550℃ 耐高溫混凝土的制備研究

管衛(wèi)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(wèi)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(duì)混凝土的耐高溫性能有較大的影響。當(dāng)混凝土的服役環(huán)境溫度提升到 550℃ 時(shí)，采用耐火砂并加大膠凝材料中礦粉的比例，適當(dāng)降低水膠比，可制備出烘干強(qiáng)度（110℃×24h）37.7MPa、殘余強(qiáng)度（500℃×3h）39.3MPa、殘余強(qiáng)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(xué)性能的特種混凝土，被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、石油、輕工和建材等工業(yè)的熱工設(shè)備和長期受高溫作用的構(gòu)筑物，如工業(yè)煙囪或煙道的內(nèi)襯、工業(yè)窯爐的耐火內(nèi)襯、高溫鍋爐的基礎(chǔ)及外殼等[1-3]。

與傳統(tǒng)耐火磚相比，耐高溫混凝土具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、整體性強(qiáng)、氣密性好、壽命周期長等優(yōu)點(diǎn)。我公司受某煤焦化企業(yè)工程項(xiàng)目部委托，提供 C25、550℃ 的耐高溫混凝土用于焦?fàn)t的煙道工程。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

（1）水泥： P·O42.5 水泥，28d 強(qiáng)度 46.7MPa。

（2）礦粉： S95 級(jí)礦粉，比表面積 400m2/kg。

（3）粉煤灰：Ⅱ 級(jí)，45μm 篩余 18%，需水量比 97%。

（4）細(xì)集料 1：河砂，細(xì)度模數(shù) 2.7，含泥量 1.5%。

（5）細(xì)集料 2：燒結(jié)鎂砂，細(xì)度模數(shù) 2.5。

（6）粗集料：南京六合玄武巖，5～25mm 連續(xù)粒級(jí)。

（7）外加劑：蘇博特 JM-10 減水劑，減水率 18%。

1.2試驗(yàn)方法

以 C25 商品混凝土配合比作為初始配合比，分別調(diào)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?；炷恋某跏寂浜媳热绫?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(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，混凝土力學(xué)性能按GB/T 50081－2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)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(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1耐火砂取代河砂的比例對(duì)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(diào)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(cè)試其在 500℃ 和 900℃ 下的耐高溫性能。主要測(cè)試項(xiàng)目：烘干強(qiáng)度（110℃×24h）、殘余強(qiáng)度 1（500℃×3h）、殘余強(qiáng)度 2（900℃×3h）。測(cè)試見過見表 2。

表2　耐火砂取代河砂的用量對(duì)混凝土耐高溫性能的影響

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

2.2礦粉取代水泥的比例對(duì)混凝土耐高溫性能的影響

由于此次設(shè)計(jì)的混凝土的工作環(huán)境為 550℃，雖然略低于石英的晶型轉(zhuǎn)變溫度，但工業(yè)環(huán)境中的溫度波動(dòng)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(diào)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(cè)試其在 500℃ 和900℃ 下的耐高溫性能。主要測(cè)試項(xiàng)目：烘干強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度1、殘余強(qiáng)度 2。

表3　礦粉取代水泥的用量對(duì)混凝土耐高溫性能的影響

由表 3 試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度變化不大，這說明適量礦粉取代水泥對(duì)普通混凝土的強(qiáng)度影響不大，當(dāng)?shù)V粉用量超過一定數(shù)值時(shí)，混凝土強(qiáng)度有所下降。殘余強(qiáng)度 1 和殘余強(qiáng)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(chǎn)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(yīng)生成具有較強(qiáng)耐高溫性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣，同時(shí)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(dǎo)致混凝土的體積穩(wěn)定性降低）。此外，水泥水化產(chǎn)物 C-S-H 凝膠在高溫時(shí)脫去結(jié)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(jìn)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(duì)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(diào)整外加劑的用量，在保證坍落度在 140～160mm的前提下，調(diào)整混凝土的用水量（即調(diào)整混凝土的水膠比），分別測(cè)試其在 500℃ 和 900℃ 下的耐高溫性能。主要測(cè)試項(xiàng)目：烘干強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度 1、殘余強(qiáng)度 2，水膠比對(duì)混凝土耐高溫性能的影響見表 4。

表4　水膠比對(duì)混凝土耐高溫性能的影響

由表 4 試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水膠比的降低，烘干強(qiáng)度（110℃×24h）、殘余強(qiáng)度 1（500℃×3h）、殘余強(qiáng)度 2（900℃×3h）都有所提高，當(dāng)水膠比低于 0.49 時(shí)，殘余強(qiáng)度1（500℃×3h）的值超過了烘干強(qiáng)度。同時(shí)可知，隨著水膠比的降低，強(qiáng)度損失率 1、強(qiáng)度損失率 2 都明顯降低。結(jié)合混凝土的配合比成本和性能各方面因素，設(shè)定此次 550℃ 耐高溫混凝土（強(qiáng)度等級(jí)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(xiàng)性能指標(biāo)如下：烘干強(qiáng)度（110℃×24h）37.7MPa、殘余強(qiáng)度 1（500℃×3h）39.3 MPa、殘余強(qiáng)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(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

（1）耐火砂取代河砂對(duì)殘余強(qiáng)度 1（500℃×3h）影響不大，但可達(dá)到提高殘余強(qiáng)度 2（900℃×3h）的數(shù)值。原因是石英的晶型轉(zhuǎn)變溫度為 573℃，在此溫度下，石英的體積變形較大，對(duì)混凝土性能產(chǎn)生不利影響。

（2）礦粉取代硅酸鹽水泥后，殘余強(qiáng)度 1（500℃×3h）和殘余強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(shí)旭東，劉超，等．亞高溫持續(xù)作用混凝土受壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(8)：106-109．

[2] 過鎮(zhèn)海，王傳志．高溫下混凝土性能的試驗(yàn)研究概括［M］．北京：清華場(chǎng)大學(xué)出版社，1989．

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

［通訊地址］江蘇省金壇市桃西工業(yè)園中路 1 號(hào)（213233）

管衛(wèi)東（1979－）男，助理工程師，從事水泥基建筑材料的生產(chǎn)與研究。