本發明屬于建筑材料技術領域，具體涉及一種梯度圍護結構耐熱混凝土及其制備方法。

背景技術：

耐熱混凝土是指在200～1300℃高溫長期作用下，其物理性能、力學性能不被破壞，且具有良好的耐急冷急熱性能，在高溫作用下干縮變形小的一種特殊高強混凝土。傳統的耐熱混凝土多采用普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥等為膠凝材料、采用破碎后的天然巖石為骨料。混凝土在硬化后形成堅實的結構整體，但氫氧化鈣等堿含量較高，在500℃的高溫下會分解成氧化鈣和水，使得混凝土體積縮小，隨后生成的氧化鈣體積又會迅速膨脹，這種急劇收縮性導致混凝土在高溫環境中形成較多的孔洞和裂縫，水泥石結構蓬松且水泥石與骨料粘結性降低。另外，當該種混凝土在溫度為800℃的氛圍內時，其內的水化硅酸鈣(C-S-H)會脫水導致強度完全喪失。

近年來，由于工業的快速發展，對混凝土的耐熱性能提出了要求，特別在冶金、化工、建材等行業；然而普通混凝土遇到高溫時容易發生內部物理結構變化，導致水泥凝膠結構脫水、骨料受熱膨脹、水泥石與骨料膨脹系數不協調而引發混凝土結構形變。所以尋找一種性能優良的防火耐熱混凝土是本領域技術人員急需解決的問題。

技術實現要素：

為解決現有普通硅酸鹽耐熱混凝土在高溫環境中強度損失快等不足，本發明提出了一種梯度圍護結構耐熱高強混凝土及其制備方法，可以有效提高混凝土的耐熱度，降低混凝土強度損失率。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種梯度圍護結構耐熱高強混凝土，其從內到外由內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土構成，其中所述內層高強耐熱混凝土以硅酸鹽基水泥、粉煤灰、礦粉、河砂、玄武巖級配碎石、纖維、聚羧酸減水劑、內養護輕集料和水為原料制備而成，外層高耐熱混凝土以鋁基水泥、鋁砂、鋁石、中空纖維、聚羧酸減水劑、內養護輕集料和水為原料制備而成；外層高耐熱混凝土截面面積與內層高強耐熱混凝土之比為1:(1-4)。

上述方案中，所述內層高強耐熱混凝土中各原料的添加量為：硅酸鹽基水泥160-220kg/m³、粉煤灰80-120kg/m³、礦粉60-120kg/m³、河砂780-860kg/m³、玄武巖級配碎石950-1050kg/m³、增韌纖維2-6kg/m³、聚羧酸減水劑3-6kg/m³，水膠比控制在0.35-0.45，內養護輕集料占內層高強耐熱混凝土體積(內層高強耐熱混凝土中除內養護輕集料外其他原料體積之和)的1～2％。

上述方案中，所述外層高耐熱混凝土中各原料的添加量為：鋁基水泥350-450kg/m³、鋁砂800-950kg/m³、鋁石900-1050kg/m³、中空纖維2-6kg/m³、聚羧酸減水劑3-6kg/m³，水膠比控制在0.35-0.45，內養護輕集料占外層高強耐熱混凝土(內層高強耐熱混凝土中除內養護輕集料外其他原料體積之和)體積的0.5～1％。

上述方案中，所述內養護輕集料為粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒中的一種或多種；使用前需飽水處理24小時(飽水內養護輕集料)。

上述方案中，所述硅酸鹽基水泥為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥中的一種。

上述方案中，粉煤灰為Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰；礦粉為S95級及以上礦粉。

上述方案中，所述增韌纖維為聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維、多晶莫來石纖維中的一種或多種。

上述方案中，所述鋁基水泥為高鋁水泥、純鋁酸鹽水泥中的一種。

上述方案中，所述鋁石為5-16mm連續級配，吸水率≤2％；所述鋁砂細度模數2.0-2.5，吸水率≤5％。

上述方案中，所述中空纖維為中空聚丙烯纖維、中空耐堿玻璃纖維、中空聚酯纖維中的一種或多種。

上述一種梯度維護結構耐熱高強混凝土的制備方法，包括如下步驟：1)分別按配比配制內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土：分別將稱取的除聚羧酸減水劑和水以外的原料加入攪拌鍋內攪拌均勻，然后加入水和聚羧酸減水劑攪拌均勻，分別制得內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土；2)先澆筑內層高強耐熱混凝土，待內層高強耐熱混凝土硬化成型后再澆筑外層高耐熱混凝土，即得所述梯度維護結構耐熱高強混凝土。

