耐热混凝土的配制与应用.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 in 2 01 1 ( To t a l No2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNoLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 4 9 耐热混凝土的配制与应用 李会 ， 。 ( 1 北京市高强混凝土有 限责任公司 ，北京 1 0 0 0 7 6 ；2 杨 荣俊 北京市政路桥控股建材集 团 研发中心 ，北京 1 0 0 0 2 2 ) 摘要 ： 根据工程需要 ， 研究 了以玄武岩为骨料 配制耐热 6 0 0的混凝土。 对耐热混凝土 的原材料选择 、 配合 比设计 、 生产过程的质量控 制以及耐热机理等方面进行了探讨。 所配制耐热混凝土在实际应用中， 施工性能、 强度指标等均满足设计施工要求。 工程应用结果表明， 利 用玄武岩配制耐热 6 0 0的混凝土充分可行。 关键词： 耐热混凝土；玄武岩；耐热度；残余强度 中图分类号 ： T U5 2 8 3 4 文献标 志码： A 文章 编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 5 4 0 2 P r e par a t i on an d app l i c a t i on of he a t - r e s i s t a n t c on cr e t e L f Hu j 。 Y A J V GRo n g -j u n ( 1 Be i j i n gG a o q i a n gC o n c r e t eC o ， L t d ， Be i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， Ch i n a ； 2 B e ij i n g Mu n i c i p a l R o a d a n d B ri d g e H o l d i n g B u i l d i n g Ma t e r i a l s G r o u p S c i e n t i fi c R e s e a r c h C e nt e r ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ac c o r d i n g t o t h e e n g i n e e rin g n e e d s we s t u d y the b a s a l t a g g r e g a t e c o n c r e t e p r e p a r a t i o n o f h e a t - r e s i s t a n t t O 6 0 0 He a t r e s i s t a n t C O Il c r e t e f o r m a t e ria l s e l e c t i o n， mi x d e s i g n， p r o d u c t i o n p r o c e s s q u a l i t y c o n t r o l a nd h e a t r e s i s t a n t me c h an i s m we r e d i s c u s s e dTh e p r e p a r a t i o n o f h e a t r e s i s t a n t c o n c r e t e i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ， c o n s t r u c t i o n， s tre n g t h d e s i gn an d c o n s t r u c t i o n r e q u i r e me n t s t O me e t t h e t a r g e t d e s ign Ap p l i c a t i o n r e s u l t s s h o we d that t h e b a s a l t c o n c r e t e p r e p a r a t i o n o f h e a t r e s i s