鋼鐵廠高爐基礎(chǔ)耐熱混凝土試驗(yàn)研究

陳嚇敏 楊順榮 陳陽義

（廈門路橋翔通股份有限公司）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的特殊混凝土應(yīng)用在實(shí)際工程中，如耐熱混凝土。耐熱混凝土主要運(yùn)用于冶金工程基礎(chǔ)部位和煙囪內(nèi)襯等建設(shè)[1]，是指能長期在200℃～900℃狀態(tài)下使用且能保持所需的物理力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的混凝土。耐熱混凝土憑借著優(yōu)異的性能和低廉的價(jià)格，成為眾多耐高溫工程的首選材料。

漳州某鋼鐵廠建設(shè)高爐項(xiàng)目，其中高爐基礎(chǔ)二次澆灌層要求使用耐熱度為400℃的混凝土。本課題結(jié)合工程施工要求及閩南地區(qū)原材料特點(diǎn)，開展高爐基礎(chǔ)耐熱混凝土試驗(yàn)研究，為耐火耐熱建筑材料開發(fā)提供參考。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：安徽蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，28d 抗壓強(qiáng)度為53.6MPa。鄭州市建文特材科技有限公司生產(chǎn)的CA50-II 鋁酸鹽水泥，Al2O3含量為56%，3d 抗壓強(qiáng)度51.5MPa。

礦渣粉：福建三鋼集團(tuán)礦微粉有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉，28d 活性指數(shù)為101%。

粉煤灰：漳州后石電廠生產(chǎn)的F 類II 級(jí)粉煤灰，活性指數(shù)為74%。

外加劑：廈門路橋翔通建材科技有限公司生產(chǎn)的LQ-100 緩凝型聚羧酸減水劑，減水率為26%，含氣量2.1%。

集料：集料的類別和耐火度是影響耐熱性能的關(guān)鍵所在[2]，根據(jù)地材特點(diǎn)和試驗(yàn)要求選用不同材質(zhì)粗、細(xì)集料，相應(yīng)性能指標(biāo)見表1。

表1 集料性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本課題先測試原材料耐熱性，方法為將水泥制備凈漿養(yǎng)護(hù)后烘干，將骨料烘干，按加熱流程烘烤各原材料以觀察外觀。其次參照YB/T4252－2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)配合比，適當(dāng)提高膠材用量改善結(jié)構(gòu)致密性，設(shè)計(jì)耐熱400℃的C35 等級(jí)混凝土和耐熱700℃的C20 等級(jí)混凝土，如表2 所示，試驗(yàn)測試骨料、纖維、水泥等對(duì)混凝土耐熱性的影響。

表2 基準(zhǔn)配合比 （kg·m-3）

同一個(gè)配合比制備三組100mm×100mm×100mm 混凝土試塊并標(biāo)養(yǎng)28d：一組試塊測試28d 齡期抗壓強(qiáng)度；一組試塊在110℃下烘干24h 后測試烘干抗壓強(qiáng)度；一組試塊在110℃下烘干24h 后，放入箱式電爐中加熱，測試殘余強(qiáng)度。加熱流程為：先按2～3℃/min 勻速升溫至設(shè)定溫度，恒溫3h 后自然冷卻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原材料耐熱性能測試

試驗(yàn)測試不同集料、水泥凈漿按加熱流程在400℃、700℃、1000℃下烘烤的外觀開裂情況，分析不同材質(zhì)集料和不同成分水泥的耐熱程度，初步分析各種原材料的安全使用溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 原材料耐熱性能測試

通過耐熱性能初步測試，結(jié)果表明：不適合400℃環(huán)境下使用的原材料有花崗巖碎石、陶粒；不適合700℃環(huán)境下使用的原材料有輝綠巖碎石、河砂、海螺水泥；適合700℃以上環(huán)境下使用的原材料有玄武巖碎石、高鋁碎石、鋁酸鹽水泥。礦物成分復(fù)雜的集料由于各組分熱膨脹系數(shù)差異大、雜質(zhì)不耐高溫、強(qiáng)度低等原因，易產(chǎn)生裂紋或脆裂，如花崗巖普通碎石、陶粒、河砂。玄武巖碎石、輝綠巖碎石由于礦石成分均一、強(qiáng)度高，在高溫下不易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)改變。普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物在500℃左右開始脫水變形，強(qiáng)度顯著下降[3]。以上原因限制各類原材料的耐高溫使用范圍。

