耐热混凝土的质量控制

　　耐热混凝土是指能长时间承受200-1300℃温度作用，并能在高温下保持所需要的物理力学性能的特种混凝土。它与耐火砖相比，工艺简单、易于成型施工、原材料来源广泛、结构整体性好、热稳定性好、投资少等优点，常用于工业窑炉基础、高炉外壳及烟囱等；随着工业的飞速发展，其应用范围越来越广，同时对其性能、质量要求也越来越高，根据影响耐热混凝土因素，对原材料的选择、配合比的确定、生产施工、养护等工序进行必要的质量控制。

　　1  混凝土的受热机理

　　1.1 普通混凝土的受热机理

　　普通混凝土由水泥石、骨料(石英质、碳酸盐质)、未水化的水泥颗粒和孔隙组成，在高温下，由于混凝土各组分的物理化学变化、热膨胀不协调、热梯度的存在等许多因素共同作用的结果，使混凝土体积变形，严重时可导致混凝土开裂，影响整体结构。

　　⑴水泥水化产物受热作用机理

　　当温度在200-300℃时，水泥水化产物水化硅酸钙胶体开始脱水使组织硬化；300℃以上脱水加剧，将使水泥石发生体积收缩，开始出现裂缝，强度下降；575℃时，Ca(OH)₂开始脱水使水泥石组织破坏；当温度在500℃和800℃时，混凝土强度分别约为原来强度的70%和30%，混凝土开始坍塌；850℃时混凝土中的水（游离水、结晶水、化合水）脱水基本结束，强度几乎丧失。

　　⑵水泥石与骨料受热作用机理

　　当温度达到300℃时混凝土中的骨料发生体积膨胀，随着温度的升高，骨料的膨胀和水泥石的收缩加剧，这两种相反作用同时进行的结果，使混凝土内部的裂纹逐渐增多，导致包裹着骨料的水泥石骨架破裂成块状；当温度高于500℃时，石英质骨料发生晶形转变，体积可膨胀为原来的1.3-1.5倍，加速了水泥石裂缝的扩展并连同起来，形成大裂缝，导致混凝土开裂；当温度高于800℃时，碳酸盐质骨料发生分解，这些都是直接导致混凝土开裂的直接原因。

　　1.2耐热混凝土的受热性能

　　耐热混凝土要求在高温下既要体积变形小、又不会发生化学分解，热稳定性好，并且在常温和高温下均能保持较稳定的强度。

　　影响耐热混凝土的耐热性因素主要有骨料、混凝土的孔隙率、胶凝材料、各组分的耐热性能等。在生产施工时，其配合比不但应满足混凝土的强度和耐热性能的要求，同时还应满足施工所需的和易性要求；材料本身的性质是决定耐热混凝土高温性能的主要因素，但水泥用量、水灰比、骨料量及级配、化学外加剂、掺合料（矿物外加剂）的选择及用量、施工养护、混凝土密实等对改善耐热混凝土高温性能也有很大的作用。

　　2 原材料的了解和选择

　　原材料的性质是决定耐热混凝土高温性能的首要因素，耐热混凝土由胶结料、骨料、掺合料和混凝土化学外加剂组成。

　　2.1胶结料

　　当胶结料用量超过一定范围时，随着胶结料的增加，混凝土的荷重软化温度降低、高温强度降低程度大、耐火性能降低、残余变量增大；当胶结料用量过少时，骨料之间不能很好地结合在一起，致使耐热混凝土空隙率增大、密实性降低、和易性不好、强度降低；所以为了满足耐热混凝土的耐热性能，在满足强度和和易性的前提下，尽量减少胶结料用量，同时根据耐热混凝土使用时可能承受的最高温度正确选择胶结料。

　　常用的胶结料有硅酸盐质、铝酸盐质、硫酸盐质、磷酸盐质等。

　　⑴硅酸盐胶结料

　　以硅酸盐系列水泥作耐热混凝土胶结料；根据水泥的性能，一般采用矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或水玻璃作耐热混凝土的胶结料（不包括用石灰石粉作混合材的水泥），其最高使用环境温度可达到700-800℃.

　　⑵铝酸盐胶结料

　　一般采用高铝水泥和纯铝酸钙水泥（不包括用石灰石粉作混合材的水泥），其使用环境温度可达到1200-1600℃.

　　⑶矾土胶结料

　　用矾土胶结料即矾土水泥配制的耐火混凝土，其使用最高耐火度可达1730℃.