t a n t t O 6 0 0 *Cwa s f ul l y f e asi bl e Ke y w or ds ： h e a t r e s i s t a n t c o n c r e t e ； b asa l t ； h e at r e s i s t a n c e ； r e s i d u a l s t r e n g t h 0 引言 耐热混凝土是指在 2 0 0 - 1 3 0 0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 1 】 ， 常用于热工设备和受高温作用的结构物。 某供热厂耐热混凝土主要用于供热厂烟道护壁和排渣 口。 要求强度等级 C 3 0 ， 耐热 6 0 0， 坍落度 1 6 0 1 8 0 c m， 泵送施工。 由于耐热混凝土国家尚无统一的应用技术规程， 因此围绕 该工程耐热混凝土需求 ， 对耐热混凝土原材料选择、 配合比设 计、 生产质量控制 、 施工现场浇筑和养护及耐热机理等问题进 行了详细的探讨 ， 研究结果希望对耐热混凝土应用技术规程的 建立以及类似工程能起到指导和借鉴作用。 1 耐热混凝土作用机理 普通混凝土受热时容易遭受破坏 ， 主要原因有水泥浆体失 水 、 骨料膨胀以及水泥浆体与骨料、 钢筋的热膨胀不协调而产 生热梯度， 导致了结构的破坏 ， 混凝土产品高温破坏是许多因 素共同作用的结果 ， 它们之间存在着非常复杂的关系。 根据已 有 的研究成果2 】 ， 普通混凝 土随温度变化的一般规律为 ： 1 0 0下 ， 混凝土内的 自由水逐渐蒸发 ， 内部形成毛细裂缝和 孔隙。加载后缝隙尖端应力集中， 促使裂缝扩展， 抗压强度下降。 2 0 0 3 0 0下， 混凝土内自由水已全部蒸发， 水泥凝胶水中 的结合水开始脱出， 胶合作用的加强缓和了缝端的应力集中， 有 利于强度提高； 另一方面粗细骨料和水泥浆体的温度膨胀系数 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 - 2 5 1 5 4 不等， 应变差的增大使骨料界面形成裂纹， 削弱了混凝土强度。 这些矛盾的因素同时作用， 使这一温度区段的抗压强度变化复杂。 5 0 0下 ， 骨料和水泥浆体 的温度变形差继续加大 ， 界面裂 缝不断开展和延伸。 而且 4 0 0后水泥水化生成的氢氧化钙等 脱水， 体积膨胀， 促使裂缝扩展， 抗压强度显著下降。 6 0 0下， 未水化的水泥颗粒和骨料中的石英成分形成晶体， 伴随着巨大的膨胀 ， 一些骨料内部开始形成裂缝 ， 抗压强度急 剧下降。 正因为如此， 在冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规 程规定 ， 钢筋混凝土结构最高温度可达 2 0 0， 也就是说超过 2 0 0就不能用普通混凝土 。 同样在 了解普通混凝土高温下性能 变化过程后， 通过材料专门选择、 配合比优化设计可以针对性 地配制提高混凝土耐热性能。具体可总结为： ( 1 ) 骨料选择是关键 ， 是影响混凝土耐热性能的主要因素。 影响混凝土耐热的主要因素有骨料、混凝土机体的孑 L 隙率 、 各 成分的耐热性能、 胶凝材料等。 骨料用量占混凝土总质量的 7 5 左右， 是影响混凝土耐热性能的主要因素。 选用热膨胀系数小的 材料， 可以缩小骨料与水泥石收缩的差值 ， 改善骨料级配可以提 高混凝土的密实度与体积稳定性， 进而提高混凝土的耐热性能。 ( 2 ) 耐热混凝土配合比设计基本原则 ： 尽可能降低水泥用 量、 尽可能降低用水量， 尽可能使用矿物掺合料， 合理的骨料级 配和砂率。 材料本身的性能是决定耐热混凝土耐热性能的主要因素， 为改善混凝土耐热性， 除合理选材外， 在配合比设计时必须了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 解各组分对混凝土性能的影响 ， 科学设计配合比， 在配合比设 计时严格依据耐热混凝土配合比设计原则 ： 水泥用量尽可能 降低， 在满足强度前提下水泥用量取较小值 ， 当水泥用量超过 一 定范围， 混凝土的荷重软化点降低， 残余变形增大， 耐热性能 降低。 尽可能减小单位用水量， 耐热混凝土长期处于高温环 境下 ， 水分易散失 ， 导致混凝土 内部孑 L 隙率增大 ， 结构疏松强度 降低； 同时， 过量的用水量会导致混凝土内残留水增多， 在高温 下产生很大蒸汽压力， 导致混凝土爆裂破坏。 