CN111116151A - 耐高温固结材料及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温固结材料及其施工方法。材料包括胶凝剂、粗骨料、细骨料、超细微粉、防爆纤维、早强剂、促烧剂、引气剂、以及减水剂。本发明通过设计研究固结材料组分、选择耐高温性能骨料，研究影响材料性能的外加剂，经过***研究分析材料性能，获得性能优良、节能环保、施工快捷和高效长寿的耐高温固结材料。该材料在遭受长时间火焰射流和500～1500℃的高温环境下、强度不损失，承载力不丧失，具有高温服役和愈用愈强的材料特性，属于耐高温结构材料技术领域；克服了普通硅酸盐水泥制备的固结材料容器在受高温作用时耐高温性差、性脆易裂、抗***冲击能力差，遇高温开裂或爆裂后极易造成构件断裂损坏甚至丧失承载力等缺点。

Description

耐高温固结材料及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温固结材料及其施工方法，属于耐高温结构材料技术领域。

背景技术

耐高温固结材料已广泛地用于冶金、化工、石油、轻工和建材等工业的热工设备和长期受高温作用的构筑物，如工业烟囱或烟道内衬、工业窑炉耐火内衬、高温锅炉基础及外壳和高温火焰冲击区域等。普通水泥制备的固结材料容器在受高温作用(最高达1500℃以上)时耐高温性差、性脆易裂、抗***冲击能力差，遇高温开裂或爆裂后极易造成结构构件断裂损坏甚至丧失承载力，这些缺点不足以保障普通混凝土防护工程结构的安全使用时间，从而可能会造成重大安全事故。同时，虽然其初始投资较低，但后期的维护维修工作量很大，在服役周期内的经济性和有效性存在明显劣势。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种耐高温固结材料及施工方法，该材料在遭受长时间火焰射流和500～1500℃的高温环境下，强度不损失，承载力不丧失，且具有“高温服役”、“愈用愈强”的材料特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种耐高温固结材料，按重量份计，所述材料包括：

在上述组分中，所述胶凝剂为多种铝酸盐水泥的复合。所述胶凝剂，其Al₂O₄含量≥50wt％的铝酸盐水泥，粒度为≤45μm。

所述铝酸盐水泥可以是A50铝酸盐水泥、A60铝酸盐水泥、A70铝酸盐水泥、A80铝酸盐水泥等中的两种或多种铝酸盐水泥复合而成。更优选地，所述胶凝剂采用A80铝酸盐水泥与其他水泥(A50铝酸盐水泥、A60铝酸盐水泥、A70铝酸盐水泥)中的一种或多种进行复合，复合比例根据材料设计性能决定。更优选地，A80铝酸盐水泥与其他水泥的复合比例为2:1～1:3。

所述粗骨料，其Al₂O₃含量≥75wt％，粒径20～10mm，具体可以是矾土、高铝料中的一种或两种。

所述细骨料，其Al₂O₃含量≥80wt％或SiC含量≥90wt％。所述细骨料具体可以是矾土、碳化硅、棕刚玉等中的一种或多种。所述细骨料粒径分布在10～8mm、8～5mm、5～3mm、3～1mm、以及1～0.1mm五个粒径范围内。其中，分布在10～8mm的占细骨料总量的比例为5％～30％，分布在8～5mm占细骨料总量的比例为5％～30％，分布在5～3mm占细骨料总量的比例为5％～30％，分布在3～1mm占细骨料总量的比例为5％～30％，分布在1～0.1mm占细骨料总量的比例为5％～30％，各粒径范围百分含量总量为100％。

所述超细微粉的粒径一般为0.1μm～5μm。所述超细微粉主要是活性氧化铝微粉和硅微粉两者按不同比例复合，复合比例范围可以为2:1～1:2。所述活性氧化铝微粉，其Al₂O₃含量为≥99wt％，D50≤3μm；所述硅微粉，其SiO₂含量≥93wt％，平均粒径在0.1～0.3μm。

所述防爆纤维可以为不同细度和长度的聚丙烯纤维中的一种，优选地长度为3～6mm，细度可以为38μm～42μm。具体地，长度为5mm，细度可以为40μm。

所述早强剂为有机类复合的复合早强剂。优选为甲酸钙与三乙醇胺的复合，其中，所述甲酸钙和所述三乙醇胺复合比例为1:2～3:1，产品规格均为工业级产品。

所述促烧剂主要选择是金属硅和硼酸，两者复合起到不同使用条件的烧结效果，两种促烧剂的比例根据具体环境来选择，例如，所述金属硅和所述硼酸的复合比例可以为20:1～5:1。其中，所述金属硅的Si≥95wt％，粒径可以为200目；所述硼酸为工业级产品。

