珠光砂混凝土在空分設備基礎隔冷層中的應用

薛書敏

（江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，南京 210028）

1 概述

珠光砂是由玻璃質火山巖經破碎及高溫焙燒而成，呈白色圓珠狀松散顆粒，它無毒、無味，不燃燒，不腐蝕，無任何副作用，是優秀的隔熱、斷冷、防凍建筑材料[1]。化學成分主要為：SiO2含量75.42%、AL2O3含量14.26%、Fe2O3含量1.01%[2]，由于其導熱系數低，化學穩定性好等特性，廣泛應用于工業、農業、化工、建筑等行業。尤其是在深冷過程中，空分設備（制氧機冷箱）及其他綜合工程中具有其他絕熱材料不可替代的優異性能。珠光砂在空分設備中的應用主要有兩方面：填充至空分設備冷箱內，作為冷箱保溫層使用[3]；作為骨料制備珠光砂混凝土，應用在空分設備的基礎結構中。

珠光砂混凝土亦稱膨脹珍珠巖混凝土，它是以珠光砂為主要骨料，普通水泥為膠結材料，加入摻和料及外加劑拌制而成。在空分設備中主要起隔冷層的作用。如果空分設備的容器或管道發生泄漏，超低溫液體會沿混凝土內部的毛細孔滲入基礎，造成混凝土基礎呈粉碎性凍脹破壞，需要在基礎上設置1道隔冷層[4]。

某化工企業3×105t/a乙烯法VCM擴建項目空分裝置冷塔內的介質溫度在-180℃以下，要求設備基礎具備抗凍和抗滲功能，同時，對抗壓強度和導熱系數等性能提出要求。該項目設備基礎設計中要求采用厚300 mm的珠光砂混凝土作為隔冷層，性能指標見表1。

表1 珠光砂混凝土性能指標

我國珠光砂的主要產地在河南，由于其用途廣泛、種類繁多，不同生產廠家開發的產品性能也不盡相同，需要求對珠光砂混凝土的原料進行試配，確保性能達到設計要求，保證工程質量。

2 珠光砂混凝土主要原材料及其作用

珠光砂混凝土的主要原材料為：珠光砂、水泥（P·Ⅱ52.5）、粉煤灰、減水劑（SBT JMⅢC）、引氣劑（SBT JM A）、醋酸乙烯/乙烯共聚膠粉（5010N）、潤強絲抗裂防滲纖維Ⅰ型。

珠光砂作為抗凍骨料，其多孔空心結構使珠光砂混凝土的水灰比遠高于普通混凝土，所以，要求選用閉孔率較高的珠光砂，可以有效降低水灰比，在具備抗凍性能的同時，使混凝土具備較低的導熱系數。

減水劑（SBT JMⅢC）與引氣劑（SBT JM A）配套使用，可減少用水量的同時提高抗凍效果。

醋酸乙烯/乙烯共聚膠粉（5010N）與潤強絲抗裂防滲纖維（Ⅰ型）添加至混凝土中可改善抗裂、抗滲性能，提高拌合物的施工性。

3 珠光砂混凝土的試配

3.1 珠光砂占膠結料的比例對混凝土性能影響

該項目隔冷層設計厚度為300 mm，未要求使用砂等細骨料，直接將珠光砂作為隔冷骨料與水泥制備成珠光砂混凝土。前期試配通過調整珠光砂占膠結料的比例，成型試件。按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》和GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》測試抗壓強度與導熱系數，試驗結果見表2。

表2 珠光砂的比例及抗壓強度、導熱系數的測試結果

從表2看出，隨著珠光砂含量的增大，水灰比逐漸增大，珠光砂混凝土的干表觀密度和抗壓強度逐步降低，導熱系數也在不斷變小。5個配比的抗壓強度和導熱系數測試結果均能滿足表1的設計要求，且具有較大的調整空間。

3.2 膠粉和抗裂防滲纖維對混凝土性能影響

在試驗過程中發現混凝土有收縮、開裂現象，且抗滲等級無法滿足設計要求，在表2配方3的基礎上每立方米摻加0.9 kg抗裂防滲纖維，調整膠粉比例，測試混凝土性能，試驗結果見表3。

表3 膠粉含量對抗壓強度和抗滲性能的影響

通過試驗發現加入抗裂防滲纖維后混凝土的收縮、開裂現象得到改善，但抗壓強度有所降低，且抗滲性能沒有明顯提高。隨著膠粉含量的提高，混凝土的施工性得到改善，抗壓強度進一步下降，當膠粉含量達到膠結料的3%時，抗滲性能達到設計要求。