使用矿物掺合料， 矿物掺合料如粉煤灰 、 矿粉经过高温， 具有一定耐 火性 ， 本身就 是一种较好的耐火粉料， 粉煤灰 、 矿粉中含有活性 S i O 和 Al 2 0 ， 可与水泥水化产物 C a ( O H) ： 发生二次反映， 生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙， 有效降低了高温下 C a ( O H) ： 脱水生成的 f _ c a O的 含量。 同时高温下活性 S i O ： 和 A l ： O ， 也可与业已生成的 f c a O 起 固相反应生成遇水不消解 ， 体积相对稳定的硅酸钙和铝酸钙。 ( 因为， C a 0可吸水 消解为 C a ( O H) ， 体积膨胀 ， 造成混凝土破 坏 。 ) 同时 ， 因为水泥水化产物 C S H凝胶在高温时脱去 自身结 合水而开裂， 且凝胶层越厚， 开裂程度越大， 加入矿物掺合料可 大量取代水泥 ， 减小水泥用量 ， 分散 了 C S H凝胶体 ， 大大减小 了凝胶体的体包裹层厚度 ， 进而降低了水泥石的开裂程度。 另 外， 粉料还能改善混凝土的和易性。 对于提高耐热混凝土的耐热 性能 、 降低生产成本具有重要意义。 2试 验 方 法 成型试块尺寸 1 0 0 n u n x l 0 0 mmx l 0 0 r n l Y l 。 耐热混凝土强度 等级： 耐热混凝土按 G B J 1 0 7的标准进行取样、 制作、 养护、 检验 和强度等级评定。 进行耐压试验， 根据耐压试验结果按 G B J 1 0 7 的规定评定强度等级 。 烘干强度 ： 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 残余强度 ： 经烘干后的试块置于箱式电炉中加热 ， 按平均 2 3C mi n匀速升温至设定温度 ， 恒温 3 h 后 ， 自然冷却至室温 ， 立即送压， 测定耐热混凝土残余强度。 检测结果按本规程表 1 中 技术要求评定。 耐热度： 测得的残余强度符合本规程表 1 中技术要求规定时， 且试块完整表面未出现裂纹 ， 其设定加热的温度值即为耐热度。 表 1 耐热混凝土的检验项目和技术要求 每组成型 4组试块( 1 0 0 mmx l 0 0 n u n x l 0 0 m m) 标准养护 2 8 d ， 于 1 1 0烘干 1 6 h ， 置于高温炉 中， 分别在 3 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0 下恒温 3 h ， 然后在 自然温度下冷却至室温。 3 原材料选择 骨料 占混凝土总质量 的 8 0 ， 是影响耐热混凝 土耐热性 的 关键 ， 根据工程要求为 C 3 0耐热 6 0 0混凝土， 由于石英在温 度达到 5 7 3以上时发生晶型转化， 由 B型转为 型， 体积会 发生膨胀至 1 3 1 5 倍 。而河砂 主要成分为石英 ， 所 以细骨料不 能采用河砂 ， 而石灰石在 6 0 0 7 0 0时开始分解 ， 因此 粗骨料 也不能选用石灰石。 为此， 按照常规易得 、 经济性的原则， 粗细骨 料均选用河北产玄武岩。 玄武岩岩性上属于火成岩 ， 质地均匀， 结构致密， 粒径分为 O 3 m l T l 、 3 5 mm、 5 1 0 ra i n 、 1 0 - 2 0 r n l n四种 级配 ， 可以大大降低混凝土孔隙率， 增加密实度。 水 泥 ： 选用北京琉璃河水泥厂生产 的 P O 4 2 5 级 ， 其 主要 物理力学性能见表 2 。 表 2 水泥物理性能 粉煤灰 ： 选用山东德州 I 级粉煤灰。 主要性能指标见表 3 。 表 3 粉煤 灰技术指标 矿粉： 选用首钢嘉华 $ 9 5级矿渣微粉 ， 主要性能指标见表 4 。 表 4 矿渣粉技术指标 外加剂： 选用建研院生产的 A N 4 0 0 0聚羧酸高效减水剂， 减水率为 2 5 3 0 ， 掺量为 1 O 】 2 ， 天津雍阳外加剂厂生 产的 U NF 5 AS 2萘系缓凝高效减水剂， 减水率为 1 5 2 0 ， 掺 量为 2 5 3 O 。 拌和水与常规 混凝土相同 ， 选用 自来水 。 4配合 比设计 与试验 配合比试验主要侧重于通过调整掺合料的掺量和外加剂 种类调整和易性 ， 以满足生产需要。 