所述引气剂可以为石油磺酸盐、烷基芳烃磺酸类中的一种，主要优选石油磺酸盐。

所述减水剂为巴斯夫FS系列，例如可以为巴斯夫减水剂FS20、FS10中的一种；主要优选FS20。

根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种耐高温固结材料的施工方法，所述方法包括以下步骤：

1)按重量份数(以及组分纯度)称量好原材料；

2)将称量好的原材料，倒入倾斜式搅拌机中混合，转子转速控制在135～153r/min，混合时间控制在3～5分钟；

3)混合后材料经筛分和水加量检验，合格后装入防水包装袋中密封，形成产品。

4)在现场浇筑/喷涂施工时，按检验水加量添加，搅拌5～8分钟至充分混合；

5)调整水加入量，检测材料流动值，合格后形成可浇筑/喷涂的施工产品。

本发明所提供的耐高温固结材料，具有如下创新性和有益效果：

(1)本发明引入的胶凝剂是两种或多种铝酸盐水泥复合，保证了材料施工性，以及使用的快硬、高强、热稳定性好、耐火度高等特点。水泥的水化硬化及在加热过程中强度的不断增加，复合水泥中化学组成中含有更多的A1₂O₃，因此在1200℃发生烧结产生陶瓷结合后，具有更高的烧结强度和耐火度，最高使用温度达到1600℃以上。

(2)本发明引入氧化铝微粉和二氧化硅微粉作为超细微粉，可在高温下反应生成针棒状或晶须状的莫来石的网络结构，可有效提高结构强度，提高抗热震性和抗冲刷性。

(3)本发明引入的减水剂溶于水后吸附于分散相表面，增大粒子间的排斥力，分散粒子组成的凝集结构中包裹的游离水释放出来，在粒子间起润滑作用和分散粒子作用，从而降低了浇注料拌合用水量，降低固结材料的气孔率，提高体积密度和强度。

(4)本发明引入的促烧剂烧结时有适宜的液相存在，往往会大大促进颗粒重排和传质过程，或在较低温度下发生液固反应生成新的胶结物相而促进烧结，液相的出现可能是助烧结剂本身的熔点较低；保证材料在不同温度，尤其是中低温情况下的烧结，有利于固结材料在连续高温使用过程中的强度性能的提高。硼酸在被氧化后生成的B₂O₃可以与基质中Al₂O₃高温下形成9Al₂O₃·2B₂O₃的柱状晶体，分布在耐火材料的基质和间隙里，从而降低气孔率，提高材料的中低温强度。

本发明所陈述的耐高温固结材料，通过设计研究固结材料组分、选择耐高温性能骨料，研究影响材料性能的外加剂，并通过材料力学性能、热能传递和物质传导的研究，使得材料在遭受长时间火焰射流和500～1500℃的高温环境下，强度不损失，承载力不丧失，在高温服役过程中实现了“原位烧成、高温服役、愈用愈强、自我修复”的性能(其中，原位烧成是在材料高温使用环境下可形成烧结，主要是陶瓷烧结；自我修复是指在材料存在微裂纹或裂缝条件下，材料在一定温度下可以反应来弥补材料存在的缺陷)。具有生产方便快捷，施工绿色环保、高效，材料快硬、高强、热稳定性好、耐火度高等特点。使用传统的以石灰石、石英砂、矿粉和硅酸盐水泥为主的固结材料与本发明的高温固结材料的使用情况对比见表1。

表1传统的固结材料与本发明高温固结材料的性能对比

可见，本发明高温固结材料的耐压强度明显高于传统固结材料，且本发明高温固结材料具有高温服役、愈用愈强的性能特点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述，下述各实施例仅用于说明本发明，而本发明的范围并不局限于这些具体实施例中。本发明的耐高温固结材料各实施例和对比例的原料及其按质量份计量的含量如表2所列。

在实施例1-3和对比例1-2中，将耐高温固结材料的各组分按表2所示的重量份准确称量，倒入倾斜式搅拌机中混合，转子转速控制在135～153r/min，混合时间控制在3～5分钟，(混合后可经筛分和水加量检验，合格后)装入防水包装袋中密封保存(形成产品)。

表2耐高温固结材料组分

实施例1-3各组分具体构成如下：

实施例1-3中

胶凝剂分别为A80铝酸盐水泥和A60铝酸盐水泥按1:1比例复合，A80铝酸盐水泥和A70铝酸盐水泥按1:1比例复合，A80铝酸盐水泥和A50铝酸盐水泥按照1:1比例复合。

