CN109160780B

CN109160780B - 高强耐热混凝土

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Publication number: CN109160780B
Application number: CN201810976602.9A
Authority: CN
Inventors: 刘虎; 陈连义; 李强; 王丽丽; 李永新
Original assignee: BCEG Advanced Construction Materials Co Ltd
Current assignee: BCEG Advanced Construction Materials Co Ltd
Priority date: 2018-08-25
Filing date: 2018-08-25
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2038-08-25
Also published as: CN109160780A

Abstract

本发明公开了一种高强耐热混凝土，属于混凝土技术领域，其技术方案要点是以重量份数计，包括如下组分：水泥、碎石、高强陶粒、增强剂、中砂、硅灰、粉煤灰、玻化微珠、改性碳纤维、减水剂、水；所述水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥；所述碎石为玄武岩碎石以及硅灰石碎石。本发明通过以高强陶粒提高混凝土的耐热性能、抗渗性能、抗压强度；增强剂提高混凝土的耐热性能、抗压强度；玻化微珠提高混凝土的耐老化性能、耐热性能以及抗开裂性能；改性碳纤维提高混凝土的强度以及柔韧性；硅灰提高混凝土的早期强度、抗渗性能以及抗化学侵蚀性能，从而提高混凝土的强度以及耐热性能。

Description

高强耐热混凝土

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，更具体的说，它涉及一种高强耐热混凝土。

背景技术

目前，冶金行业的高炉、转炉、焦炉的基础部位和发电厂烟囱的内衬部位是由混凝土灌筑而成的，但由于高炉、转炉、焦炉的基础部位和发电厂烟囱的内衬部位通常要承受200-700℃高温下的荷载。普通混凝士受热时容易遭受破坏，主要原因有水泥浆体失水、骨料膨胀以及水泥浆体与骨料、钢筋的热膨胀不协调而产生热梯度，导致了结构的破坏，混凝土产品高温破坏是许多因素共同作用的结果，它们之间存在着非常复杂的关系。普通混凝士随温度变化的一般规律为：

100℃下，混凝土内的自由水逐渐蒸发，内部形成毛细裂缝和孔隙；加载后缝隙尖端应力集中，促使裂缝扩展，抗压强度下降。

200-300℃下，混凝士内自由水已全部蒸发，水泥凝胶水中的结合水开始脱出，胶合作用的加强缓和了缝端的应力集中，有利于强度提高；另一方面粗细骨料和水泥浆体的温度膨胀系数不等，应变差的增大使骨料界面形成裂纹，削弱了混凝土强度；这些矛盾的因素同时作用，使这一温度区段的抗压强度变化复杂。

500℃下，骨料和水泥浆体的温变变形差继续加大，界面裂缝不断开展和延伸；而且400℃后水泥水化生成的氢氧化钙等脱水，体积膨胀，促使裂缝扩展，抗压强度显著下降。

600℃下，未水化的水泥颗粒和骨料中的石英成分形成晶体，伴随着巨大的膨胀，一些骨科内部开始形成裂缝.抗压强度急剧下降。所以，上述这些部位不能采用传统的混凝士灌筑，须采用耐高温混凝土灌筑。

耐热混凝土是指在200-1300℃高温长期作用下，仍能保持其物理、力学性能和良好的耐急冷急热性，且高温下干缩变形小的特种混凝土，在炼铁高炉改造大修工程中应用非常广泛。

现有技术可参考授权公告号为CN105272020B的中国专利，其公开了一种耐热度为500℃的C40泵送混凝土，该混凝土中成分单方用量配比(kg/m³)如下：水泥200-220，粉煤灰80-100，矿渣微粉100-120，细度模数为1.8-2.0的天然细砂420-460，安山岩机制砂360～400，安山岩5-20mm连续级配碎石980-1000，外加剂4.00～4.80，拌合水165-170,聚丙烯纤维0.9。

混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压标准强度来划分的，普通混凝土划分为十四个强度等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80(单位MPa)；目前的耐热混凝土的强度通常是C30-C40。

