利用尾礦、玄武巖配制耐熱混凝土的應用研究

陳向哲

（河北建設集團有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

利用尾礦、玄武巖配制耐熱混凝土的應用研究

陳向哲

（河北建設集團有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

針對悶渣池耐熱混凝土對原材料的特殊要求，結合自身情況，選擇配制以當地主材為基礎的硅酸鹽耐熱混凝土。在耐熱骨料當中摻加一定量的非耐熱骨料，即在秦皇島盧龍玄武巖當中摻加部分唐山遷西地區鐵選尾礦，砂配制出耐熱混凝土，通過一系列試驗數據，分析了解尾礦砂對耐熱混凝土性能的影響。配制出的耐熱混凝土在 700℃ 高溫烘烤的情況下，各項性能達到要求。

耐熱混凝土；尾礦砂；玄武巖

0 引言

我公司于 2015 年 10 月開始對河北冶金建設集團—唐銀南北料堆場悶渣池供應耐熱混凝土，混凝土設計強度等級為C30，使用溫度不小于 350℃，極限溫度 700℃。

耐熱混凝土是一種能長期在 200～900℃ 狀態下使用，且能保持所需的物理力學性能和體積穩定性的特種混凝土[1]。根據所用膠凝材料的不同，耐熱混凝土可分為：硅酸鹽耐熱混凝土、鋁酸鹽耐熱混凝土、磷酸鹽耐熱混凝土、硫酸鹽耐熱混凝土、水玻璃耐熱混凝土、鎂質水泥耐熱混凝土及其他膠結料耐熱混凝土。與傳統的耐火磚相比，有以下優點：（1）生產工藝簡單，造價低；（2）施工簡單，易于機械化；（3）可以建造任何結構形式的構件；（4）可以充分利用工業廢渣、廢舊耐火磚以及某些地方材料和天然材料。

針對悶渣池耐熱混凝土對原材料的特殊要求，結合自身情況，選擇配制以當地主材為基礎的硅酸鹽耐熱混凝土。普通混凝土耐熱性不好的主要原因是一些水泥的水化產物為Ca(OH)2，水化鋁酸鈣在高溫下脫水，使水泥石結構破壞而導致混凝土碎裂；另一個原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英砂在高溫下發生較大體積變形，還有一些骨料在高溫下發生分解，從而導致普通混凝土結構的破壞，強度降低。因此，骨料是配制耐熱混凝土一個很關鍵的因素。我們通過在耐熱骨料當中摻加一定量的非耐熱骨料，即玄武巖當中摻加部分鐵選尾礦砂，通過一系列試驗數據，分析了解尾礦砂對耐熱混凝土性能的影響。

1 原材料

（1）水泥：冀東 P·O42.5水泥。抗壓強度：3d 為28.5MPa，28d 為 51.7MPa；標準稠度用水量為 27%；安定性合格，混合材中石灰石含量為 0。

（2）礦粉：河北鋼建 S95 級。7d 活性 77.6%，28d 活性101.3%，流動度比 102%。

（3）粉煤灰：勇昭 FⅡ 級。細度 13%，燒失量 2.3%，需水量比 103%，含水率 0.4%。

（4）粗骨料：10～20mm 級玄武巖：松散堆積密度為1526kg/m3，搗實堆積密度為 1688kg/m3，石粉含量 0.4%； 5～10mm 級玄武巖：松散堆積密度為 1490kg/m3，搗實堆積密度為 1669kg/m3，石粉含量 1.2%。

（5）細骨料：鐵選尾礦砂：細度模數 2.2，含泥量1.7%；玄武巖機制砂（0～3mm）：細度模數 3.1，石粉含量7.6%。

（6）外加劑：聚羧酸減水劑（豐潤恒譽），減水率23.5%。

2 試驗方案

2.1 試驗方案

2.1.1 第一階段

根據工程進度情況在最短時間內確定可行的施工方案，單用 0～3mm 粒徑的玄武巖為細骨料，粗骨料選用 5～10mm粒徑玄武巖與 10～20mm 粒徑玄武巖按 3:7 摻加，采取 JGJ/ T 15—2008《早期推定混凝土強度試驗方法》中 80℃ 熱水法的試驗步驟進行快速試驗，即將混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的環境下成型，然后將 100mm×100mm×100mm 的試件浸入養護箱 (80±2)℃ 水中養護 5 小時±5 分鐘，脫模后逐一對試件進行標記，測量邊長及稱重后隨即放入電熱恒溫干燥箱中，保持 (110±5)℃ 下烘干 16 小時，冷卻至室溫，逐一測量試件邊長及重量，留一組進行試壓；另一組置于箱式電阻爐中加熱，按平均 2～3℃/min 勻速升溫至 700℃，恒溫 3 小時后，自然冷卻至室溫，測量試件邊長及重量后，立即試壓，破型后的試件見圖 1。試驗結果如表 1。

