技术交流:550℃ 耐高温混凝土的制备研究

550℃ 耐高温混凝土的制备研究

管卫东，刘晟，唐慧

（金坛市鼎金混凝土有限公司，江苏  金坛 212028）

［摘   要］集料、胶凝材料、水胶比都对混凝土的耐高温性能有较大的影响。当混凝土的服役环境温度提升到550℃ 时，采用耐火砂并加大胶凝材料中矿粉的比例，适当降低水胶比，可制备出烘干强度（110℃×24h）37.7MPa、残余强度（500℃×3h）39.3MPa、残余强度（900℃×3h）20.1MPa，烧后线变化（500℃×3h）-0.05%，烧后线变化（900℃×3h）-0.12%的耐高温混凝土。

［关键词］混凝土；耐高温；配合比

0  前言

耐高温混凝土是一种能长期承受高温作用（ 200 ℃ 以上），并在高温作用下保持所需的物理力学性能的特种混凝土，被广泛地应用于冶金、化工、石油、轻工和建材等工业的热工设备和长期受高温作用的构筑物，如工业烟囱或烟道的内衬、工业窑炉的耐火内衬、高温锅炉的基础及外壳等^[1-3]。

与传统耐火砖相比，耐高温混凝土具有生产工艺简单、整体性强、气密性好、寿命周期长等优点。我公司受某煤焦化企业工程项目部委托，提供C25、550℃ 的耐高温混凝土用于焦炉的烟道工程。

1  试验

1.1  试验原料

（1）水泥： P·O42.5 水泥，28d 强度 46.7MPa。

（2）矿粉： S95 级矿粉，比表面积 400m²/kg。

（3）粉煤灰：Ⅱ 级，45μm 筛余 18%，需水量比 97%。

（4）细集料 1：河砂，细度模数 2.7，含泥量 1.5%。

（5）细集料 2：烧结镁砂，细度模数 2.5。

（6）粗集料：南京六合玄武岩，5～25mm 连续粒级。

（7）外加剂：苏博特 JM-10 减水剂，减水率 18%。

1.2  试验方法

     以 C25 商品混凝土配合比作为初始配合比，分别调整混凝土的水胶比、河砂与耐火砂的比例，以及普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的比例，考察混凝土的耐高温性能。混凝土的初始配合比如表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试验方法》标准进行测试，混凝土力学性能按
GB/T 50081－2002 《普通混凝土力学性能试验方法》标准进行测试，混凝土的烧后线变化按 GB/T 5988－2007《耐火材料 加热永久线变化试验方法》标准进行测试。

2  实验结果与讨论

2.1  耐火砂取代河砂的比例对混凝土耐高温性能的影响

确定其他材料比例不变的前提下，调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，分别测试其在500℃ 和 900℃ 下的耐高温性能。主要测试项目：烘干强度（110℃×24h）、残余强度 1（500℃×3h）、残余强度 2（900℃×3h）。测试见过见表2。

表 2   耐火砂取代河砂的用量
对混凝土耐高温性能的影响

由表 2 结果可知，耐火砂取代河砂的比例对烘干强度和残余强度 1 影响不大，对残余强度 2 有着较大的影响。随着耐火砂的用量逐渐增加，残余强度2 随之显著提高。这是由于河砂为石英质砂，石英在 573℃ 会发生晶型转变，体积膨胀 1.3～1.5 倍，因此在 500℃ 时，残余强度变化不大，但在温度高于石英晶型转变温度时，耐火砂的大比例取代可以明显提高混凝土的残余强度。此外，残余强度1 的值与烘干强度相比也有较大幅度地降低，这是由于水泥石中的水化产物在高温下分解脱水，晶格结构遭到破坏的缘故。

2.2  矿粉取代水泥的比例对混凝土耐高温性能的影响

由于此次设计的混凝土的工作环境为 550℃，虽然略低于石英的晶型转变温度，但工业环境中的温度波动较大，为确保混凝土的服役寿命，混凝土中的河砂全部由耐火砂取代。随后调整混凝土中普通硅酸盐水泥和矿粉的比例，控制混凝土的坍落度在140～160mm，分别测试其在 500℃ 和 900℃ 下的耐高温性能。主要测试项目：烘干强度、残余强度 1、残余强度 2。