但是，对于一些强度要求更高的建筑物，就需要使用高强混凝土，高强混凝土指的是C60及其以上的混凝土称为高强混凝土，高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用；高强混凝土最大的特点是抗压强度高，一般为普通强度混疑土的4-6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建筑；但是目前的耐热混凝土只能达到C30-C40的抗压强度，不能满足高强混凝土的要求，因此如何能够使混凝土在获得耐热性能的同时具备高强性能是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强耐热混凝土，其通过以耐热性好的玄武岩以及硅灰石作为粗骨料，能提高混凝土的耐热性能；高强陶粒能提高混凝土的耐热性能、抗渗性能以及抗压强度；增强剂能提高混凝土的耐热性能以及抗压强度；玻化微珠能够提高混凝土的耐老化性能、耐热性能以及抗开裂性能；改性碳纤维能提高混凝土的强度以及柔韧性；硅灰能提高混凝土的早期强度、抗渗性能以及抗化学侵蚀性能，从而在实现混凝土良好的耐热性的同时又能具备很高的强度。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高强耐热混凝土，以重量份数计，包括如下组分：

所述水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥；

所述碎石为重量份数比为1:1的玄武岩碎石以及硅灰石碎石。

通过采用上述技术方案，以石灰岩、花岗岩等为集料的普通混凝土耐热性较差，只能用于200℃以下的温度环境，所以配制耐热混凝土时，应选用高温下不分解且膨胀小的耐热集料，玄武岩以及硅灰石都属于耐热矿石。

陶粒就是陶质的颗粒，陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气作用，并且赋予陶粒较高的强度；轻质性是陶粒许多优良性能中最重要的一点，也是它能够取代重质砂石的主要原因。陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔。这些微孔都是封闭型的，而不是连通型的；它是由于气体被包裹进壳内而形成的，这是陶粒质轻的主要原因。

高强陶粒是指强度标号不小于25MPa的结构用轻粗集料，650℃的高温下，陶粒混凝土能维持常温下强度的85％。而普通混凝土只能维持常温下强度的35％-75％。高强陶粒的吸水率低，抗冻性能和耐久性能好；陶粒混凝土耐酸、碱腐蚀和抗冻性能优于普通混凝土。此外，陶粒还具有优异的抗渗性，能提高混凝土的抗渗抗裂性能。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，具有很好的耐热性能。此外，碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石(10级)，能提高混凝土的强度。

硅灰具有很好的抗渗性以及抗化学侵蚀性，主要表现在以下方面：

(1)抗渗性：由于硅粉颗粒小，比水泥颗粒小20-100倍，可以充填到水泥颗粒中间的空隙中，使混凝土密实，同时硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中渗透通道，故硅粉混凝土的抗渗能力很强，可以提高混凝土的早期强度。

(2)抗化学侵蚀性：在混凝土中掺入硅粉，能减少Ca(OH)₂含量，增加混凝土密实性，有效提高弱酸腐蚀能力，另外，它还能抗盐类腐蚀，尤其是对氯盐及硫酸盐类，它之所以能抗酸盐侵蚀，原因是硅粉混凝土较密实，孔结构得到改善，从而减少了有害离子传递速度及减少了可溶性的Ca(OH)₂和钙矾石的生成，而增加了水化硅酸钙晶体的结果。

玻化微珠由于表面玻化形成一定的颗粒强度，理化性能十分稳定，耐老化耐候性强，具有优异的绝热、防火、吸音性能，适合诸多领域中作轻质填充骨料和绝热、防火、吸音、保温材料。在建材行业中，用玻化微珠作为轻质骨料，可提高砂浆的和易流动性和自抗强度，减少材性收缩率，提高产品综合性能，降低综合生产成本。用玻化微珠替代传统的普通膨胀珍珠岩和聚苯颗粒作干混保温砂浆轻质骨料，克服了膨胀珍珠岩吸水性大、易粉化，在料浆搅拌中体积收缩率大，易造成产品后期强度低和空鼓开裂等现象，同时又弥补了聚苯颗粒有机材料易燃、防火性能差、高温产生有害气和耐老化耐候性低、施工中反弹性大等缺陷，提高完善了保温砂浆的综合性能和施工性能。材料燃烧性能为A1级，可耐1000℃以上高温。