圖1　沸煮法 700℃ 烤后破型試件

表1　第一階段試驗結果

2.1.2 第二階段

通過第一階段的數據，確定 A3 為最佳配比方案，即試驗總膠材量為 440kg/m3、砂率（Sp）為 49%、外加劑摻量為2.0%。細骨料中尾礦砂按 B1（0.00%）、B2（0.10%）、B3（0.20%）、B4（0.30%）、B5（0.40%）、B6（0.50%）與0～3mm 粒徑的玄武巖雙摻，本階段耐熱混凝土拌合物的坍落度均控制在 (190±3)mm 范圍內，配合比如表 2。

表2　第二階段配合比 kg/m3

將序號 B1～B6 的混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的環境下成型、脫模，置于 (20±2)℃的標準養護室中進行養護。達到 28天齡期后，重復第二階段后半部分的烘干、烘烤試驗，試驗結果如表 3。

表3　第二階段試驗結果

2.2 數據分析

（1）在坍落度都為 (190±3)mm 情況下，每盤混凝土用水量的關系曲線，如圖 2。

圖2　固定坍落度情況下用水量變化

（2）試驗混凝土達到 28 天齡期，烘干 16h，馬上進行700℃ 烘烤前后，B1～B6 各組試件邊長的變化，即 700℃ 下恒溫 3h 后試件邊長與烘烤前試件邊長的差值變化曲線，如圖3。

圖3　烘烤前后試件邊長的變化值

（3）在坍落度都為 (190±3)mm 情況下，隨著尾礦砂含量的增加，用水量相對減少，混凝土強度變化曲線如圖 4。

圖4　強度變化

2.3 小結

（1）如表1所示，砂率一定情況下，隨著膠材總量的增加，水灰比隨之降低，混凝土拌合物和易性增強，抗壓強度顯著提高。

（2）從表1中 A3 與表3中 B1 的抗壓強度結果分析可知，與 28d 標養齡期的試塊相比，快速養護法由于時間限制，混凝土試件內部不能在短期內完全水化，因此試塊的抗壓強度相對偏低從破型試塊的斷面年會出現色暈現象。

（3）由表2和圖 2 可知，在膠材不變、砂率一定的情況下，使混凝土拌合物坍落度穩定在 (190±3)mm，隨著尾礦砂摻量的提高，用水量相對降低；由表3可知，混凝土的和易性逐漸改善，尾礦砂摻量在 30%～50% 時最佳。根據美國墾務局 Denver 實驗室的經驗，以細度模數 2.75 為標準狀態，（細碎機）砂子細度模數每增減 0.1，相應混凝土砂率應增減0.5%；同時砂率每增減 1%，混凝土用水量相應增減 1%。因此，對于尾礦砂的加入，耐熱混凝土拌合物細骨料的細度模數逐漸向 2.75 靠近，當繼續增加尾礦砂摻量時，拌合物細骨料的細度模數變小，混凝土和易性變差。

（4）混凝土試件在尾礦砂摻量為 40%時，有裂紋出現，說明尾礦砂摻量超過 40% 時，抗耐熱成分不足以支撐 700℃的高溫。由圖 3 所示，當尾礦砂摻量超過30% 時，試件烘烤前后差值明顯加大，說明尾礦砂摻量超過30%，對混凝土抗裂不利。結合圖 4 的強度曲線圖，試件在 700℃ 烘烤后，強度隨著尾礦砂摻量增加成先穩定后加劇降低的趨勢，當摻量達到 40% 后，烘烤強度下降明顯。確定尾礦砂最佳摻量范圍是 30%～40%，鑒于本工程的極限溫度為 700℃ 且考慮到混凝土的成本控制，確定施工配合比細骨料中尾礦砂的摻量為35%。

3 結束語

采用唐山遷西地區鐵選尾礦砂、秦皇島盧龍玄武巖為填充骨料配制出的耐熱混凝土，在 700℃ 高溫烘烤的情況下，各項性能達到要求。與傳統單純使用耐熱骨料相比，鐵選尾礦砂的加入對耐熱混凝土本身的基本性能未受到太大的影響。鐵選尾礦砂的利用，一方面保護生態環境，減少了對生態環境的負面影響；另一方面對節約成本、提倡混凝土的綠色生產起到推動作用。

[1] YB/T 1252—2011．耐熱混凝土應用技術規程[S]．

[2] JGJ 55—2011．普通混凝土配合比設計規程[S]．

[3] JGJ/T 15—2008．早期推定混凝土試驗方法標準[S]．

[4] GB/T 50081—2002．普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

［通訊地址］河北省保定市天威西路 3083 號 河北建設集團（071051）

陳向哲，男，工程師，河北建設集團有限公司混凝土分公司總經理。