根据试验结果确定最终生 产配合 比。 试验用配合 比见表 5 。 表 5 试验配合比 序号 W C ( k m ) W ( k m ) C ( k m ) F A ( k gm )I ( ( k m ) S O 一 3 ( k m )s 3 5 ( k m ) G5 * 1 W( k m ) G1 0 2 ff( k g m ) ( k m ) 表观密度 ( k m ) l 04 0 1 6 5 l 8 O 9 0 l 4 0 5 8 0 2 5 4 2 98 8 9 4 4 9 2 6 0 6 注： 1 、 2 为聚羧酸外加刺； 3 、 4 、 5 为萘系外加剂。 下转第 1 5 8页 l 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 水 灰 比不 同， 预湿 陶粒对次 轻混凝土抗压 强度 的影 响 程度会不同，本试验中， 2 0 预湿陶粒掺量时， 0 4 O的水灰比的 次轻混凝土抗压强度提高幅度最大。 参考文献 ： 1陈志源， 林江禹 强材料学( 第一版) 【 M 1 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 4 2 】 吴之余， 郑念中 我国混凝土工程技术的现状及发展【J 】 混凝土， 2 0 0 0 ( 1 1 )： 3 - 7 【 3 】3 龚洛书 轻集料混凝土桥梁工程发展概况f J 】 施工技术， 2 0 0 2 ， 9 ( 3 1 ) ： l 一 3 【 4 1 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土【 M 】 北京： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 5 李悦 钢管高强膨胀混凝土组成、 结构与性能的研究【 D J 武汉： 武汉 工业入学， 1 9 9 9 【 6 16 吴中伟 绿色高性能混凝土一混凝土的发展方向【 J 1 混凝土与水泥制 品 ， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 【 7 1 胡曙光绿色水泥与混凝土的可持续发展战略 J 】 武汉： 武汉工业大 学学报， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 特T U ) ： 6 8 王新友 环境材料与绿色建材【 J 】 建筑材料学报 ， 1 9 9 8 ， 1 ( 1 ) ： 8 8 【 9 】 黄土元 高性能混凝土发展的回顾与思考【J 】 混凝土， 2 0 0 3 ( 7 ) ： 3 - 9 上接第 1 5 5页 标准养护 2 8 d后 ， 按上述试验方法进行试验 ， 试验结 果见 表 6 。 表 6试验配合 比耐热试验结果 混凝土试块经 1 0 0 、 3 0 0后外观没有发生变化 ， 经历 6 0 0 烘烤后试件表面出现淡红色 ， 9 0 0烘烤后试件表面出现淡黄色 。 从表6可以看出高用水量5 配合比， 高水泥用量 2 、 4 配合 比的混凝土在经受 6 0 0高温后强度损失相对较大。同时 ， 3 0 0 时， 各配合比烘烤后强度均大于烘干强度( 相对耐压强度 1 0 0 ) ； 6 0 0时 ， 2 、 3 、 5号配合比试件表面出现少许细微裂缝， 9 0 0 时 2 、 3 、 5 号配合比试件裂缝加深 ， 1 、 3号配合比试件表面出现 细微裂缝 。 6 0 0 、 9 0 0恒温 3 h后强度 均有 不同程度损失 ， 温度 1 O O s k a r B e e E n e r g y e o n s u m - P t i o n r e l a t e d t o e o n e r e t e s t r u c t u r e s 叨A C I J o u r n a l ， 1 9 7 5 ( 1 1 ) 1 l 】 田耀刚， 胡曙光， 丁庆军， 等轻集料混凝土的抗硫酸盐佼蚀性能研 究 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 6 1 6 3 【 l 2 僳 月 ， 潭克峰， 范1 寸 忠高性能轻集料棍凝土的强度与耐久性的研究 