2.2 耐熱400℃混凝土研究

考慮到原材料耐熱性能、混凝土可施工性和成本，試驗(yàn)選用海螺牌普通硅酸鹽水泥、河砂配制耐熱混凝土，配合比參照表2 中C35-400 編號(hào)配方，測試比較使用花崗巖碎石、陶粒石、玄武巖碎石和輝綠巖碎石對(duì)混凝土耐熱性能的影響，結(jié)果見表4 和圖1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：除陶粒混凝土工作性稍差外，其它3 種石子配制的混凝土都具有良好的施工性能；使用玄武巖碎石和輝綠巖碎石的混凝土外觀無裂紋，且400℃烘烤后強(qiáng)度損失較小；使用花崗巖碎石和陶粒石的混凝土外觀有裂紋甚至偶有崩裂。4 種石子配制的混凝土殘余強(qiáng)度都可以達(dá)到C35 等級(jí)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，但1#和2#配合比出現(xiàn)開裂，因此選用集料應(yīng)與膠凝材料具有接近的熱膨脹系數(shù)，并應(yīng)進(jìn)行耐熱性能檢測。3#、4#配合比可滿足耐熱400℃要求。

2.3 纖維對(duì)耐熱性能的影響

表4 耐熱400℃混凝土性能指標(biāo)

圖1 耐熱400℃混凝土抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)選用聚丙烯建筑纖維（PP 纖維）、波浪形鋼絲纖維（鋼纖維），按一定摻量加入混凝土中，研究不同纖維對(duì)混凝土耐熱性能的影響。試驗(yàn)選用表4 中3#配合比，進(jìn)行400℃耐熱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5 和圖2。

表5 纖維對(duì)耐熱混凝土性能影響

圖2 纖維對(duì)耐熱混凝土抗壓強(qiáng)度影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻加PP 纖維的混凝土工作性與空白樣接近，未出現(xiàn)裂縫，殘余強(qiáng)度略有降低；摻加鋼纖維的混凝土有出現(xiàn)開裂，殘余強(qiáng)度較空白樣下降約5MPa。PP 纖維在普通混凝土中具有防火災(zāi)爆裂作用，但本試驗(yàn)中未能提高耐熱混凝土殘余強(qiáng)度，且烘烤過程會(huì)產(chǎn)生黑煙和刺鼻氣味，存在污染及影響使用。鋼纖維通常能提高混凝土韌性，減少裂縫產(chǎn)生，但本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼纖維在烘烤過程會(huì)氧化銹蝕，引起膨脹開裂，見圖3。因此摻加纖維未能改善混凝土耐熱性能，不建議使用。

2.4 耐熱700℃混凝土研究

圖3 鋼纖維耐熱混凝土試塊

在耐熱400℃混凝土研究基礎(chǔ)上，試驗(yàn)進(jìn)一步研究耐熱700℃混凝土性能。混凝土配合比參照表2 中C20-700 編號(hào)配方，測試比較不同水泥、砂石對(duì)混凝土耐熱性能的影響，結(jié)果見表6 和圖4。

表6 耐熱700℃混凝土性能指標(biāo)

圖4 耐熱400℃混凝土抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明：使用鋁酸鹽水泥、高鋁集料配制的混凝土工作性明顯變差，拌合物干硬，適合現(xiàn)場自拌和非泵送施工；經(jīng)700℃烘烤，使用硅酸鹽水泥、玄武巖石和河砂配制的混凝土殘余強(qiáng)度下降較大，且試塊有開裂；4#配合比滿足700℃耐熱要求。在700℃環(huán)境下，普通水泥和集料易因高溫膨脹導(dǎo)致開裂，無法滿足耐熱要求。而鋁酸鹽水泥水化不生成氫氧化鈣，受加熱破壞小，其次高鋁水泥和高鋁骨料在高溫下生成大量高熔點(diǎn)礦物[4]，使混凝土內(nèi)部保持一定的強(qiáng)度。

2.5 工程應(yīng)用

本課題開發(fā)的耐熱400℃混凝土方案運(yùn)用于漳州某鋼鐵廠高爐基礎(chǔ)工程，采用表2 中C35-400 編號(hào)配合比，使用海螺牌普通硅酸鹽水泥、玄武巖碎石、河砂等原材料，經(jīng)濟(jì)性好。拌合物現(xiàn)場坍落度為（160±30）mm，工作性良好，可通過泵送施工提升澆筑效率，滿足了鋼鐵廠復(fù)雜工況下施工，耐熱性能滿足要求。

耐熱混凝土在生產(chǎn)過程中應(yīng)做好質(zhì)量控制：做到專倉專線專車生產(chǎn)，防止石灰石等其他材質(zhì)原材料混入；施工后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)防止開裂，覆蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7天；混凝土結(jié)構(gòu)使用前應(yīng)做加熱預(yù)處理，并保持干燥，提高耐熱混凝土使用壽命。

3 結(jié)論及建議

⑴使用普通硅酸鹽水泥、玄武巖碎石、河砂等原材料可配制耐熱400℃、強(qiáng)度等級(jí)C35 的混凝土。

⑵摻加PP 纖維、鋼纖維未能改善混凝土耐熱性能，不建議使用。

⑶配制耐熱700℃混凝土需使用鋁酸鹽水泥、高鋁集料，普通水泥和集料無法滿足耐熱要求。

⑷耐熱混凝土在生產(chǎn)過程應(yīng)做到專倉專線專車生產(chǎn)，澆筑完要做好養(yǎng)護(hù)，使用前進(jìn)行加熱預(yù)處理。