　　⑷硫酸盐结合剂

　　硫酸盐做为耐火混凝土结合剂，首先是硫酸盐水解成碱式铝盐AI(SO₄)₃（OH）₂，然后生成AI（OH）₂，最后逐渐形成氢氧化铝胶体而凝结硬化，硫酸铝结合的耐火混凝土强度在常温增长很慢，当温度大于700℃时，氢氧化铝胶体大量生成并迅速形成致密的结构，强度随温度的提高而提高；其环境温度在高于700℃时，方可使用。

　　⑸磷酸盐结合剂

　　磷酸盐结合剂本身在常温下不具有胶结性，而是在加热到一定的温度时，一些磷酸盐发生分解-聚合反应，在聚合反应时，新化合物形成和聚合具有很强粘附作用，将骨料粘结在一起形成“混凝土”而获得强度。磷酸盐作为配制耐热混凝土的结合剂，其最高使用环境温度可达到1600-1700℃。[Page]

　　2.2骨料

　　骨料用量约占耐热混凝土材料总用量的80%左右，是影响耐热混凝土的关键因素，所以只有选择热稳定性良好的骨料才能配制出达到质量要求的耐热混凝土，同时改善、优化骨料的级配对提高混凝土的和易性、密实度和热稳定性也十分有效；所以在选择骨料时，必须注意骨料的类别和耐火度，使其与设计要求、胶凝材料相适应，同时还应考虑骨料的用量、粒径、级配以及细骨料的比例（砂率）等。

　　骨料的用量过少，致使胶结料用量较大，造成混凝土的荷重软化温度降低、耐火性能降低、残余变量增大；骨料的用量过大，胶结料用量相对较少，致使混凝土拌合物和易性变差，难以成型，造成混凝土密实性不能保证、空隙率增大、高温下易分层脱落。

　　骨料的粒径过大，混凝土拌合物不易搅拌匀，骨料的表面积减少，致使同等胶凝材料的混凝土和易性变差、密实性降低；骨料的粒径过小，混凝土拌合物工作性变差，要满足施工要求，在水灰比不变的前提下，增加胶凝材料的用量，致使耐火混凝土的高温强度降低程度大、收缩耐火性能降低、残余变量增大。

　　合理的骨料级配，能使骨料堆积较密实，胶凝材料用量少，最大限度地发挥骨料的骨架作用，使耐火混凝土的密实性提高、收缩率小、热稳定性好。

　　合适的砂率，能提高混凝土拌合物的保水性、粘聚性、流动性和可塑性，减少混凝土拌合物的离析，胶凝材料用量少，最大限度地发挥骨料的骨架作用，使耐火混凝土的密实性提高、收缩率小、热稳定性好。

　　在选骨料品种时，要考虑骨料的热稳定性符合设计要求，同时还应考虑骨料的用量、粒径、级配以及砂率等，目前，常采用碎粘土砖、粘土孰料、碎耐火砖作耐热混凝土骨料；还有天然轻骨料(沸石、凝灰岩等)、工业废渣轻骨料（粉煤灰陶粒、燃烧了煤矸石、炉渣等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等）取代普通骨料制成的混凝土，具有轻质、耐火、保温、隔热等特点。

　　2.3混凝土化学外加剂

　　混凝土化学外加剂是在混凝土拌合物搅拌过程中加入的能改变混凝土性能（拌合物、物理力学、耐久性）的物质，一般常用的有高效减水剂、缓凝减水剂、早强减水剂和防冻剂等，根据施工环境、施工要求选择相应的外加剂，同时要注意外加剂与水泥的适应性。

　　一般情况下选择复合型减水剂（具有减水、缓凝、早强、引气成分，冬季有防冻成分），能改善拌合物的和易性、降低水泥用量、提到混凝土的强度和耐久性。根据施工环境的不同，缓凝和早强的含量应作适当的调整；根据工程的使用环境和耐久性的要求，应对外加剂的有害成分加以严格的限制。常用的外加剂有萘系、羧酸系和木钙系。

　　2.4掺合料（矿物外加剂）

　　近代混凝土的发展标志除了外加剂之外，当属掺合料的应用，它能替代部分水泥、改善工作性、降低混凝土水化热、提高混凝土的密实性、强度以及耐久性、大部分是工业废渣、节约能源、保护环境。常用的有粉煤灰、矿渣超细粉和硅粉。

　　1).粉煤灰

　　粉煤灰是从燃煤的电厂锅炉烟气中收集的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，对其质量用活性指数、细度、密度、烧失量、流动比以及有害成分的含量来综合评定，一般选用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，7d、28d强度低于未取代水泥的混凝土强度，但后期强度继续增长，随着时间的延长，其强度高于未取代水泥的混凝土强度；其掺量通过试验确定。一般在施工环境温度较低的情况下不采用。

　　2). 矿渣超细粉

　　把炼铁厂的矿渣烘干后，用粉磨设备磨细成超细粉末，颗粒呈多面体型，对其质量用活性指数、比表面积、密度、烧失量、流动比以及有害成分的含量来综合评定，一般选用比表面积400--750m²/kg，7d强度低于未取代水泥的混凝土强度，28d强度能赶上未取代水泥的混凝土强度；其掺量通过试验确定。一般在施工环境温度较低的情况下，减少其取代量。

