摻合不銹鋼纖維耐火混凝土試驗研究及應用

徐進軍 臧 慶 鄧國平 劉 兵3

（1.安徽馬鋼礦業資源集團南山礦業有限公司;2.安徽馬鋼礦業資源集團有限公司）

耐火混凝土是一種能在高溫作用下，保持特殊物理力學性能的特種混凝土，它通常由耐火骨料、粉料、膠凝材料、摻合材料以及水按一定配比，經攪拌、成型和養護后制成。耐火混凝土最主要的使用特征是能長期耐受900 ℃以上的高溫，磷酸結合的耐火混凝土最高耐火溫度可達1 650 ℃［1-5］。

在耐火混凝土中加入不同配比的不銹鋼纖維，可大大改善耐火混凝土的失重率、收縮率、抗壓強度、抗折強度等力學性能。本文通過制作含有不同配比的不銹鋼纖維耐火混凝土試塊，比較了主要使用性能的變化趨勢，并介紹了在馬鋼三鋼廠固定鋼渣線改造中，摻有3%不銹鋼纖維的耐火混凝土在工程改造中的應用效果。

1 摻合不銹鋼纖維試驗

1.1 試樣及加熱方法

試樣的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，用標準成型方法，24 h后拆模，并加溫煅燒，煅燒溫度和方法見表1。

摻有不銹鋼纖維耐火混凝土的不銹鋼纖維占耐火基材的比率分別為1%，2.5%，5%，8%，對應的耐火基材配比見表2。

1.2 試驗結果分析

1.2.1 失重率

失重率是影響耐火混凝土性能的一項重要指標，它關系到耐火混凝土的使用性能和使用壽命。不同不銹鋼纖維摻合配比下耐火混凝土煅燒前后失重率變化見表3。

注：煅燒溫度為750 ℃，煅燒方法如表1。

由表3可知，摻合不銹鋼纖維對耐火混凝土的失重率影響不大，當不銹鋼摻合率為5%時，耐火混凝土煅燒后的失重率變化僅為4.1%。

1.2.2 收縮率

收縮率是影響耐火混凝土性能的一項重要指標，收縮率的大小關系到耐火混凝土的結構穩定性以及使用壽命，不同不銹鋼纖維配比下耐火混凝土煅燒前后的收縮率變化見表4。

注：煅燒溫度為750 ℃，煅燒方法如表1。

由表4 可知，在煅燒溫度為750 ℃時，隨著不銹鋼纖維摻合率的增加，耐火混凝土的收縮率呈下降趨勢；當不銹鋼的摻合率為5%時，耐火混凝土煅燒后截面收縮率下降34%，說明不銹鋼纖維地摻入，對保持耐火混凝土的結構穩定性起到了重要作用，可以預防耐火混凝土由于截面收縮過大，產生裂紋等缺陷。

1.2.3 力學性能

評價耐火混凝土力學性能的指標主要是抗壓強度和抗折強度。耐火混凝土的強度主要取決于耐火基材的顆粒組成、配比以及燒結程度。該試驗僅考慮不銹鋼纖維不同配比情況下的強度變化，煅燒溫度和煅燒方法見表1。不銹鋼纖維不同配比下耐火混凝土煅燒后的強度變化見表5。

由表5 可知，在煅燒溫度為750 ℃時，隨著不銹鋼纖維摻合率的增加，耐火混凝土煅燒后的抗壓強度和抗折強度呈增大趨勢；在摻合率為3%時，抗壓強度為原來的1.92 倍，抗折強度為原來的1.58 倍；但隨著不銹鋼纖維摻合率超過3%后，強度的增大趨勢明顯減緩。強度變化趨勢見圖1。