本发明进一步设置为：所述改性碳纤维采用如下方法制备：

(1)分散处理：将碳纤维在丙酮中浸泡60-90min，然后在超声波清洗器中清洗40-60min，在真空烘箱中烘干3-4h；

(2)辐射接枝：将步骤(1)的碳纤维在N-羟甲基丙烯酰胺溶液中浸泡4-5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为20-30min；

(3)后处理：将步骤(2)的碳纤维进行用二氯甲烷洗涤3-5次，干燥2-3h即得改性碳纤维。

通过采用上述技术方案，高能射线对碳纤维表面进行适度刻蚀增大了纤维表面粗糙度，提高了纤维与基体界面间的机械锁合力，进而使得复合材料的界面强度得以改善，等离子体是由大量处于基态或激发态的高能带负电荷的电子、带正电的离子及中性的原子、分子等粒子组成的导电介质，等离子体处理对碳纤维可以提高其界面剪切强度，且不损伤纤维自身的强度，经过改性后的碳纤维的剪切强度和弯曲强度均有10％的提高；并且可以加强其与水泥的结合，提高其分散性能，使混凝土的强度更加均匀。

本发明进一步设置为：所述增强剂包括以重量份数计的碳化硅10-12份、陶瓷纤维5-6份、硅酸钠1-2份、聚氧乙烯醚0.5-1份以及烷基萘磺酸钠0.3-0.5份。

通过采用上述技术方案，陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动；碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有显著的各向异性柔软，可以提高混凝土的强度与韧性，从而提高混凝土的力学性能；聚氧乙烯醚以及烷基萘磺酸钠可以提高增强剂的分散性，增强其在混凝土中的分散性能。

通过采用上述技术方案，所述玄武岩碎石的粒径为10-20mm连续级配，含泥量<0.5％，针片状颗粘含量≤5％。

本发明进一步设置为：所述玄武岩碎石的粒径为10-20mm连续级配，含泥量<0.5％，针片状颗粘含量≤5％。

通过采用上述技术方案，玄武岩主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁(还有少量的氧化钾、氧化钠)，其中二氧化硅含量最多，约占百分之四十五至五十左右，玄武岩出色的抗压抗折条件性能，而且耐磨性好，吸水率低，具有很好的耐高温性能，其耐高温性能优于石灰石，因此更适合在耐热混凝土中使用。

本发明进一步设置为：所述高强陶粒的粒径为5-20mm。

通过采用上述技术方案，高强陶粒的吸水率低，抗冻性能和耐久性能好，还具有优异的抗渗性，能提高混凝土的抗渗抗裂性能。

本发明进一步设置为：所述硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥85％，平均粒径0.1～0.2μm，含水率<3％，烧失量<6％，火山灰活性指数>90％，比表面积≥15000m²/kg。

通过采用上述技术方案，硅灰具有很好的抗渗性以及抗化学侵蚀性，可以提高混凝土的强度以及抗渗性能。

本发明进一步设置为：所述粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的细度(45μm方孔筛筛余)<6％，需水量比<95％，烧失量<3.5％，含水量<0.2％。

通过采用上述技术方案，粉煤灰具有以下作用：粉煤灰可以改善混凝土拌合料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌合料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失；粉煤灰后可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量，因此施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利。粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等，同时由于粉煤灰比表面积巨大，吸附能力强，因而粉煤灰颗粒可以吸咐水泥中的碱，与碱发生反应而消耗其量。

本发明进一步设置为：所述玻化微珠的堆积密度为90-100kg/m3，简压强度≥150/kPa。

通过采用上述技术方案，玻化微珠可提高砂浆的和易流动性和自抗强度，减少混凝土的收缩率，提高产品综合性能，降低综合生产成本，提高混凝土的耐热性能。

本发明进一步设置为：所述减水剂为聚羧酸系减水剂，聚羧酸系高效减水剂的减水率>25％。

通过采用上述技术方案，减水剂的主要作用是保持混凝土强度不变的条件少，减少混凝土拌和用水量，从而减少水泥用量，或是不增加用水量的情况下，增强混凝土的和易性，但不会提高混凝土的早期强度，主要减少混凝土的水分蒸发产生的空隙和裂缝，一定程度上也可提高混凝土强度。聚羧酸系高效减水剂属于新一代的高效减水剂，减水效果更好，且对混凝土的其他性能影响小。