本發明的原理為：1)將飽水內養護輕集料分別添加到內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土中，增加了混凝土內部熱量和水分傳輸通道，輕集料內部多孔結構為在高溫環境中蒸發的自由水和部分結合水提供泄壓途徑，有效避免了混凝土高溫爆裂現象。2)將增韌纖維引入內層高強耐熱混凝土中，增加了混凝土的抗韌性、抗裂性，增加了水泥石粘結強度，阻斷了混凝土內部微裂紋的擴展，使得熱應力集中在纖維末端而得到消散；通過在外層高耐熱混凝土中引入中空纖維，中空結構可以為水泥水化期提供充足的水參與水化，使得水泥石界面過渡區結構更加致密，使用過程中中空纖維可有效為高溫水蒸氣提供體積空隙，減少水分的蒸發損失，同時中空纖維和內養護輕集料增加了外層高耐熱混凝土的內部有效濕度，促進水泥水化程度，提高了界面粘結力。3)通過設計梯度維護結構，在高溫環境中外層高耐熱混凝土(外部維護)中生成的鋁酸一鈣、鋁酸二鈣會在高溫(≥1200℃)中轉化為非水化氧化鋁陶瓷相，使之與鋁石、鋁砂等粘結牢固，顯著增加了其耐高溫性能；在內層高強耐熱混凝土中使用大摻量的粉煤灰和礦粉，使得混凝土中的氫氧化鈣在高溫環境中與二氧化硅、氧化鋁及三氧化二硅等活性成分發生二次水化反應形成非水化產物，同樣增強來了其耐久性。

本發明的有益效果為：

1)采用該梯度維護結構耐熱混凝土可以提高混凝土的耐熱度200℃以上，有效降低了混凝土結構強度損失率，顯著改善混凝土結構耐高溫性能；

2)該梯度維護結構耐熱混凝土中的中空纖維和多孔陶粒改善了混凝土內部濕度場，提高了混凝土內部水化強度，同時為高溫中水分和熱應力的擴散提供通道，改善了混凝土耐高溫性能，為混凝土結構提供了安全保證，混凝土耐熱度可以達到1000℃及以上；

3)通過該梯度維護結構制備的混凝土強度等級高且耐高溫性能優異，建筑物防火性能得到較大改善，為建筑物結構安全和人們舒適生活提供保障。

附圖說明

圖1為實施例1所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的結構示意圖。

圖2為實施例2所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的結構示意圖。

圖3為實施例3所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的結構示意圖。

圖中，1為外層高耐熱混凝土構成，2為內部高強耐熱混凝土。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限于下面的實施例。

以下實施例中如無具體說明，采用的試劑為市售化學試劑或工業產品。

以下實施例中，所述硅酸鹽基水泥為華新P·O42.5普通硅酸鹽水泥，所述粉煤灰為武漢陽邏Ⅱ級粉煤灰，細度(0.045mm篩余)24％，需水量比98％，燒失量4.5％；所述礦粉為鋼華S95級礦粉，比表面積434m²/kg，7天活性指數76％，28天活性指數96％；所述玄武巖級配碎石為5-16mm連續級配，表觀密度為2718kg/m³，針片狀含量4.3％，壓碎值7.4％；所述河砂為洞庭湖中砂，表觀密度2680kg/m³，細度模數：2.9，含泥量2.1％。

所述鋁基水泥為鄭州宇翔特種水泥有限公司的CA-80特種耐火水泥(高鋁水泥)；鋁石為5-16mm連續級配，表觀密度2610kg/m³，吸水率1.6％；鋁砂為中砂，表觀密度2600kg/m³，細度模數2.2，含泥量1.2％，吸水率2.3％。

