磷酸盐耐热混凝土的制备及性能.pdf

张林春： 磷酸盐耐热混凝土的制备及性能 3 磷酸盐耐热 混凝 土的制备及 性 能 张林春 ( 四川建筑职 业技 术学院土木工程 系 四川德阳6 1 8 0 0 0 ) 【 摘要】 根据核能工程需要， 文中以磷酸盐、 硅灰石粉等为原材料配制了耐热混凝土。对磷酸盐耐热混凝 土的原材料选择、 配合比设计、 生产过程的质量控制等方面进行了探讨。 【 关键词】 耐热混凝土； 磷酸盐； 抗压强度； 残余强度 【 中图分类号】 T U 5 2 8 4 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 1 1 0 0 0 3 0 3 0 引言 核电是未来保 障国家能源安全和缓解世界能源 危机的最重要途径之一 ， 而核电产生的大量乏燃料的 储存和处置是否安全关系到电厂及周边地 区人民健 康与生命安全。由于乏燃料的放射性特征及核素 自 然衰变放热， 当热量积累或出现偶然因素导致散热系 统失效时， 可能导致容器 内部温度急剧升高 ， 因而储 存或运输所用容器有发生高温破坏或失效的危险， 这 是 目前采用 的传统硅酸盐水泥混凝土所存在的最大 弱点 和不足 。 核能发电虽然已使用了约 6 0年， 但只在某些国家 才得到了足够的重视。核能发电会产生大量含有放 射性物质的乏燃料， 这些放射性核燃料通过 自然衰变 释放出大量热能， 可能导致普通水泥混凝土容器受高 温作用( 最高达 1 0 0 0 以上) 而严重破裂和泄漏， 从而 造成重大安全事故。因此 ， 研制出一种耐热混凝土来 存放此核燃料是非常有必要的。耐热混凝土是指在 2 0 01 3 0 0 C高温长期作用下， 仍能保持其物理、 力学 性能和良好的耐急冷急热性， 且高温下干缩变形小的 特种 混凝 土 ， 与耐火砖 相 比， 它具有 工 艺简单 ， 易 于成 型施工， 原材料来源广泛， 结构整体性好， 抗热性好， 投资少等优点， 常用于热工设备和受高温作用的结 构物。 2 0 0 8 年 ， “ 5 1 2 ” 汶川地震发生后， 我国存放的核 废料面临严峻形势。因此 ， 彭士禄院士了解了国内在 这方面已经开展的工作 ， 而且还重点调研了美国的核 废料水泥固化的进展。上世纪九十年代初， 以美国阿 贡国家实验室为代表成功开发 了一种处理核废料 的 化学固结磷酸盐 陶瓷材料 ( C h e m i c a l l y b o n d e d p h o s - p h a t e c e r a m i c ， C B P C ) ， 这一发明在 1 9 9 6年被称为世界 上 1 0 0项最伟大发 明之一 。 C B P C是 以磷 酸 盐 和金 属 氧 化 物 为主 的新 型 材 料， 通常是由金属氧化物( 氧化镁、 氧化钙、 氧化铝、 氧 化铁、 氧化锌等) 与磷酸或可溶性磷酸盐( 钠盐、 钾盐、 铵盐、 铝盐等) ， 及添加剂、 矿物掺合料按照一定的比 例， 在酸性条件下发生酸 一碱中和反应， 生成以磷酸 盐为黏结相的坚实致密的无机胶凝材料。其中， 最为 典型的是氧化镁与磷酸二氢钾制备 C B P C材料。C B P c和陶瓷制品不 同 ， 也 和水泥 有所 区别 ， 它是介 于 陶 瓷制品和水 泥之 间 的 一种 新 型材料 。它具有 类 似水 混凝土， 弹性模量随着应变率的增大而增大。 参考文献 1 陈婷婷 混凝土单轴动态抗压试验及 动态本 构关系研究 D 天津 ： 河北工业大学 ， 2 0 0 9 2 孙吉书， 窦远明， 杨春风， 李波 混凝土动态抗压特性的试验研 究 J 混凝土 ， 2 0 1 l ， 2 6 1 ( 7 ) ： 2 0 2 2 3 WA T S T E I N D E ff e c t o f s t r a i n i n g r a t e o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d d a s f e p r o p e r l i e s o f c o n c r e t e J A C I J o u r n a l ，1 9 5 3 ，4 9 ( 8 ) ： 7 2 97 4 4 4 肖诗云， 林皋， 逯静洲， 王哲 应变率对混凝土抗压特性的影响 J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 5 ) ： 3 5 3 9 5 