粗骨料均为高铝料和二级矾土。

细骨料分别为二级矾土、碳化硅、棕刚玉，且均分布在10～8mm、8～5mm、5～3mm、3～1mm、以及1～0.1mm五个粒径范围内，且在五个粒径范围内的细骨料所占细骨料总量的比例相同。

超细微粉均为活性氧化铝微粉和硅微粉的复合，且实施例1-3中两者的比例分别为1:1、1.5:1和1:1.5。

防爆纤维均为聚丙烯纤维，实施例1-3中其长度为3mm，细度40μm。

早强剂均为(工业级产品)甲酸钙与三乙醇胺的复合，且实施例1-3中两者比例分别为1:2；1:1；1.5:1。

促烧剂均为金属硅和硼酸的复合，且金属硅Si≥95wt％，粒径200目，硼酸为工业级产品；实施例1-3中两者比例为10:1。

引气剂分别为石油磺酸盐；

减水剂分别为巴斯夫减水剂FS20。

对比例1-2各组分具体构成如下：

对比例1中胶凝剂仅为A80铝酸盐水泥，对比例2中胶凝剂为硅酸盐水泥与铝酸盐水泥，对比例1和2中的其他组分与实施例1相同。

将实施例1-3和对比例1-2制备的高温固结材料，加入适量水搅拌均匀后浇注到100mm×100mm×100mm模具中，自然养护(1D、7D、14D和28D)，养护后于110℃烘烤24小时，不同温度(500℃×3h、700℃×3h、900℃×3h、1100℃×3h和1500℃×3h)。按国家标准检测试样耐压强度，检测结果见表3。

表3本发明制备的耐高温固结材料性能指标

采用上述实施例1-3的耐高温固结材料在现场进行浇筑或喷涂施工时，可先按检验水加量添加水，搅拌5～8分钟至充分混合；然后调整水加入量，检测材料流动值，合格后形成可施工产品，接着便可进行浇筑或喷涂。

Claims (10)

1.一种耐高温固结材料，其特征在于，按重量份计，包括：

其中，所述胶凝剂为两种或多种铝酸盐水泥复合。

2.根据权利要求1所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥其Al₂O₄含量≥50wt％，粒度≤45μm。

3.根据权利要求1所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述胶凝剂为A80铝酸盐水泥与选自A50铝酸盐水泥、A60铝酸盐水泥以及A70铝酸盐水泥中的一种或多种复合。

4.根据权利要求3所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述A80铝酸盐水泥以2:1～1:3的复合比例与选自A50铝酸盐水泥、A60铝酸盐水泥和A70铝酸盐水泥中的一种或多种复合。

5.根据权利要求1所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述超细微粉为活性氧化铝微粉和硅微粉，比例为2:1～1:2；其中，所述活性氧化铝微粉，其Al₂O₃含量≥99wt％，D50≤3μm；所述硅微粉，其SiO₂含量≥93wt％，平均粒径在0.1～0.3μm。

6.根据权利要求5所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述促烧剂为金属硅和硼酸复合，复合比例为20:1～5:1，其中，所述金属硅的Si≥95wt％，所述硼酸为工业级产品。

7.根据权利要求1所述的耐高温固结材料，其特征在于，

所述粗骨料为矾土和高铝料中的一种或两种，其Al₂O₃含量≥75wt％，粒径为20～10mm；

所述细骨料为矾土、碳化硅和棕刚玉中的一种或多种，所述矾土和棕刚玉的Al₂O₃含量≥80wt％，所述碳化硅的SiC含量≥90wt％，所述细骨料粒径分布在10～8mm，8～5mm，5～3mm，3～1mm和1～0.1mm五个范围内。

8.根据权利要求1所述的耐高温固结材料，其特征在于，

所述引气剂为石油磺酸盐和烷基芳烃磺酸类中的一种；

所述减水剂为巴斯夫减水剂FS20和FS10中的一种；

所述早强剂为有机类复合早强剂。

9.根据权利要求8所述的耐高温固结材料，其特征在于，所述早强剂为甲酸钙和三乙醇胺，其中，所述甲酸钙和三乙醇胺比例为1:2～3:1。

10.一种如权利要求1所述的耐高温固结材料的施工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将称量好的原材料倒入倾斜式搅拌机中混合，转子转速135～153r/min，混合时间3～5分钟；

混合后筛分材料，并进行水加量检验，检验合格后装袋密封，形成产品；

现场施工时，按检验合格的水加量进行添加，搅拌混合5～8分钟；

调整水加入量，检测材料流动值，检测合格后形成可施工产品。