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 4 7 4 9 1 3 王发洲 高性能轻集料混凝土的组成、 结构与性能【 D 武汉： 武汉理 工大学 ， 2 0 0 3 n 4 j 曹诚 ， 杨玉强 高强轻集料混凝土在桥梁工程中应用的效益和性能 特点分析 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 9 )： 2 7 2 9 1 5 1 陈增林结构用轻骨料混凝土 M 】 长沙： 湖南科学技术出版社， 1 9 8 2 ： 1 2 0 【 l 6 】 国外轻骨料混凝土应用 M I 中国建筑科学研究院混凝土研究所， 译 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 2 ： 1 - 4 0 作者简介 ： 联系地 址： 联系电话 ： 周8 fi ( 1 9 7 0 - ) ， 男， 硕士， 高级工程师， 从事建筑工程质量 检测工作。 辽宁省沈阳市沈河区文翠路 3 3 号 ( 1 1 0 0 1 6 ) 1 3 3 0 40 2 7 0 78 越高 ， 强度损失幅度越大。 按耐热混凝 土应用技术规程耐热度评 定指标要求， 上述配合比混凝土试件均满足 6 0 0耐热度要求， 但不满足 9 0 0耐热度要求 。 分析原因 ： 在温度 3 0 0时 ， 相对温度不高 ， 混凝土 内的游 离水在混凝土内形成蒸汽养护， 水泥水化速度进一度加快， 同时， 水泥主要水化产物 C S - H凝胶也开始脱水 ， 使 C S H胶体组织 逐渐致密 ， 水泥石强度有所提高 ， 所以 3 0 0烘烤后强度反而 高于 1 1 0烘干耐压强度。 随着温度进一度升高 ， C S H凝胶大 量脱水收缩， C a ( OH) 也脱水分解成 C a O， 体积缩小， 是水泥石 在高温下产生较大收缩 ， 而骨料随温度上升产生膨胀， 在水泥 石与骨料界面产生较大应力， 降低了界面黏结力， 表现为强度 下降， 温度越高， 强度损失越大。 5实际工程应用情况 供热厂耐热混凝土主要应用于排渣口和烟道部位。 通过试验结果选取满足施工要求的配合比投入生产， 生产前 对全材料进场采取严格检查并标识。 生产过程中， 检测混凝土坍落 度， 并按要求留置生产试块， 按规定方法进行检验， 具体结果见表 7 。 表 7实际生产试块试验结果 6结论 ( 1 ) 使 用玄 武岩为粗细骨料 可以配制耐热 6 0 0混凝 土 。 由于玄武岩常规易得， 因此为经济地配制该特种耐热混凝土找 到了很好 的实现途径 。 ( 2 ) 生产前对各粒级骨料进行严格检测， 确定各粒级使用 比例， 以达到最低孔隙率。 ( 3 ) 进场原材料严格堆放， 严禁混入河砂、 河卵石及石灰石。 ( 4 ) 严格按照理论 配合 比生产 ， 在满足泵送 的前 提下 ， 尽可 能减少用水量 。生产和施工过程中严禁随意加水 ， 以减少混凝 土中的游离水， 避免混凝土干燥后留下孔道。 ( 5 ) 满足混凝土常温强度前提下， 尽可能使用矿物掺合料， 减少水 泥用量。 1 5 8 ( 6 ) 由于 0 3 m m 玄武岩含有大量石粉 ， 混凝土 黏聚性大 ， 和易性有待进一步提高。 ( 7 ) 现有耐热混凝土应用技术规程( 征求意见稿 ) 把玄武岩 列入耐热 5 0 0混凝土配制材料， 较为保守 ， 研究与工程应用 表明， 利用玄武岩配制耐热混凝土可放宽至 6 0 0范围。 参考文献 ： 【 l 】 雍本特种混凝土施工手册 M I 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 5 【 2 】 过镇海， 等 常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能【 M 】 京 清华大学出版社， 2 0 0 6 3 】耐热混凝土应用技术规程( 征求意见稿) s 】 作者简介： 李会( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 工程师。 联 系地址 ： 北京市大兴区西红门福瑞路 1 6号 ( 1 0 0 0 7 6 ) 联 系电话 ： 1 3 4 2 6 2 6 3 l l 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m