董毓利， 谢和平， 赵鹏 不同应变率下混凝土受压全过程的实 验研究及其本构模型 J 水利学报， 1 9 9 7 ， ( 7 ) ： 7 2 7 7 6 C O WE L L W L D y n a m i c p r o p e r t ie s o f C a i n P o r t l a n d c e m e n t c O n c r e t e R T e c h n i c a l R e p o r t N o R 447 ， 1 9 6 6 7 B I S C H OF F P H，P E R R Y S HC o mp r e s s iv e b e h a v i o r o f c o n c re t e a t h i g h s t r a i n r a t e s J M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s， 1 9 9 1 ， ( 2 4 ) ： 4 2 5 4 5 0 8 肖诗云 ， 张剑 荷载历史对混凝土动态受压损 伤特性 影响试验 研究 J 水 利学报 ， 2 0 1 0， 4 1 ( 8 )： 9 4 3 9 5 2 9 肖诗云， 张剑 不同应变率下混凝土受压损伤试验研究 J 土 木工程学报 ， 20 1 0， 4 3 ( 3 ) ： 4 0 4 5 收稿 日期 】 2 0 1 2 0 6 2 6 作者简介】 刘俊飞( 1 9 8 6一) ， 男， 河南许昌人， 硕士研究生， 研究方 向： 地基处理新技术。 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 1期( 总第 1 7 3期 ) 泥混凝土材料的制备工艺； 而凝结硬化后的性能在某 些方面优于水泥混凝土， 如力学强度更高， 耐酸腐蚀 和耐高温性能优 良等， 接近于陶瓷材料， 因此也被称 为陶瓷混凝土 ( C e r a m i c r e t e ) 。 1 实验材料 ( 1 ) 混凝土耐热性能受诸多因素影响， 其 中骨 料的选择是最主要的影响因素之一， 骨料用量 占混凝 土总质量的7 0 左右。选用热膨胀系数小的材料， 可 以改善骨料级配， 提高混凝土的密实度与体积稳定 性 ， 从而进一步提高混 凝土 的耐热性 能。本实验 中选 择碎耐火砖作为骨料。 ( 2 ) 磷 酸 二 氢 钾 ： 选 用 工 业 原料 磷 酸 二氢 钾 ( K H ： P O ) ， 其纯度在9 9 以上。 ( 3 ) 过烧氧化镁： 选用细 度 3 2 5目的过烧氧 化镁 。 ( 4 ) 天然硅灰石粉 ： 选用江西奥特精细粉体有 限公司生产的 8 0 0目硅灰石粉。该硅灰石粉的化学性 质 见表 1 。 表 1 天然硅灰 石粉化学成分 ( w t ) ( 5) 硼砂： 选用 工业 原 料硼 砂 ( N a B O 1 0 H O ) ， 其纯度在9 9 以上。 ( 6 ) 其它材料： 试验所用砂 ( s ) 为粒径范围在 0 3 1 52 3 6 ra m 之 间的普 通河 砂 ， 级 配 良好 ， 含泥 量 少。拌合水采用饮用水。 2实验 结果与讨论 一 般来讲， 普通混凝土可长期使用的最高温度不 超过 I O 0 C。正常情况下， 核电站混凝土的容器一般 处于 6 0 1 2 0 C环境下， 但是突发性事故下其温度可 能会升高到 7 0 0 C 左右甚至更高。在这种高温环境作 用下， 普通混凝土会在无预警或预报条件下发生解体 破坏 ， 很容易导致核安全事故的发生。在本实验中， 为了保证混凝土的耐热性得以实现， 在实验时极限温 度取为 8 0 0 C( 比7 0 0 C 提高了 1 0 0 C) 。在试验中， 耐 热混凝 土的配合 比要满 足耐热性 能、 强度 和施 工性 能 的要求 。以尽量减少用水量 为原则 ， 在诸 多组 的配合 比中筛选出符合设计要求和施工要求的最佳配合 比 ( 如表 2 ) 。混凝土的和易性主要是通过改变矿物掺合 料的掺量和外加剂的类型来调整， 最终找到最佳配合 比 ， 以满 足生产需要 。 表 2配合 比下的混凝土具有 良好 的和易性和粘聚 性。具体表现为： 混凝土在拌合 出机之后坍 落度为 2 0 0 ra m， 扩 展 度 为 4 6 0 ra m， 1 h后 混 凝 土 坍 落 度 为 1 8 0 ra m， 扩展度为 4 3 0 ra m， 可 见， 该 混凝 土拌和物 的和 易性和粘聚性符合泵送混凝土施工的要求。 