所述聚羧酸減水劑為西卡聚羧酸減水劑，減水率23％，固含量25％，摻量為1.0％。

所述梯度維護結構耐熱高強混凝土的制備方法包括如下步驟：1)分別按配比配制內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土：分別將稱取的除聚羧酸減水劑和水以外的原料加入攪拌鍋內攪拌1min，然后加入水和聚羧酸減水劑攪拌均勻，分別制得內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土；2)先澆筑內層高強耐熱混凝土，待內層高強耐熱混凝土硬化成型后再澆筑外層高耐熱混凝土，即得所述梯度維護結構耐熱高強混凝土。

以下實施例中所述中空纖維采用中空聚丙烯纖維(參考文獻：胡繼文等.硬彈性聚丙烯中空纖維的形成.膜科學與技術，2002，5(22))、中空耐堿玻璃纖維(參考文獻：孫凌，王國峰.中空玻璃纖維修復器與混凝土匹配性研究.黑龍江工程學院學報(自然科學版)，2009,23(2))、中空聚酯纖維(南通羅萊化纖有限責任公司提供)。

實施例1

一種梯度維護結構耐熱高強混凝土，其從內到外由內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土構成(截面圖見圖1)，其中外層高耐熱混凝土截面面積與內層高強耐熱混凝土之比為1:2.5。內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土的配合比分別見表1和表2；測試結果見表3。

表1 實施例1中內層高強耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，內養護輕集料采用頁巖陶粒，堆積密度830kg/m³，簡壓強度2.5Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為內層高強耐熱混凝土體積的2.0％；增韌纖維采用聚丙烯纖維。

表2 實施例1中外層高耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，內養護輕集料采用粘土陶粒，堆積密度820kg/m³，簡壓強度3.5Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為外層高耐熱混凝土體積的1.0％；中空纖維采用中空聚丙烯纖維。

參照YBT 4252-2011《耐熱混凝土應用技術規程》進行混凝土性能測試，結果見表3。

表3 實施例1所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的性能測試結果

實施例2

一種梯度維護結構耐熱高強混凝土，其從內到外由內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土構成(截面圖見圖2)，其中外層高耐熱混凝土截面面積與內層高強耐熱混凝土之比為1:3.5；內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土的配合比分別見表4和表5；性能測試結果見表6。

表4 實施例2中內層高強耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，輕集料采用頁巖陶粒，堆積密度750kg/m³，簡壓強度3.0Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為內層高強耐熱混凝土體積的1.7％；增韌纖維采用鋼纖維。

表5 實施例2中外層高耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，內養護輕集料采用粉煤灰陶粒，堆積密度680kg/m³，簡壓強度2.5Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為外層高耐熱混凝土體積的0.7％；中空纖維采用中空聚酯纖維。

參照YBT 4252-2011《耐熱混凝土應用技術規程》進行混凝土性能測試，結果見表6。

表6 實施例2所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的性能測試結果

實施例3

一種梯度維護結構耐熱高強混凝土，其從內到外由內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土構成(截面圖見圖3)，其中外層高耐熱混凝土截面面積與內層高強耐熱混凝土之比為1:3；內層高強耐熱混凝土和外層高耐熱混凝土的配合比分別見表7和表8；性能測試結果見表9。

表7 實施例3中內層高強耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，內養護輕集料采用粘土陶粒，堆積密度950kg/m³，簡壓強度3.5Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為內層高強耐熱混凝土體積的1.2％；增韌纖維采用多晶莫來石纖維。

表8 實施例3中外層高耐熱混凝土的配合比(kg/m³)

其中，內養護輕集料采用粉煤灰陶粒，堆積密度600kg/m³，簡壓強度2.0Mpa，試驗前飽水24小時瀝干水分，添加量為外層高耐熱混凝土體積的0.8％；中空纖維采用中空耐堿玻璃纖維。

參照YBT 4252-2011《耐熱混凝土應用技術規程》進行混凝土性能測試，結果見表9。

表9 實施例3所得梯度維護結構耐熱高強混凝土的性能測試結果

由表3、表6、表9可以看出外層高耐熱混凝土600℃、800℃殘余強度大于26Mpa，超過標準規定的50％，耐熱度可以達到1000℃；同時內層高強耐熱混凝土800℃高溫后剩余強度大于13Mpa，耐熱度達到800℃，通過梯度維護結構設計，可以有效增強混凝土耐高溫性能，使得內層高強耐熱混凝土強度損失率降低，線變化率降低，耐久性提高。

以上所述僅為本發明的優選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，做出若干改進和變換，這些都屬于本發明的保護范圍。