　　3).硅粉

　　是冶炼硅钢和硅金属或半导体硅时，从烟尘中收集的一种粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑。比表面积1500--2500m²/kg；一般在配制特高强混凝土时选用，同时需特高效减水剂的配用。

　　3配合比的确定

　　根据所选的原材料通过计算、试配、调整，确定砼配合比，在确定混凝土配合比时，需遵循以下原则;

　　⑴.保证工程结构设计所要求的最低抗压强度；

　　⑵.为满足和保证施工质量要求，混凝土应有合适的流动性和良好的工作性；

　　⑶. 对耐热混凝土工程，混凝土应具有良好热稳定性和耐久性能；

　　⑷.在满足上述质量要求的前提下，所设计的耐热混凝土配合比应尽可能经济合理。

　　采用经济性混凝土配合比的最有效方法：

　　⑴.在材料一定的条件下，水灰比值的大小与混凝土的强度成反比关系，所以尽量采用低的水灰比；在施工条件允许的情况下，尽量减少单位用水量，降低混凝土内部孔隙率，提高混凝土的密实性，保证混凝土的强度；

　　⑵.尽量减少水泥用量，有利于降低混凝土的水化热或减少因水泥浆体收缩引起裂缝的危险性，同时随着水泥用量的增大，混凝土的荷重软化点降低和耐火性能降低；

　　⑶.根据耐热混凝土的使用温度、施工环境，合理选择水泥的品种、强度等级；

　　⑷.根据耐热混凝土的使用温度、搅拌机械、施工机械和施工部位，合理确定骨料的质量、品种、粒径和细骨料的比例等；

　　⑸.尽量选用与胶结料适应性好的混凝土化学外加剂，能降低用水量，节约水泥和化学外加剂的用量；

　　⑹.确定本配合比中化学外加剂的最佳掺量，降低用水量，节约水泥，同时还能提高混凝土的密实性和强度，减少干缩裂缝的产生。

　　4生产施工、养护

　　混凝土的生产、施工和养护等工序也影响砼的最终质量，所以每个环节都要严格按照混凝土结构施工规范进行。[Page]

　　4.1砼的生产

　　⑴．配料要准确，使各种材料的计量要控制在允许误差的范围内；粗、细骨料±2%，胶结料±1%，外加剂（水剂）±1%；

　　⑵．搅拌要均匀，保证混凝土质量的稳定；在搅拌时要有足够的搅拌时间，根据搅拌机的类型、环境温度、混凝土的强度和坍落度确定搅拌时间；

　　⑶．考虑在浇筑前的延时坍落度损失，确定混凝土拌合物的初始坍落度，满足施工机械和施工部位的要求，同时要使混凝土拌合物具有很好的和易性，保证混凝土的施工质量；

　　⑷．运输过程中尽量保证混凝土拌合物的和易性，使浇筑的混凝土不产生离析现象，保证混凝土的施工质量。商品混凝土和预拌混凝土采用带有自转的混凝土运输车，同时在卸料前需要快转；斗式混凝土运输车在运距较长的情况下，浇筑前需人工拌制均匀；

　　4.2混凝土的施工

　　⑴．设置输送缓冲带，尽量降低因施工浇筑落差带来的混凝土拌合物离析，保证混凝土拌合物的和易性；

　　⑵．振捣要到位，保证混凝土的密实性，同时也不能过振，避免混凝土拌合物泌水，保证混凝土质量的均匀性和表面裂缝的产生；

　　⑶．采用木模板时，考虑到它的吸水性，要采取相应的措施；如浇水、刷油等；

　　⑷．浇筑完的混凝土在初凝前，尽量在表面采用二次振捣或抹面，减少混凝土的早期收缩裂缝的产生；

　　⑸．冬季施工时，需清理钢筋上和模板内的积冰。

　　4.3混凝土的养护

　　⑴．施工完毕的混凝土要及时覆盖，避免混凝土表面水分过早的蒸发使干缩裂缝的产生；

　　⑵．做好混凝土养护工作，提供足够的湿度和适宜的温度，保证混凝土强度的正常发展；一般在早期每天数次浇水，同时在气温低的情况下适当延长养护时间；

　　⑶．注意模板拆卸的先后顺序，避免混凝土应力裂缝的产生；一般只起固定成型作用的模板在混凝土终凝后就可以拆掉，既起固定成型作用又起支撑混凝土荷载作用的模板需等混凝土强度超过承受荷载的临界强度时方可拆掉；

　　⑷．施工时不要过早在混凝土上面加载，预制构件不宜过早起吊，防止应力裂缝的产生。

　　5结论

　　耐热混凝土生产、施工任意一个环节控制不当，都会给耐热混凝土造成质量影响，质量控制要从原材料的选择、配合比的确定、生产施工、养护等环节正确控制，只要措施得当，质量可以完全保证。

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