综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

以耐热性好的玄武岩以及硅灰石作为粗骨料，能提高混凝土的耐热性能；高强陶粒能提高混凝土的耐热性能、抗渗性能以及抗压强度；增强剂能提高混凝土的耐热性能以及抗压强度；玻化微珠能够提高混凝土的耐老化性能、耐热性能以及抗开裂性能；改性碳纤维能提高混凝土的强度以及柔韧性，提高混凝土的力学性能；硅灰能提高混凝土的早期强度、抗渗性能以及抗化学侵蚀性能，从而在实现混凝土良好的耐热性的同时又能具备很高的强度。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

一、实施例1-6中抗渗抗裂混凝土的组分示于表1。

表1实施例1-6中抗渗抗裂混凝土组分表(单位：kg)

其中，增强剂包括碳化硅10-12kg、陶瓷纤维5-6kg、硅酸钠1-2kg、聚氧乙烯醚0.5-1kg以及烷基萘磺酸钠0.3-0.5kg。

水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥；玄武岩碎石的粒径为10-20mm连续级配，含泥量<0.5％，针片状颗粘含量≤5％；高强陶粒的粒径为5-20mm；硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥85％，平均粒径0.1-0.2μm，含水率<3％，烧失量<6％，火山灰活性指数>90％，比表面积≥15000m²/kg；粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的细度(45μm方孔筛筛余)<6％，需水量比<95％，烧失量<3.5％，含水量<0.2％；玻化微珠的堆积密度为90-100kg/m3，简压强度≥150/kPa；减水剂为聚羧酸系减水剂，聚羧酸系高效减水剂的减水率>25％。

制备例1：改性碳纤维采用如下方法制备：

(1)分散处理：将碳纤维在丙酮中浸泡60min，然后在超声波清洗器中清洗60min，在真空烘箱中烘干3h；

(2)辐射接枝：将步骤(1)的碳纤维在N-羟甲基丙烯酰胺溶液中浸泡4h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为30min；

(3)后处理：将步骤(2)的碳纤维进行用二氯甲烷洗涤3次，干燥2h即得改性碳纤维。

制备例2：改性碳纤维采用如下方法制备：

(1)分散处理：将碳纤维在丙酮中浸泡75min，然后在超声波清洗器中清洗50min，在真空烘箱中烘干3.5h；

(2)辐射接枝：将步骤(1)的碳纤维在N-羟甲基丙烯酰胺溶液、甲基丙烯酸溶液中浸泡4.5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为25min；

(3)后处理：将步骤(2)的碳纤维进行用二氯甲烷洗涤4次，干燥2.5h即得改性碳纤维。

制备例3：改性碳纤维采用如下方法制备：

(1)分散处理：将碳纤维在丙酮中浸泡90min，然后在超声波清洗器中清洗40min，在真空烘箱中烘干3h；

(2)辐射接枝：将步骤(1)的碳纤维在N-羟甲基丙烯酰胺溶液、甲基丙烯酸溶液中浸泡5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为30min；

(3)后处理：将步骤(2)的碳纤维进行用二氯甲烷洗涤5次，干燥3h即得改性碳纤维。

二、对比例1-7

对比例1：采用授权公告号为CN105272020B的中国专利，其公开了一种耐热度为500℃的C40泵送混凝土，该混凝土中成分单方用量配比(kg/m³)如下：水泥200-220，粉煤灰80-100，矿渣微粉100-120，细度模数为1.8-2.0的天然细砂420-460，安山岩机制砂360～400，安山岩5-20mm连续级配碎石980-1000，外加剂4.00～4.80，拌合水165-170,聚丙烯纤维0.9。

