耐熱混凝土的定義、分類和應用

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。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)的熱工設備和長期受高溫作用的構(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、高溫鍋爐的基礎及外殼。

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32.5MPa。

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(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(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(fā)生較大體積變形，還有一些骨料在高溫下發(fā)生分解，從而導致普通混凝土結(jié)構(gòu)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(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：一是可增加混凝土的密實性，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，摻合料中的A12O3和SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的脫水產(chǎn)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(shù)量A12O3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(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(jīng)驗配合比為初始配合比，再通過試配調(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有游離CaO的中性水泥，具有快硬、高強、熱穩(wěn)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(yè)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(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)

高鋁水泥是由石灰和鋁礬土按一定比例磨細后，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C3AH6、AH3、CAH10、C2AH8，而上述產(chǎn)物在高溫作用下會發(fā)生脫水，脫水產(chǎn)物之間發(fā)生反應。如：

溫下分解脫水，晶格結(jié)構(gòu)遭到破緣故。當溫度達到600～900℃時，含有石英巖與石灰?guī)r的集料會急劇膨脹并產(chǎn)生化學分解，也使混凝土強度顯著降低。所以普凝土的正常使用溫度不應超過250℃。

耐熱混凝土是指能夠長期承受高溫(250～1300℃)作用高溫下保持工作所需要的物理力學性能的特種混凝土，耐熱混凝土主要用于工業(yè)窯爐基礎、外殼、煙囪及原子能壓力容器等處，長時間承受高溫作用外，還會承受加熱冷卻的反復溫度變化作。

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700～1200℃)、礦渣酸鹽水泥耐熱混凝土(耐熱溫度700～900℃)和高鋁水泥耐熱(耐熱溫度1300～1400℃)等幾種。水玻璃耐熱混凝土的耐熱溫度為600～1200℃。

耐熱混凝土的材料選用有如下要點。

(1)水泥強度等級不得低于32.5MPa，水泥中所摻的混合材料不得含有石灰?guī)r類熔點低且在高溫下易于分解軟化的材料。

(2)摻合材料當工作溫度高于700℃時，必須加入摻合材料。摻合材料是在拌制耐熱混凝土時摻入的具有耐熱作用的細粒粉料。加入摻合料首先可以增加混凝土的密實性，減少高溫變形；其次某些摻合料可以與水泥水化物起化學反應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)集料在高溫下會發(fā)生較大的體積變形(擴大至原體積的1.3～1.5倍)，這些將導致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。因此耐熱混凝土的集料應選擇在高溫下體積變形小且化學性質(zhì)比較穩(wěn)定的材料?？捎灭ね潦炝稀X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。集料中嚴禁混有石灰?guī)r等有害雜質(zhì)。耐熱混凝土的配合比設計，應根據(jù)混凝土的工作強度、極限工作溫度、材料來源及經(jīng)濟因素加以綜合考慮，并通過試驗確定。在試驗中應注意用水量(或水玻璃用量)在滿足和易性要求下應盡量減少，其坍落度應比普通混凝土小10～20mm；宜用機械攪拌，攪拌時間要比普通混凝土延長1~2分鐘。耐熱混凝土澆筑后應精心養(yǎng)護，水泥耐熱混凝土宜在15～25℃的潮濕環(huán)境中養(yǎng)護，水玻璃耐熱混凝土宜在15～30℃的干燥環(huán)境中養(yǎng)護；水泥耐熱混凝土在氣溫低于+7℃、水玻璃耐熱混凝土在低于+10℃時施工，即應按照冬期施工規(guī)定執(zhí)行，并不得摻用化學促凝劑。

耐火混凝土的用途、材料組成及設計施工要點

耐火混凝土是指工作于900~1600℃的溫度下并保持其物理力學性能的特種混凝土，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，且較少反復加熱冷卻情況。耐火混凝土廣泛運用于冶金、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

①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。它的強度形成與普通混凝土相同，都是由于水泥水化反應生成膠凝物質(zhì)與集料界面緊密結(jié)合，形成具有設計強度的整體。

②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?；鹩残阅突鸹炷恋哪z結(jié)材料僅在混凝土澆筑成型后的一段時間由水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生膠凝作用，形成混凝土的初期強度，對結(jié)構(gòu)本身起支持作用。當溫度升高時，在溫度300～1200℃階段，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一系列化學反應，水泥石由低密度水化產(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，混凝土強度反而降低。當繼續(xù)升溫，溫度超過1200℃后，固相材料經(jīng)燒結(jié)作用產(chǎn)生陶瓷結(jié)構(gòu)，強度顯著提高，成為工作所需要的耐火混凝土。

③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(Al2O3)，耐火溫度1800℃、硅質(zhì)耐火混凝土主要成分為二氧化硅(SiO2)，耐火溫度1200℃與鎂質(zhì)耐火混凝土主要成分為氧化鎂(MgO)，耐火溫度800℃。

(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計有如下要點。

①施工條件允許的前提下，要盡可能降低水灰比，減少用水量。這是因為耐火混凝土在高溫下水分容易散失，致使混凝土孔隙增加、強度降低。

②在滿足和易性和常溫強度的前提下，要盡可能減少膠結(jié)材料和水泥的用量。這是因為通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。

③加入適當?shù)膿胶喜牧峡商岣呋炷恋哪突鹦?，同時可改善和易性并減少水泥用量。常用摻合材料有黏土熟料、黏土耐火磚、黃土、礬土熟料、鎂砂