550℃ 耐高溫混凝土的制備研究

管衛東，劉晟，唐慧

（金壇市鼎金混凝土有限公司，江蘇　金壇　212028）

550℃ 耐高溫混凝土的制備研究

管衛東，劉晟，唐慧

（金壇市鼎金混凝土有限公司，江蘇金壇212028）

集料、膠凝材料、水膠比都對混凝土的耐高溫性能有較大的影響。當混凝土的服役環境溫度提升到 550℃ 時，采用耐火砂并加大膠凝材料中礦粉的比例，適當降低水膠比，可制備出烘干強度（110℃×24h）37.7MPa、殘余強度（500℃×3h）39.3MPa、殘余強度（900℃×3h）20.1MPa，燒后線變化（500℃×3h）-0.05%，燒后線變化（900℃×3h）-0.12%的耐高溫混凝土。

混凝土；耐高溫；配合比

0　前言

耐高溫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性能的特種混凝土，被廣泛地應用于冶金、化工、石油、輕工和建材等工業的熱工設備和長期受高溫作用的構筑物，如工業煙囪或煙道的內襯、工業窯爐的耐火內襯、高溫鍋爐的基礎及外殼等[1-3]。

與傳統耐火磚相比，耐高溫混凝土具有生產工藝簡單、整體性強、氣密性好、壽命周期長等優點。我公司受某煤焦化企業工程項目部委托，提供 C25、550℃ 的耐高溫混凝土用于焦爐的煙道工程。

1　試驗

1.1試驗原料

（1）水泥： P·O42.5 水泥，28d 強度 46.7MPa。

（2）礦粉： S95 級礦粉，比表面積 400m2/kg。

（3）粉煤灰：Ⅱ 級，45μm 篩余 18%，需水量比 97%。

（4）細集料 1：河砂，細度模數 2.7，含泥量 1.5%。

（5）細集料 2：燒結鎂砂，細度模數 2.5。

（6）粗集料：南京六合玄武巖，5～25mm 連續粒級。

（7）外加劑：蘇博特 JM-10 減水劑，減水率 18%。

1.2試驗方法

以 C25 商品混凝土配合比作為初始配合比，分別調整混凝土的水膠比、河砂與耐火砂的比例，以及普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥的比例，考察混凝土的耐高溫性能。混凝土的初始配合比如表 1 所示。

表1　C25商品混凝土配合比　 kg/m3

混凝土拌合物性能按 GB/T 50080－2002 《普通混凝土拌合物性能試驗方法》標準進行測試，混凝土力學性能按GB/T 50081－2002 《普通混凝土力學性能試驗方法》標準進行測試，混凝土的燒后線變化按 GB/T 5988－2007《耐火材料加熱永久線變化試驗方法》 標準進行測試。

2　實驗結果與討論

2.1耐火砂取代河砂的比例對混凝土耐高溫性能的影響

確定其他材料比例不變的前提下，調整混凝土中河砂和耐火砂的比例，控制混凝土的坍落度在 140～160mm，分別測試其在 500℃ 和 900℃ 下的耐高溫性能。主要測試項目：烘干強度（110℃×24h）、殘余強度 1（500℃×3h）、殘余強度 2（900℃×3h）。測試見過見表 2。

表2　耐火砂取代河砂的用量對混凝土耐高溫性能的影響

由表 2 結果可知，耐火砂取代河砂的比例對烘干強度和殘余強度 1 影響不大，對殘余強度 2 有著較大的影響。隨著耐火砂的用量逐漸增加，殘余強度 2 隨之顯著提高。這是由于河砂為石英質砂，石英在 573℃ 會發生晶型轉變，體積膨脹 1.3～1.5 倍，因此在 500℃ 時，殘余強度變化不大，但在溫度高于石英晶型轉變溫度時，耐火砂的大比例取代可以明顯提高混凝土的殘余強度。此外，殘余強度 1 的值與烘干強度相比也有較大幅度地降低，這是由于水泥石中的水化產物在高溫下分解脫水，晶格結構遭到破壞的緣故。

2.2礦粉取代水泥的比例對混凝土耐高溫性能的影響

由于此次設計的混凝土的工作環境為 550℃，雖然略低于石英的晶型轉變溫度，但工業環境中的溫度波動較大，為確保混凝土的服役壽命，混凝土中的河砂全部由耐火砂取代。隨后調整混凝土中普通硅酸鹽水泥和礦粉的比例，控制混凝土的坍落度在 140～160mm，分別測試其在 500℃ 和900℃ 下的耐高溫性能。主要測試項目：烘干強度、殘余強度1、殘余強度 2。