表 2 磷 酸盐耐热混凝土配合 比 8 0 O H 萎 成型试块尺寸 1 0 0 m m x 1 0 0 m m x 1 0 0 n l l n 。每组 成型6组试块( 1 0 0 m m 1 0 0 m i l l 1 0 0 m m) ， 将这些 混凝 土标 准试 块进 行标 准养护 。在 标准 养护 7 d 、 2 8 d 后分别测定混凝土试块的抗压强度。同时， 将标准养 护 2 8 d的试块 以 1 0 0 h的升温速度 分别升温 至 2 0 0 o C、 5 0 0 o C、 8 0 0 、 9 5 0 。之后恒温 6 h后， 再 以降 温速度为 1 0 0 o C h的降温速度将温度降到常温 ， 测其 抗压强 度 ， 结果见表 3 。 在 试件的加 热过 程 中发 现 ， 经 过 2 0 0 o C、 5 0 0 和 8 0 0 o C的高温之后 ， 再恒温 6 h 后 ， 混凝土试块 的表 面基 本没 变化 ， 混凝 土 的颜色 也几乎 没变 ， 这 些 均表 明混 凝土内部的结构无明显变化， 因此， 该混凝土能够承 受 8 0 0 的高温( 在 8 0 0 高温无明显裂纹出现) ； 试块 加 热到 9 5 0 并恒 温 6 h后 ， 发现该试 块的表 面呈现淡 黄色 ， 而且 混凝 土试块 表面 出现 了贯穿 的裂缝 ， 这 说 明 ， 在此温度下 ， 混凝 土试块 已经严重破坏 。 由表 3知 ， 所 配制耐 热混凝土 2 8 d的标准 养护强 度为 4 3 1 MP a ( 大 于混 凝 土设 计 强 度 3 0 MP a ) ， 经过 8 0 0 高温后的混 凝 土强度 为 2 9 1 M P a 。烘 干强 度 是 指 经标 养后 的 试 块 ， 置 于 电热 恒 温 干 燥 箱 中， 保持 ( 1 1 0 5 ) 下烘干 1 6 h ， 冷却至室温， 然后试压一组， 评定烘干强度 。 3耐热混凝 土的质量控 制 原材料、 配合比、 生产施工、 养护等因素都会影响 耐热混凝土 的质量 。 ( 1 ) 原材料的性质会影响耐热混凝土的高温性 能 ， 耐热混凝土 由胶结料 、 骨料 、 掺合 料和混 凝 土化学 外 加剂组成 。 弧 姒 弧 m 诅 地 强 孤 擅 张林春： 磷酸盐耐热混凝土的制备及性能 5 众所周知， 耐热混凝土中胶结料的用量会影响高 温强度降低的程度 ， 从而影响耐火性能。用多了， 高 温强度降低程度大， 耐火性能降低 ； 用少了， 会影响骨 料之间的结合， 从而使耐热混凝土的密实性降低、 强 度降低。因此， 应该在满足强度和和易性的基础上 ， 选择可以承受最高温度的合适用量的胶结料。 在选择骨料时， 必须注意骨料的类别和耐火度 ， 使其与设计要求、 胶凝材料相适应， 同时还应考虑骨 料的用量、 粒径、 级配以及细骨料的比例( 砂率) 等。 常用的矿物掺合料有硅灰、 矿渣、 粉煤灰。矿物 掺合料可以代替一部分水泥， 它可以起到改善混凝土 的工作性能、 降低水化热、 提高混凝土的密实性、 强度 以及耐久性的作用。 常见的外加剂有减 水剂 、 缓凝剂 、 早 强剂 、 防冻 剂 等， 根据施工环境、 施工要求选择相应的外加剂， 同时 要注意外加剂与水泥 的适应性 。 ( 2 ) 混凝土的生产、 施工和养护等工序也影响 混凝土的最终质量 ， 所 以每个环节都要严格按照混凝 土结构施工规范进行。混凝土在生产时， 配料要准 确 ， 搅拌要均匀， 混凝土拌合物具有很好的和易性 ， 运 输过程中尽量保证混凝土拌合物的和易性 ； 混凝土 在施工时， 设置输送缓冲带 ， 振捣要到位， 保证混凝土 的密实性 ， 采用木模板时 ， 考虑到它的吸水性， 要采取 相应 的措施； 在施工完毕后， 混凝土要注意通过及 时覆盖的方式进行养护。做好混凝土养护工作 ， 提供 足够的湿度和适宜的温度， 保证混凝土强度的正常发 展； 注意模板拆卸 的先后顺序， 避免混凝土应力裂缝 的产生； 施工时不要过早在混凝土上面加载， 预制构 件不宜过早起 吊， 防止应力裂缝 的产生。 4结语 ( 1 ) 采用天然硅灰石粉、 磷酸二氢钾等原材料 可 以配制 出具 有 良好 的 和易 性和 粘 聚性 的耐 热混凝 土， 且该混凝土的拌合物性能可以满足施工要求。 ( 2 ) 使用天然硅灰石粉、 磷酸二氢钾等原材料 可以配制出磷酸盐耐热 8 0 0 C的混凝土。由于天然硅 灰石粉比较容易买到且较便宜 ， 因此可以经济制得耐 热混凝 土。 ( 3 ) 所配制耐热混凝土2 8 d的标准养护强度为 4 3 1 M P a ， 8 0 0 高温后残余强度为 2 9 1 M P a ， 约等于 设计强度 3 0 MP a ， 8 0 0 C 高温后混凝土表面无明显裂纹 出现 。 ( 4 ) 由于该混凝土黏聚性大， 和易性有待进一 步提高。 ( 5 ) 该配合比属实验室试验， 未进行实际工程 的试验 ， 对于实际工程的应用还有待考证。 参考 文献 1 A S wa g h ， S Y J e o n g ， C h e m i c a l l y b o n d e d p h o s p h a t e c e r a m i c s ： I ， A d i s s o l u t i o n m o d e l o f f o r m a t i o n J J o u r n al o f t h e A m e ri c a n C e r a mi c S o c i e ty，2 0 0 3， 8 6： 1 8 3 8 1 8 4 4 2 H A C o l o r a d o ， J P l e i t t ，c H i e l ，c t a1 Wo l l a s t o n i t e b a s ed C h e mi c all y B o n d e d P h o s p h a t e C e r a mi c s wi t h l e a d o x i d e c o n t e n ts u n d e r g a m m a i r r a d i a t i o n J J o u rnal o f N u c l e a r M a t e ri al s ， 2 0 1 2 ， 4 2 5： 1 9 7 2 0 4 3 A Ma z e n O p t i mi z a t i o n o f p r o p e r t i e s of i n o r g ani c p h o s p h a t e C e m e n t f o r c o n s t r u c t i o n and h i s h t e m pera t u r e a p p l i c a t i o n s D P h D t h e s i s ，V e Un i v e mi t e i t ，2 0 0 6 4 D G a o ，M S t u r m， Y L M o E l e c t r i c a l r e s i s t a n c e o f c a r b o n n a n o fi bor c o n c ret e J S ma r t Ma t e ri a l s and S t r u c t u r t e s ，2 0 0 9， 1 8：0 9 50 3 9 5 雍本 特种混凝土施工手册 M 北京： 中国建材工业出版 社 ， 2 0 0 5 6 郭运杰， 王元光， 王旭斌 耐热混凝土的试验研究与工程应用 J 广东土木与建筑， 2 0 0 4 ， ( 6 ) 收稿 日 期】 2 0 1 2一 o 6 2 0 【 作者简介 张林春( 1 9 8 1 一) ， 男， 山东菏泽人， 硕士， 国家一 级注册结构工程师， 讲师， 从事土木工程方面的 教学和科研工作。 欢迎订阅 低温建筑技术 ( 月刊) 低温建筑技术 1 9 7 9年创刊， 面向广大从事基本建设的设计、 科研、 教学 、 施工和管理人员， 是指导我国三北地区建筑 科学技术和冬期施工技术发展的唯一综合性的科技期刊。 订阅办法： 全年 1 2期， 每期定价 1 0 0 o 元 ， 全年 1 2 0 0 0元整， 另附邮资4 0元 ， 即每套定价 1 6 0元。全国各地邮局均可订 阅， 邮发代号 1 4 1 2 2 ， 请到当地邮局订购， 也可通过邮局汇款到哈尔滨市南岗区清滨路 6 o 号 低温建筑技术 编辑部订阅。 刊 址 ： 哈尔滨市南岗区清滨路 6 0号 邮政编码： 1 5 0 0 8 0 电 话 ： 0 4 5 1 8 6 3 3 4 0 9 7 8 6 3 3 5 0 2 2 传 真 ： 0 4 5 1 8 6 3 3 4 0 9 7 电子信箱 ： L o w t e m1 6 3 c o n 网 址 ： h t t p ： d w j z j s p e r i o d i c a l s n e t C B