对比例2：采用申请公布号为CN102060489A的专利申请文件，其公开了一种高强耐热混凝土及其使用方法。以每立方米混凝土计,其成分的重量配比如下：矿渣硅酸盐水泥405-487kg；玄武石1041-1430kg；粒化高炉矿渣810-887kg；粉煤灰45-65kg；减水剂7-9kg；水150-190kg。

对比例3：对比例3与实施例1的不同之处在于原料中未添加高强陶粒。

对比例4：对比例4与实施例1的不同之处在于原料中未添加增强剂。

对比例5：对比例5与实施例1的不同之处在于原料中未添加玻璃微珠。

对比例6：对比例6与实施例1的不同之处在于原料中未添加改性碳纤维。

对比例7：对比例7与实施例1的不同之处在于原料中未添加硅灰。

三、将实施例1-6以及对比例1-7制备的混凝土的性能进行测试。

①抗压强度:按照GB/T50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护1d、7d、28d的抗压强度以及标养28d后高温下的抗压强度，其中高温高压强度，采用如下方法测定，取每组成型3块试件，标准养护28d后，于110℃烘干24h后，置于高温炉中，分别在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃以及700℃下恒温灼烧3h，然后将其自然冷却至室温，测烧后抗压。

②抗氯离子渗透性能:按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中快速氯离子迁移系数法测试标准试块的氯离子渗透深度。

③抗水渗透性能:按照GB/T50082-2009《普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法标准》中的逐级加压法测试标准试块的渗水深度。

④早期抗裂性能:按照GB/T50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，计算混凝土浇注24h后测量得到单位面积的裂缝数目以及单位面积上的总开裂面积。

表2实施例1-6制备的混凝土的性能测试表

表3对比例1-7制备的混凝土的性能测试表

由以上数据可以看出，实施例1-6制备的混凝土较对比例1-7制备的混凝土具有良好的抗压强度、耐高温性能、抗渗性能以及抗开裂性能；对比例3中的抗渗性能以及标准温度下的抗压强度明显低于实施例1，说明高强陶粒能提高混凝土的常温抗压强度以及抗渗性能；对比例4中的常温抗压强度以及高温抗压强度明显低于实施例1，说明增强剂能提高混凝土的抗压强度以及耐热性能；对比例5中的高温抗压强度以及早期抗裂性能明显低于实施例1，说明玻化微珠能提高混凝土的耐热性能以及抗开裂性能；对比例6中的常温抗压强度明显低于实施例1，说明改性碳纤维能提高混凝土的力学性能；对比例7中的早期抗压强度以及抗渗性能明显低于实施例1，说明硅灰能提高混凝土的早期强度以及抗渗性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强耐热混凝土，其特征在于：以重量份数计，包括如下组分：

水泥 280-290份；

碎石 490-510份；

高强陶粒 450-470份；

增强剂 30-40份；

中砂 610-620份；

硅灰 30-40份；

粉煤灰 100-120份；

玻化微珠 40-60份；

改性碳纤维 6-8份；

减水剂 2-4份；

水 160-180份；

所述水泥为P.O.42.5 的普通硅酸盐水泥；

所述碎石为重量份数比为1:1的玄武岩碎石以及硅灰石碎石；

所述改性碳纤维采用如下方法制备：

2.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述增强剂包括以重量份数计的碳化硅10-12份、陶瓷纤维5-6份、硅酸钠1-2份、聚氧乙烯醚0.5-1份以及烷基萘磺酸钠0.3-0.5份。

3.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述玄武岩碎石的粒径为10-20mm连续级配，含泥量<0.5％，针片状颗粘含量≤5％。

4.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述高强陶粒的粒径为5-20mm。

5.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥85％，平均粒径0.1-0.2μm，含水率<3％，烧失量<6％，火山灰活性指数>90％，比表面积≥15000m²/kg。

6.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的细度（45μm方孔筛筛余）<6%，需水量比<95%，烧失量<3.5%，含水量<0.2%。

7.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述玻化微珠的堆积密度为90-100kg/m³，简压强度≥150/kPa。

8.根据权利要求1所述的高强耐热混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系减水剂，聚羧酸系高效减水剂的减水率>25％。