏土熟料、黏土砖、红砖 ）、高铝质滴铝砖，矶土熟料）、镁质（冶金镁砂、镁砖）、粉煤灰及高炉重矿渣等。（3）集料 不宜米用石灰岩及石英质集料。石灰岩集料易在咼温下分解，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、铝矶土熟料、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

15、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1020mm ;宜用机械搅拌，搅拌时间要比普通混凝土延长12分钟。耐热混凝土浇筑后应精心养护，水泥耐热混凝土宜在 1525 C的潮湿环境中养护，水玻璃耐热混凝土宜在1530 C的干燥环境中养护；水泥耐热混凝土在气温低于+ 7 C 、水玻璃耐热混凝土在低于+ 10 C 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 C 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

16、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12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 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。

17、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 3001200 C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 C 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。 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

18、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(A12 0 3 )，耐火温度 1800 C 、硅质耐火混凝土主要成分为二氧化 硅(SiO 2 )，耐火温度 1200 C 与镁质耐火混凝土主要成分为氧化 镁 (MgO)，耐火温度 800 C 。(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。 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

19、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。 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。 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、矶土熟料、镁砂、铬 铁矿、粉煤灰、高铝砖的磨 细粉料。 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

20、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。 养护同耐热混凝土。6.耐高温混凝土配合比设计本次配合比设计目标混凝土强度等级为C35，耐热温度为700 C，工作性满足要求本次配合比设计目标商品混凝土强度等级为C35，耐热温度为700 C，工作性满足要 求，经济合理。为保证所设计的配合比具有较强的实用性，尽可能的不改变预拌商品混凝土有限公司目前使用的原材料品种。一、商品混凝土材料受热后作用机理大量研究表明商品混凝土在高温受热下的退化主要表现在：商品混凝土表观密度降低；形成大量的孔和和裂缝以及强度和弹性模

21、量的下降。受热作用主要分为两个方面：1、水泥水化产物受热作用机理；2、骨料受热作用机理；3、水泥石和骨料界面受热作用机理。水泥水化产物受热作用具体过程如下：100 C时毛细孔开始失水；100-150 C时由于水蒸气蒸发促进熟料逐步水化使商品混凝土抗压强度增加；200-300 C水泥水化产物水化硅酸钙凝体脱水导致组织硬化；300 C以上由于脱水加剧商品混凝土收缩开始出现裂纹，强度开始下降；575 C氢氧化钙脱水使水泥组织破坏，900 C商品混凝土中的碳酸钙分解。普通硅酸盐水泥配制的商品混凝土在900 C时游离水、结晶水及水化物的脱水基本结束，商品混凝土强度几乎丧失。同时必须注意由于氢氧化钙的脱水

22、，碳酸钙的分解，商品混凝土中 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，此外高温改变了钙矶石的形成机理，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 C以下，体积逐渐膨胀，而在575 C时，突然膨胀；含有石灰岩的材料，在750 900 C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 C。300 C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

23、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 C,为确保安全实际研究过程中提高至750 C,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

24、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

25、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

26、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

27、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 C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 C耐高温商品混凝土设计。材料性能:(1 )水泥:P 042.5 ;(2 )砂：水渣；(3 )石子：520mm (玄武岩)；(4 )外加剂：掺加高效聚羧酸。(5 )水：自来水；(6 )聚丙烯纤维：46mm。商品混凝土配合比(kg/m3)水水泥粉煤灰矿粉砂石纤维外加剂1外加剂2实测坍落度(mm ) 抗压强度(MPa )700 C残余强度(MPa)7d 28d5.7 ,175 ,270 ,90 ,115, 741, 1024 , 纤维 1.5，外加剂：塌落度180 mm7d30.428d42.6 残余强度 21.8备注残余强度为原强度 51.2%