2 在馬鋼三鋼廠固定渣線改造中的應用

2.1 改造方案

馬鋼三鋼廠鋼渣線最早是鋼渣出爐入鍋后經鐵路運至現場，自然傾倒在渣場，形成路基，鋼廠將這種路基稱之為“活動渣線”。鋼渣傾倒在渣場后需要不斷撥道，廢工廢時，安全隱患大且環境問題突出。歷年來積累的大量廢棄鋼渣占用了大量的土地資源，環境污染嚴重。不計算土地占用費，每年的撥道、鐵路維護保養、處置環境污染的費用約300 萬元以上。在此背景下，馬鋼投資3 000 萬元新建了1 條廢棄鋼渣利用生產線，將鋼渣破碎后，選出鋼渣中的金屬元素，余渣作為水泥廠的原料。為了配合廢棄鋼渣的綜合利用項目并減少土地占用、保護環境，馬鋼三鋼廠決定修建1條固定渣線。

新建固定渣線長約200 m、高約9 m、頂部寬約4.5 m，鋼渣至現場的溫度為800～1 000 ℃。因此，渣線路基的耐高溫、耐沖擊是工程設計與工程施工中首要解決的問題。

摻有不銹鋼纖維的耐火混凝土是解決上述問題的良好材料。耐火混凝土配料采用磷酸+高鋁，摻合材料為一、二級礬土粉及蘇州泥；細骨料為一級礬土砂+硅石，并按5%的比例摻入耐熱不銹鋼纖維。按此配方制出的耐火混凝土耐火溫度在1 300 ℃以上，最高耐火溫度可達1 600 ℃，有效解決了渣線路基的耐高溫問題；此外，按此配方制作的耐火混凝土的抗折強度和抗熱震穩定性均能滿足現場的使用要求。

在耐火混凝土中配置鋼筋，由于鋼筋的水硬性膠結，可使耐火混凝土的抗壓強度進一步增加；但耐火混凝土一般情況下不適宜配筋，這主要是因為鋼筋在高溫作用下易產生彈性變形以及帶來腐蝕等問題。受熱環境下，在1 000～1 200 ℃鋼筋的粘結力降低，抗壓強度相較原始強度可能下降20%。耐火混凝土一般不適宜配置鋼筋的另一個原因是0～300 ℃時，鋼筋的膨脹系數為40×10-6℃，而鋁酸鹽高鋁質耐火混凝土的膨脹系數為（6.2～7.0）×10-6℃，兩者相差5～7 倍，鋼筋膨脹，導致混凝土開裂或剝落，暴露出來的鋼筋會因氧化或軟化而失去增強作用。

雖然耐火混凝土不適宜配筋，但采取特殊的施工工藝或材料可有效避免配筋的弊端。馬鋼三鋼廠鋼渣線改造工程中采用了鋼筋混凝土，這主要是因為鐵路路基堆體高，渣線路基側坡陡，路基要有充分的強度來保證列車的行車安全。在工程實際施工過程中，充分利用耐火混凝土表面溫度深入其0～300 mm后迅速衰減的特點，在距耐火混凝土表面200 mm處配置計算鋼筋，而耐火混凝土豎墻的受力鋼筋距其表面≥800 mm。鋼筋可選用熱軋鋼筋，或在鋼筋表面“滲鋁”，以提高其抗氧化能力，這樣使用溫度可提高至800 ℃左右，實踐證明效果良好。

2.2 改造效果

摻合不銹鋼纖維的耐火混凝土在馬鋼三鋼廠鋼渣線改造中的成功運用，大大減少了鋼渣傾倒占用的土地面積，并使以往占用的土地得以解禁；此外，還杜絕了鋼渣堆場對周邊造成的環境問題，每年鋼渣地回收利用以及節約的鋼渣堆場維護費用1 000萬元以上，經濟效益顯著。

3 結語

在普通耐火混凝土中摻合不銹鋼纖維，對耐火混凝土的使用性能改善明顯，尤其是其力學性能，但隨著不銹鋼纖維配比的不斷增加，力學性能的增加趨勢減緩。通過將摻合5%不銹鋼纖維的耐火混凝土使用到馬鋼三鋼廠固定渣線改造工程中，帶來了良好的經濟、環境效益。在工程中選用摻合不銹鋼纖維的耐火混凝土時，在使用性能滿足的前提下，考慮到不銹鋼纖維價格昂貴，應控制不銹鋼纖維的配比，以控制其制造成本。