表 3   矿粉取代水泥的用量对混凝土耐高温性能的影响

由表 3 试验结果可知，随着矿粉的用量逐渐增加，硅酸盐水泥的用量逐渐减少，烘干强度变化不大，这说明适量矿粉取代水泥对普通混凝土的强度影响不大，当矿粉用量超过一定数值时，混凝土强度有所下降。残余强度1 和残余强度 2 随着矿粉用量的增加都明显提升。这是由于硅酸盐水泥熟料中的 C₃S 和 C₂S 的水化产物Ca(OH)₂ 在高温下脱水，生成的 CaO 与矿粉及粉煤灰中的活性 SiO₂ 和 A1₂O₃又反应生成具有较强耐高温性的无水硅酸钙和无水铝酸钙，同时减少了 Ca(OH)₂ 在高温下脱水生成游离 CaO 的含量（游离 CaO 的存在导致混凝土的体积稳定性降低）。此外，水泥水化产物C-S-H 凝胶在高温时脱去结合水而开裂，凝胶层越厚，开裂程度越大，矿粉取代水泥后，减少了水泥用量，分散了 C-S-H 凝胶体，大大减少了凝胶层的包裹层厚度，进而降低了水泥石的开裂程度，混凝土的耐高温性能大大提升。

2.3  水胶比对混凝土耐高温性能的影响

在确定骨料种类（全部为耐火砂）和矿粉的用量为
120 kg 后，调整外加剂的用量，在保证坍落度在 140～160mm的前提下，调整混凝土的用水量（即调整混凝土的水胶比），分别测试其在 500℃ 和 900℃下的耐高温性能。主要测试项目：烘干强度、残余强度 1、残余强度 2，水胶比对混凝土耐高温性能的影响见表 4。

表 4   水胶比对混凝土耐高温性能的影响

由表 4 试验结果可知，随着水胶比的降低，烘干强度（110℃×24h）、残余强度 1（500℃×3h）、残余强度2（900℃×3h）都有所提高，当水胶比低于 0.49 时，残余强度 1（500℃×3h）的值超过了烘干强度。同时可知，随着水胶比的降低，强度损失率 1、强度损失率2 都明显降低。结合混凝土的配合比成本和性能各方面因素，设定此次 550℃ 耐高温混凝土（强度等级为 C25）的配合比如表 6 所示。

  表 6   C25 耐高温（550℃）混凝土配合比      kg/m³

该配比下配制的混凝土各项性能指标如下：烘干强度（110℃×24h）37.7MPa、残余强度 1（500℃×3h）
39.3 MPa、残余强度 2（900℃×3h）20.1MPa，烧后线变化 1（500℃×3h）-0.05%，烧后线变化 2（900℃×3h）-0.12%。可满足设计要求。

3  结论

（1）耐火砂取代河砂对残余强度 1（500℃×3h）影响不大，但可达到提高残余强度 2（900℃×3h）的数值。原因是石英的晶型转变温度为573℃，在此温度下，石英的体积变形较大，对混凝土性能产生不利影响。

（2）矿粉取代硅酸盐水泥后，残余强度 1（500℃×3h）和残余强度 2（900℃×3h）都随着矿粉的用量提高而提高，原因在于矿粉吸收了Ca(OH)₂ 生成具有较强耐高温性的无水硅酸钙和无水铝酸钙，且降低了 C-S-H 凝胶体包裹层的厚度，提升了混凝土的耐高温性能。

（3）水胶比对混凝土耐高温性能影响较大，随着水胶比的降低，混凝土的耐高温性能明显改善。

参考文献

[1] 时旭东，刘超，等．亚高温持续作用混凝土受压强度试验研究[J]．建筑结构，2011，41(8)：106-109．

[2] 过镇海，王传志．高温下混凝土性能的试验研究概括［M］．北京：清华场大学出版社，1989．

[3] 覃丽坤，宋玉普．高温对混凝土力学性能影响的试验研究[J]． 混凝土，2004(5)：8-10.

［作者简介］管卫东（1979－）男，助理工程师，从事水泥基建筑材料的生产与研究。

［通讯地址］江苏省金坛市桃西工业园中路 1 号（213233）