一种梯度围护结构耐热高强混凝土及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种梯度围护结构耐热混凝土及其制备方法。

背景技术：

耐热混凝土是指在200～1300℃高温长期作用下，其物理性能、力学性能不被破坏，且具有良好的耐急冷急热性能，在高温作用下干缩变形小的一种特殊高强混凝土。传统的耐热混凝土多采用普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等为胶凝材料、采用破碎后的天然岩石为骨料。混凝土在硬化后形成坚实的结构整体，但氢氧化钙等碱含量较高，在500℃的高温下会分解成氧化钙和水，使得混凝土体积缩小，随后生成的氧化钙体积又会迅速膨胀，这种急剧收缩性导致混凝土在高温环境中形成较多的孔洞和裂缝，水泥石结构蓬松且水泥石与骨料粘结性降低。另外，当该种混凝土在温度为800℃的氛围内时，其内的水化硅酸钙(C-S-H)会脱水导致强度完全丧失。

近年来，由于工业的快速发展，对混凝土的耐热性能提出了要求，特别在冶金、化工、建材等行业；然而普通混凝土遇到高温时容易发生内部物理结构变化，导致水泥凝胶结构脱水、骨料受热膨胀、水泥石与骨料膨胀系数不协调而引发混凝土结构形变。所以寻找一种性能优良的防火耐热混凝土是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有普通硅酸盐耐热混凝土在高温环境中强度损失快等不足，本发明提出了一种梯度围护结构耐热高强混凝土及其制备方法，可以有效提高混凝土的耐热度，降低混凝土强度损失率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种梯度围护结构耐热高强混凝土，其从内到外由内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土构成，其中所述内层高强耐热混凝土以硅酸盐基水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、玄武岩级配碎石、纤维、聚羧酸减水剂、内养护轻集料和水为原料制备而成，外层高耐热混凝土以铝基水泥、铝砂、铝石、中空纤维、聚羧酸减水剂、内养护轻集料和水为原料制备而成；外层高耐热混凝土截面面积与内层高强耐热混凝土之比为1:(1-4)。

上述方案中，所述内层高强耐热混凝土中各原料的添加量为：硅酸盐基水泥160-220kg/m³、粉煤灰80-120kg/m³、矿粉60-120kg/m³、河砂780-860kg/m³、玄武岩级配碎石950-1050kg/m³、增韧纤维2-6kg/m³、聚羧酸减水剂3-6kg/m³，水胶比控制在0.35-0.45，内养护轻集料占内层高强耐热混凝土体积(内层高强耐热混凝土中除内养护轻集料外其他原料体积之和)的1～2％。

上述方案中，所述外层高耐热混凝土中各原料的添加量为：铝基水泥350-450kg/m³、铝砂800-950kg/m³、铝石900-1050kg/m³、中空纤维2-6kg/m³、聚羧酸减水剂3-6kg/m³，水胶比控制在0.35-0.45，内养护轻集料占外层高强耐热混凝土(内层高强耐热混凝土中除内养护轻集料外其他原料体积之和)体积的0.5～1％。

上述方案中，所述内养护轻集料为粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒中的一种或多种；使用前需饱水处理24小时(饱水内养护轻集料)。

上述方案中，所述硅酸盐基水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种。

上述方案中，粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；矿粉为S95级及以上矿粉。

上述方案中，所述增韧纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、钢纤维、多晶莫来石纤维中的一种或多种。

上述方案中，所述铝基水泥为高铝水泥、纯铝酸盐水泥中的一种。

上述方案中，所述铝石为5-16mm连续级配，吸水率≤2％；所述铝砂细度模数2.0-2.5，吸水率≤5％。

上述方案中，所述中空纤维为中空聚丙烯纤维、中空耐碱玻璃纤维、中空聚酯纤维中的一种或多种。

上述一种梯度维护结构耐热高强混凝土的制备方法，包括如下步骤：1)分别按配比配制内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土：分别将称取的除聚羧酸减水剂和水以外的原料加入搅拌锅内搅拌均匀，然后加入水和聚羧酸减水剂搅拌均匀，分别制得内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土；2)先浇筑内层高强耐热混凝土，待内层高强耐热混凝土硬化成型后再浇筑外层高耐热混凝土，即得所述梯度维护结构耐热高强混凝土。