分析原因：雖然珠光砂的閉孔率較高，但還是有相當數量的開孔結構，加入抗裂防滲纖維后可以提高抗裂效果，但無法阻止開孔結構間的躥水，使抗滲等級無法滿足設計要求。通過加入可再分散膠粉可以解決這一問題，阻斷開孔結構間的連通，珠光砂混凝土抗滲性能隨著的膠粉比例提高不斷改善，從試驗結果可知，當摻量達到膠結料的3%時，已經可以滿足設計要求。膠粉配合抗裂防滲纖維復合使用，可以提高混凝土抗裂和抗滲能力，使其具有一定的柔性，但對抗壓強度影響較大。所以，膠粉和抗裂纖維的摻量應通過驗證確定，摻量偏少，效果不明顯；摻量過高，成本增加，會導致抗壓強度不合格。

4 現場施工用珠光砂混凝土檢測結果及分析

4.1 配合比的確定

根據試配結果，試驗組通過在膠結料中摻入粉煤灰、減水劑、引氣劑、醋酸乙烯/乙烯共聚膠粉、抗裂防滲纖維改善珠光砂混凝土性能?？紤]到加入以上助劑可能導致混凝土的抗壓強度和導熱系數性能下降，同時確保抗滲性能，選擇初試時抗壓強度較高配方進行現場施工，將配方3中的水灰比降低至0.71，膠粉摻量提高到4%，確定的配合比見表4。

4.2 檢測結果

按表4配合比進行現場施工，經檢測，結果見表5。

表4 珠光砂混凝土配合比

表5 珠光砂混凝土現場成形試件檢測結果

檢測結果表明25℃導熱系數、抗凍性、28 d抗壓強度、抗滲等級均達到預期的性能要求。

4.3 檢測結果分析

1）通常防滲抗凍混凝土中需加入引氣劑和減水劑以提高其防滲抗凍的效果。在施工過程中發現引氣劑效果并不明顯，產生的氣泡量較少。分析原因：引氣劑的引氣原理是在拌和物中引入空氣，形成大量微小封閉而穩定的氣泡，從而提高混凝土的抗滲、抗凍性能。珠光砂具有空心結構，使珠光砂混凝土自身導熱系數較低的同時，也能起到一定的抗凍效果，雖然選用閉孔率較高的珠光砂作為隔冷骨料，但還是有相當數量的珠光砂具有開孔結構，阻礙了氣泡的形成。

2）膠粉具有一定的引氣功能，檢測結果顯示：在改善珠光砂混凝土抗滲、抗凍性能的同時可降低導熱系數。檢測結果中25℃導熱系數遠低于設計指標值，表明配方有優化空間。由于珠光砂的摻量直接影響水灰比，建議在今后的施工中，經建設方同意后，可加入建筑用砂和珠光砂一起作為細骨料復合使用，可以大幅度降低水灰比。雖然導熱系數會上升，但可以減少水泥、膠粉和抗裂纖維的用量，降低成本，珠光砂混凝土的抗壓強度、水化熱、抗裂、抗滲等綜合性能得到進一步優化。

5 施工質量控制

1）隔冷層的質量直接影響了空分基礎的安全，若其質量不滿足要求，將引起嚴重的安全事故[5]。確定最優配合比的同時，在施工時需要對原材料摻加量進行嚴格計量，控制準確是施工質量得到保證的關鍵。其中，水灰比對珠光砂混凝土的性能影響較大，由于珠光砂的多孔空心結構，導致它易受潮吸水，工地現場的存儲條件須保持干燥，不能露天堆放。

2）珠光砂的密度較低，與其他原材料難以混合分散，且拌和物易結塊，加水前需將膠結料、珠光砂、膠粉、外加劑與纖維充分攪拌，分散均勻后再多次分批加水攪拌。

3）珠光砂混凝土在施工過程中水化熱較高，膠結料中摻入20%的粉煤灰后，水化熱得到改善。經驗證后可以提高粉煤灰的用量，同時使用低熱水泥，進一步降低水化熱

4）考慮到水化熱和收縮的影響，珠光砂混凝土施工厚度不宜超過15 cm，保濕養護7 d后方可進行下道工序。

5）攪拌時間和攪拌速度對珠光砂混凝土拌和物的性能會產生影響，施工過程中應對珠光砂混凝土拌合物的表觀密度、稠度等指標進行控制。

6 結論

1）珠光砂的產地不同，粒徑、密度、閉孔率等性能指標波動較大，須對珠光砂、水泥、膠粉、抗裂防滲纖維等原材料進行試配，檢測合格后方可施工。

2）珠光砂混凝土受原材料配比、溫度、攪拌方式等因素影響較大，施工時應實時控制珠光砂混凝土拌合物的性能，降低人員、施工器具、氣候條件的影響。