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(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 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(dá)到 700 ～ 800 ℃。其耐熱機(jī)理是：硅酸鹽水泥熟料中的 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(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)形成耐熱性好的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，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 、硅酸鹽水泥耐熱混凝土的配合比
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，一般常采用經(jīng)驗(yàn)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(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 1300 ～ 1600 ℃，有的甚至能達(dá)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(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 ℃ C3AH6 → CaO+C12A7 +H2O
AH3 → A12O3 +H2O
500 ～ 1200 ℃ A12O3 +CaO → CA
A12O3+C12A7 → CA( 或 CA2 )
A12O3 +CA → CA2 ( 在A12O3 較多時(shí) )
由上可知，在 500 ℃ 以前，水泥石由高鋁水泥的水化物組成； 500 ～ 900 ℃時(shí)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 ℃ 開始發(fā)生固相燒結(jié)； 1200 ℃ 以上時(shí)變?yōu)樘沾山Y(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 ℃ 發(fā)生燒結(jié)產(chǎn)生陶瓷結(jié)合后，具有更高的燒結(jié)強(qiáng)度和耐火度，其最高使用溫度可達(dá) 1600 ℃ 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 1500 ℃ ，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、高鋁礬熟料粉等。粉料的細(xì)度一般應(yīng)小于 lμm 。
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 1500 ～ 1700 ℃ ，最高可達(dá) 3000 ℃ 。而磷酸鹽耐高溫混凝土可以經(jīng)受 -30 ～ 2000 ℃ 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) 及偏磷酸 (HPO3) 等，常用的主要是正磷酸。正磷酸本身無膠結(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、熱震穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。適用溫度為 800~ 1200 ℃ ，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 300 ℃ 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 600 ～ 900 ℃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 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(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，長時(shí)間承受高溫作用外，還會(huì)承受加熱冷卻的反復(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 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(diǎn)。
(1) 水泥 強(qiáng)度等級(jí)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(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 ℃ 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 1.3 ～ 1.5 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?？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(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、材料來源及經(jīng)濟(jì)因素加以綜合考慮，并通過試驗(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 1~2 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 ℃的潮濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，水玻璃耐熱混凝土宜在 15 ～ 30 ℃的干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)；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(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 ℃ 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(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。
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(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 300 ～ 1200 ℃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 1200 ℃ 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。
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(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 ℃ 、硅質(zhì)耐火混凝土主要成分為二氧化硅 (SiO 2 ) ，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(shè)計(jì)有如下要點(diǎn)。
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?yàn)槟突鸹炷猎诟邷叵滤秩菀咨⑹?，致使混凝土孔隙增加、?qiáng)度降低。
②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ǔ＜系哪突鸪潭纫哂谀z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(dāng)?shù)膿胶喜牧峡商岣呋炷恋哪突鹦?，同時(shí)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、鉻鐵礦、粉煤灰、高鋁磚的磨細(xì)粉料。
④集料要選擇適當(dāng)?shù)募?jí)配使密度達(dá)到最大，還要注意與膠結(jié)材料的匹配與適應(yīng)。砂率控制在 40 ％～ 60 ％。配合比設(shè)計(jì)一般以經(jīng)驗(yàn)合比為基礎(chǔ)，通過試拌調(diào)整后確定。耐火混凝土一般不配鋼筋，因?yàn)殇摻畹臒崤蛎浵禂?shù)與耐火混凝土差別很大，高溫下會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂剝落，鋼筋氧化、軟化失去增強(qiáng)作用。必須配筋時(shí)要采取特殊措施，如鋼筋表面滲鋁抗氧化、用型鋼或埋入冷卻水管等。