本发明的原理为：1)将饱水内养护轻集料分别添加到内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土中，增加了混凝土内部热量和水分传输通道，轻集料内部多孔结构为在高温环境中蒸发的自由水和部分结合水提供泄压途径，有效避免了混凝土高温爆裂现象。2)将增韧纤维引入内层高强耐热混凝土中，增加了混凝土的抗韧性、抗裂性，增加了水泥石粘结强度，阻断了混凝土内部微裂纹的扩展，使得热应力集中在纤维末端而得到消散；通过在外层高耐热混凝土中引入中空纤维，中空结构可以为水泥水化期提供充足的水参与水化，使得水泥石界面过渡区结构更加致密，使用过程中中空纤维可有效为高温水蒸气提供体积空隙，减少水分的蒸发损失，同时中空纤维和内养护轻集料增加了外层高耐热混凝土的内部有效湿度，促进水泥水化程度，提高了界面粘结力。3)通过设计梯度维护结构，在高温环境中外层高耐热混凝土(外部维护)中生成的铝酸一钙、铝酸二钙会在高温(≥1200℃)中转化为非水化氧化铝陶瓷相，使之与铝石、铝砂等粘结牢固，显著增加了其耐高温性能；在内层高强耐热混凝土中使用大掺量的粉煤灰和矿粉，使得混凝土中的氢氧化钙在高温环境中与二氧化硅、氧化铝及三氧化二硅等活性成分发生二次水化反应形成非水化产物，同样增强来了其耐久性。

本发明的有益效果为：

1)采用该梯度维护结构耐热混凝土可以提高混凝土的耐热度200℃以上，有效降低了混凝土结构强度损失率，显著改善混凝土结构耐高温性能；

2)该梯度维护结构耐热混凝土中的中空纤维和多孔陶粒改善了混凝土内部湿度场，提高了混凝土内部水化强度，同时为高温中水分和热应力的扩散提供通道，改善了混凝土耐高温性能，为混凝土结构提供了安全保证，混凝土耐热度可以达到1000℃及以上；

3)通过该梯度维护结构制备的混凝土强度等级高且耐高温性能优异，建筑物防火性能得到较大改善，为建筑物结构安全和人们舒适生活提供保障。

附图说明

图1为实施例1所得梯度维护结构耐热高强混凝土的结构示意图。

图2为实施例2所得梯度维护结构耐热高强混凝土的结构示意图。

图3为实施例3所得梯度维护结构耐热高强混凝土的结构示意图。

图中，1为外层高耐热混凝土构成，2为内部高强耐热混凝土。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中如无具体说明，采用的试剂为市售化学试剂或工业产品。

以下实施例中，所述硅酸盐基水泥为华新P·O42.5普通硅酸盐水泥，所述粉煤灰为武汉阳逻Ⅱ级粉煤灰，细度(0.045mm筛余)24％，需水量比98％，烧失量4.5％；所述矿粉为钢华S95级矿粉，比表面积434m²/kg，7天活性指数76％，28天活性指数96％；所述玄武岩级配碎石为5-16mm连续级配，表观密度为2718kg/m³，针片状含量4.3％，压碎值7.4％；所述河砂为洞庭湖中砂，表观密度2680kg/m³，细度模数：2.9，含泥量2.1％。

所述铝基水泥为郑州宇翔特种水泥有限公司的CA-80特种耐火水泥(高铝水泥)；铝石为5-16mm连续级配，表观密度2610kg/m³，吸水率1.6％；铝砂为中砂，表观密度2600kg/m³，细度模数2.2，含泥量1.2％，吸水率2.3％。