表3　礦粉取代水泥的用量對混凝土耐高溫性能的影響

由表 3 試驗結果可知，隨著礦粉的用量逐漸增加，硅酸鹽水泥的用量逐漸減少，烘干強度變化不大，這說明適量礦粉取代水泥對普通混凝土的強度影響不大，當礦粉用量超過一定數值時，混凝土強度有所下降。殘余強度 1 和殘余強度 2 隨著礦粉用量的增加都明顯提升。這是由于硅酸鹽水泥熟料中的 C3S 和 C2S 的水化產物 Ca(OH)2在高溫下脫水，生成的 CaO 與礦粉及粉煤灰中的活性 SiO2和 A12O3又反應生成具有較強耐高溫性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，同時減少了 Ca(OH)2在高溫下脫水生成游離 CaO 的含量（游離 CaO的存在導致混凝土的體積穩定性降低）。此外，水泥水化產物 C-S-H 凝膠在高溫時脫去結合水而開裂，凝膠層越厚，開裂程度越大，礦粉取代水泥后，減少了水泥用量，分散了C-S-H 凝膠體，大大減少了凝膠層的包裹層厚度，進而降低了水泥石的開裂程度，混凝土的耐高溫性能大大提升。

2.3水膠比對混凝土耐高溫性能的影響

在確定骨料種類（全部為耐火砂）和礦粉的用量為120 kg 后，調整外加劑的用量，在保證坍落度在 140～160mm的前提下，調整混凝土的用水量（即調整混凝土的水膠比），分別測試其在 500℃ 和 900℃ 下的耐高溫性能。主要測試項目：烘干強度、殘余強度 1、殘余強度 2，水膠比對混凝土耐高溫性能的影響見表 4。

表4　水膠比對混凝土耐高溫性能的影響

由表 4 試驗結果可知，隨著水膠比的降低，烘干強度（110℃×24h）、殘余強度 1（500℃×3h）、殘余強度 2（900℃×3h）都有所提高，當水膠比低于 0.49 時，殘余強度1（500℃×3h）的值超過了烘干強度。同時可知，隨著水膠比的降低，強度損失率 1、強度損失率 2 都明顯降低。結合混凝土的配合比成本和性能各方面因素，設定此次 550℃ 耐高溫混凝土（強度等級為 C25）的配合比如表 6 所示。

表6　C25 耐高溫（550℃）混凝土配合比kg/m3

該配比下配制的混凝土各項性能指標如下：烘干強度（110℃×24h）37.7MPa、殘余強度 1（500℃×3h）39.3 MPa、殘余強度 2（900℃×3h）20.1MPa，燒后線變化 1（500℃×3h）-0.05%，燒后線變化 2（900℃×3h）-0.12%。可滿足設計要求。

3　結論

（1）耐火砂取代河砂對殘余強度 1（500℃×3h）影響不大，但可達到提高殘余強度 2（900℃×3h）的數值。原因是石英的晶型轉變溫度為 573℃，在此溫度下，石英的體積變形較大，對混凝土性能產生不利影響。

（2）礦粉取代硅酸鹽水泥后，殘余強度 1（500℃×3h）和殘余強度 2（900℃×3h）都隨著礦粉的用量提高而提高，原因在于礦粉吸收了 Ca(OH)2生成具有較強耐高溫性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，且降低了 C-S-H 凝膠體包裹層的厚度，提升了混凝土的耐高溫性能。

（3）水膠比對混凝土耐高溫性能影響較大，隨著水膠比的降低，混凝土的耐高溫性能明顯改善。

[1] 時旭東，劉超，等．亞高溫持續作用混凝土受壓強度試驗研究[J]．建筑結構，2011，41(8)：106-109．

[2] 過鎮海，王傳志．高溫下混凝土性能的試驗研究概括［M］．北京：清華場大學出版社，1989．

[3] 覃麗坤，宋玉普．高溫對混凝土力學性能影響的試驗研究[J]． 混凝土，2004(5)：8-10.

［通訊地址］江蘇省金壇市桃西工業園中路 1 號（213233）

管衛東（1979－）男，助理工程師，從事水泥基建筑材料的生產與研究。