耐熱混凝土在焦爐工程中的應用研究

江海鑫 韓進財 孫迅

1.山東省冶金設計院股份有限公司 山東 濟南 250101；

2.上海勘察設計研究院有限公司 上海 200434

引言

近年來耐熱混凝土應用范圍越來越廣，同時對其性能要求也越來越高[1-3]。耐熱混凝土因其使用溫度高、力學性能好等優點，廣泛應用于冶金工程的高爐工程、焦爐工程等，取得了良好的經濟效益。國內外研究人員對耐熱混凝土進行了一定研究，結果表明耐熱混凝土具有性能優異、價格低廉等優點。陳嚇敏等[4]等研究了高爐基礎耐熱混凝土，研究表明使用玄武巖碎石可配制耐熱400℃、強度等級C35的混凝土。張春艷等[5]研究了鋼纖維耐熱混凝土，結果表明鋼纖維增加了混凝土抗裂性能。Pawe O等[6]研究了陶瓷廢骨料耐熱混凝土，其耐熱溫度達1000℃。

1 耐熱混凝土

耐熱混凝土是指能長期在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混凝土[7]。焦爐工程采用的耐熱混凝土溫度一般在350℃以下。

1.1 材料

耐熱混凝土材料由膠凝材料及固化劑、骨料、水以及其他外摻劑拌合而成，強度等級一般采用C15～C30。

1.1.1 膠凝材料。膠凝材料一般采用普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥，強度等級宜為42.5及以上。在保證混凝土和易性和強度、滿足施工要求的基礎上，盡可能地減少水泥用量，以保證混凝土良好的耐熱性和經濟性，水泥用量不宜大于400kg/m3。

1.1.2 骨料。對于使用溫度在500℃以下的耐熱混凝土，粗骨料一般選用玄武巖、安山巖、花崗巖等火成巖。

1.2 原理分析

普通混凝土長期處于高溫環境下，容易發生內部結構變化。如水泥石失水、骨料膨脹、水泥石與骨料、鋼筋的熱膨脹系數不協調等。隨溫度變化的一般規律如下：

1.2.1 當環境溫度處在100℃以下時，混凝土內自由水逐漸蒸發，內部形成毛細裂縫和孔隙。在荷載作用下，縫隙尖端處應力集中，使裂縫進一步發展，引起混凝土抗壓強度下降。

1.2.2 當環境溫度處在200～300℃時，混凝土內自由水已全部蒸發，水泥凝膠水中的結合水開始脫出。此時由于膠合作用和粗骨料間裂紋的同時作用，有利和不利作用疊加，此溫度區段的抗壓強度變化復雜。

混凝土長期處于200℃以上高溫，毛細裂縫和孔隙進一步發展，從而造成普通混凝土出現大面積裂縫以至坍塌。因此，大部分國內規范規定，普通混凝土的最高環境溫度為200℃。對于使用溫度在500℃以下的耐熱混凝土，相比普通混凝土，耐熱混凝土骨料耐熱性能更好、膠凝材料用料偏小，降低混凝了土內部孔隙率和水化熱，從而在高溫環境中保證了混凝土的強度。

2 耐熱混凝土在焦爐工程中的應用

2.1 焦爐煙囪基礎

焦爐煙囪基礎為板式基礎。煙道接口一般分為地上式和地下式，煙氣溫度一般在200～300℃。由于煙囪相對煙道截面尺寸大，且位于地上，采用較厚的隔熱、內襯方式來降低混凝土的溫度是可行的。但煙囪基礎位于地下，煙道接口為地下式時，高熱溫度會傳至基礎環壁，從而影響基礎的結構安全。

根據《煙囪工程技術標準》[8]，采用平壁法來計算煙囪筒壁的溫度，簡圖如圖1所示，計算公式（1）～（4）如下：

圖1 單筒煙囪傳熱計算

式中：

地下式煙道入口的煙囪基礎，如圖2所示。計算基礎環壁受熱溫度時，環壁外側的計算土層厚度可按公式（5）來計算。

圖2 煙囪基礎環壁計算土層

式中：

H、D—分別為由內襯內表面計算的基礎環壁埋深（m）和直徑（m）。

以某焦爐工程為例，該焦爐煙囪基礎埋深10.0m，環壁壁厚2.1m，地下煙道入口溫度取260℃。累年極端最高溫為40℃，最低溫為-15℃。隔熱層選取隔熱性能較高的兩種作為比較，一種為膨脹珍珠巖（松散體）,導熱系數取0.052+0.0001T［W/（m·K）］；另一種為采用巖棉，導熱系數取0.036+0.0002T［W/（m·K）］，內襯取370mm厚燒結普通磚，導熱系數取0.81+0.0006T［W/（m·K）］。計算時取H為7.5m，基礎環壁內襯內徑D=12m，代入公式（6）得，=7.96m，土層導熱系數取0.93W/（m·K），T為煙氣溫度。

表1 煙囪基礎側壁溫度計算結果

根據表1的結果，當煙氣溫度較高時，只采用隔熱材料來將環壁溫度降至規范要求的150℃以下，計算所得隔熱材料的厚度將達到400mm以上。由于基礎周圍為土壤，溫度不易擴散。當煙氣溫度更高時，采用隔熱的辦法就更難符合混凝土受熱的要求。此時采用耐熱混凝土就能很好地解決問題。但規范中并未納入耐熱混凝土的范疇，因此，耐熱混凝土在煙囪工程中的應用還需要進一步研究。

2.2 焦爐煙道

焦爐煙道一般為地下墻式結構，煙氣溫度一般能達到200～350℃。由于土壤的保溫作用，傳到混凝土的溫度很容易達到150℃以上。根據《煙囪工程技術標準》，普通混凝土使用的最高溫度不超過150℃。在《地下工程防水技術規范》中，地下防水結構混凝土環境溫度超過80℃時，不宜采用普通混凝土。同時，在煙道長期使用過程中，如出現事故狀態閘門無法打開，煙氣無法排出時，煙氣溫度將會達到400℃以上。

采用平壁法來計算煙道最高受熱溫度，計算公式同（1）～（5）。因地下煙道側壁計算土層厚度較厚，煙道的最高受熱溫度一般出現在側壁和頂板位置。

以某焦爐工程為例，該焦爐工程地下煙道凈寬3.0m，埋深8.0m，煙道側壁厚度為500mm。地下煙道煙氣溫度比焦爐煙囪較高，且隨著煙氣的排放，越靠近煙囪位置熱量逐漸損失，溫度越低，本次計算取煙氣平均溫度為300℃。隔熱層隔熱層選取膨脹珍珠巖（松散體）或巖棉，內襯采用230mm厚缸磚，導熱系數取0.35+0.0005T［W/（m·K）］。

表2 地下煙道側壁溫度計算結果

由計算結果可以看出，在煙氣溫度300℃時，僅靠一般隔熱材料來降低混凝土十分困難。如果采用太厚的內襯、隔熱層，地下煙道截面增加較大，采用普通混凝土反而會增加造價、增加占地面積等，在工程中應盡量避免采用。

地下煙道采用耐熱混凝土將很好地解決這一問題。采用火成巖配置的耐熱混凝土可用于500℃以內的工作環境。在減小地下煙道隔熱層的同時，也減小了煙道的截面面積，降低了工程造價，節約了占地面積，對工程建設發揮了重要作用。

3 結束語

使用火成巖骨料可以配制耐熱500℃以內的耐熱混凝土。

與地下煙道連接的焦爐煙囪，溫度超過300℃時可采用耐熱混凝土。

地下焦爐煙道采用耐熱混凝土耐久性更好，同時具有良好的經濟效益。