所述聚羧酸减水剂为西卡聚羧酸减水剂，减水率23％，固含量25％，掺量为1.0％。

所述梯度维护结构耐热高强混凝土的制备方法包括如下步骤：1)分别按配比配制内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土：分别将称取的除聚羧酸减水剂和水以外的原料加入搅拌锅内搅拌1min，然后加入水和聚羧酸减水剂搅拌均匀，分别制得内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土；2)先浇筑内层高强耐热混凝土，待内层高强耐热混凝土硬化成型后再浇筑外层高耐热混凝土，即得所述梯度维护结构耐热高强混凝土。

以下实施例中所述中空纤维采用中空聚丙烯纤维(参考文献：胡继文等.硬弹性聚丙烯中空纤维的形成.膜科学与技术，2002，5(22))、中空耐碱玻璃纤维(参考文献：孙凌，王国峰.中空玻璃纤维修复器与混凝土匹配性研究.黑龙江工程学院学报(自然科学版)，2009,23(2))、中空聚酯纤维(南通罗莱化纤有限责任公司提供)。

实施例1

一种梯度维护结构耐热高强混凝土，其从内到外由内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土构成(截面图见图1)，其中外层高耐热混凝土截面面积与内层高强耐热混凝土之比为1:2.5。内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土的配合比分别见表1和表2；测试结果见表3。

表1 实施例1中内层高强耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，内养护轻集料采用页岩陶粒，堆积密度830kg/m³，简压强度2.5Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为内层高强耐热混凝土体积的2.0％；增韧纤维采用聚丙烯纤维。

表2 实施例1中外层高耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，内养护轻集料采用粘土陶粒，堆积密度820kg/m³，简压强度3.5Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为外层高耐热混凝土体积的1.0％；中空纤维采用中空聚丙烯纤维。

参照YBT 4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》进行混凝土性能测试，结果见表3。

表3 实施例1所得梯度维护结构耐热高强混凝土的性能测试结果

实施例2

一种梯度维护结构耐热高强混凝土，其从内到外由内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土构成(截面图见图2)，其中外层高耐热混凝土截面面积与内层高强耐热混凝土之比为1:3.5；内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土的配合比分别见表4和表5；性能测试结果见表6。

表4 实施例2中内层高强耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，轻集料采用页岩陶粒，堆积密度750kg/m³，简压强度3.0Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为内层高强耐热混凝土体积的1.7％；增韧纤维采用钢纤维。

表5 实施例2中外层高耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，内养护轻集料采用粉煤灰陶粒，堆积密度680kg/m³，简压强度2.5Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为外层高耐热混凝土体积的0.7％；中空纤维采用中空聚酯纤维。

参照YBT 4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》进行混凝土性能测试，结果见表6。

表6 实施例2所得梯度维护结构耐热高强混凝土的性能测试结果

实施例3

一种梯度维护结构耐热高强混凝土，其从内到外由内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土构成(截面图见图3)，其中外层高耐热混凝土截面面积与内层高强耐热混凝土之比为1:3；内层高强耐热混凝土和外层高耐热混凝土的配合比分别见表7和表8；性能测试结果见表9。

表7 实施例3中内层高强耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，内养护轻集料采用粘土陶粒，堆积密度950kg/m³，简压强度3.5Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为内层高强耐热混凝土体积的1.2％；增韧纤维采用多晶莫来石纤维。

表8 实施例3中外层高耐热混凝土的配合比(kg/m³)

其中，内养护轻集料采用粉煤灰陶粒，堆积密度600kg/m³，简压强度2.0Mpa，试验前饱水24小时沥干水分，添加量为外层高耐热混凝土体积的0.8％；中空纤维采用中空耐碱玻璃纤维。

参照YBT 4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》进行混凝土性能测试，结果见表9。

表9 实施例3所得梯度维护结构耐热高强混凝土的性能测试结果

由表3、表6、表9可以看出外层高耐热混凝土600℃、800℃残余强度大于26Mpa，超过标准规定的50％，耐热度可以达到1000℃；同时内层高强耐热混凝土800℃高温后剩余强度大于13Mpa，耐热度达到800℃，通过梯度维护结构设计，可以有效增强混凝土耐高温性能，使得内层高强耐热混凝土强度损失率降低，线变化率降低，耐久性提高。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。