大體積耐熱混凝土的應(yīng)用與質(zhì)量控制

黃鵬清

(廣東建禾建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 茂名 525000）

結(jié)語

引言

耐熱混凝土是指由耐火骨料、膠結(jié)材料、水以及其他外摻劑拌合而成的具有較強(qiáng)的耐高溫性能，且在高溫環(huán)境中可保持其物理力學(xué)性能的特殊混凝土，一般情況下指能長時間承受200℃-1300℃的高溫環(huán)境。該類混凝土被廣泛應(yīng)用與冶金、化工行業(yè)的窯爐基礎(chǔ)、高爐外殼以及煙囪等構(gòu)筑物，在耐熱混凝土施工中只有堅持全方位、全過程質(zhì)量控制方能實現(xiàn)其具有適當(dāng)?shù)母邷亓W(xué)性能，保證結(jié)構(gòu)的最終質(zhì)量。

1 耐熱機(jī)理

普通混凝土在受熱時會由于內(nèi)部水泥漿體失水、骨料膨脹以及混合物內(nèi)水泥漿體與骨料、鋼筋的熱膨脹不協(xié)調(diào)等因素而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。而耐熱混凝土則可在高溫環(huán)境內(nèi)保持其原有物理力學(xué)性能，因其骨料為耐火骨料，并通過計算和適量膠結(jié)料和水配置而成的特殊混凝土，影響該類混凝土耐高溫性能的主要因素有骨料、空隙率以及膠凝材料等，各類材料自身耐熱性能決定著最終混凝土的耐熱性，同時水泥用量、水膠比以及骨料級配、外摻劑種類和數(shù)量等也在一定程度上影響其耐高溫性能。其中骨料性能是影響其耐熱性的關(guān)鍵因素，因此在選擇骨料時應(yīng)注意其類別和耐火度，在滿足骨料同膠凝材料適應(yīng)的前提下盡量選用膨脹系數(shù)小的骨料以縮小其與水泥石收縮的差值，并應(yīng)改善骨料級配來提高混凝土密實度和其體積穩(wěn)定性能，繼而可提高其高溫性能，同時應(yīng)選用合適的粒度與砂率以免影響拌合物的和易性，施工中導(dǎo)致離析現(xiàn)象；在一定范圍內(nèi)增大水泥用量其耐高溫性能會降低，由于水泥石和骨料間存在的溫度變形差異導(dǎo)致在溫度升高時會在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋，且在高溫環(huán)境中水泥石脫水會增大內(nèi)部孔隙率，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低；外摻料的加入能提高混凝土耐高溫性能是由于其內(nèi)部SiO2等活性化學(xué)成分在高溫下會和游離CaO 發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)耐火性能的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣而將CaO的副作用消除，繼而可提高混凝土的耐火性能。

2 大體積耐熱混凝土施工工藝

2.1 材料控制

集料。耐熱混凝土集料應(yīng)選用在高溫環(huán)境中體積變化小、不發(fā)生化學(xué)分解并具有較高強(qiáng)度的材料，同時其應(yīng)有較高熔點和較小的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)前采用的耐熱粗集料多為碎粘土磚、碎高鋁耐火磚等，細(xì)集料則多為碎鎂質(zhì)耐火磚和鎂砂等，若混凝土的使用溫度超過1500℃則最好選用鉻鋁渣或電熔剛玉等，在細(xì)骨料選擇時應(yīng)兼顧其類別和耐火度，保證其與水泥材料相適應(yīng)，并應(yīng)選擇合適的粒度、顆粒級配等，以免粗骨料粒徑過大或用量過大而降低混凝土的和易性及密實度，甚至?xí)?dǎo)致高溫下分層現(xiàn)象。膠凝料。普通混凝土內(nèi)水泥的最終水化產(chǎn)物為水化鋁酸鈣，其在高溫環(huán)境中會脫水而破壞水泥石結(jié)構(gòu)導(dǎo)致混凝土開裂，因此耐熱混凝土內(nèi)應(yīng)選用高鋁水泥等特種水泥，但在施工中應(yīng)充分認(rèn)識到該種水泥拌制成的混凝土工作性較差、強(qiáng)度較低且不方便施工等；因而若后期環(huán)境溫度要求較低則可選用普通硅酸鹽水泥，利用其熟料中C3S和C3S 等水化產(chǎn)物可在高溫環(huán)境中脫水，產(chǎn)生的CaO 可與礦渣及摻合料內(nèi)活性SiO2和Al203 等反應(yīng)生成具有強(qiáng)耐火性的無水硅酸鈣和無水鋁酸鈣來提高混凝土的耐熱性。

摻合料。在混凝土配置時摻加定量的同水泥的化學(xué)成分類似的剛玉粉、高鋁礬熟料粉等分料可增加混凝土的密實性，減少其在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生形變，且可改善混凝土的高溫性能，并可減少水泥用量和提高混凝土的和易性，且在后期高溫環(huán)境中的抗壓強(qiáng)度降低較少。

外加劑。在耐熱混凝土內(nèi)摻加緩凝型減水劑可降低混凝土的孔隙率和拌合用水量，并可提高混凝土的密實度及增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。

2.2 配合比設(shè)計

耐熱混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)結(jié)合其后期工作強(qiáng)度、環(huán)境極限溫度和施工用材等多個因素考慮，并應(yīng)通過試驗確定；由于大多集料的耐高溫性能高于膠結(jié)料，因而當(dāng)膠結(jié)料用量超過一定范圍則隨著膠結(jié)料用量增加而導(dǎo)致混凝土的荷載軟化點，并增大其殘余變形量和耐火性能，因此在進(jìn)行配合比設(shè)計過程中應(yīng)在滿足強(qiáng)度的前提下盡量減少膠結(jié)料用量。

2.3 混凝土拌合

耐熱混凝土宜采用機(jī)械攪拌，攪拌時間宜較普通混凝土長1-2min；應(yīng)準(zhǔn)確計量各頭投加料，一般骨料采用磅秤集料，外加劑則采用量杯等計量，應(yīng)控制骨料計量誤差在±3%范圍內(nèi)，其他材料誤差則應(yīng)控制在±l%范圍內(nèi)；攪拌時應(yīng)先投加骨料和水泥及摻合料進(jìn)行拌合，拌合時間一般為2min，后根據(jù)比例投加拌合水在進(jìn)行拌合，最終拌合至顏色均勻一致；若施工為冬期施工則應(yīng)避免在其中摻加化學(xué)促凝劑，若對混凝土采取加熱措施則應(yīng)控制其加熱溫度不超過60℃，若未高鋁水泥耐熱混凝土則應(yīng)控制加熱溫度不超過30℃.

2.4 混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)

一般耐熱混凝土多用于大體積部位，因此其澆筑施工多采用分層、分塊澆筑，采用分層澆筑時應(yīng)控制其分層厚度在250-300mm 范圍內(nèi)，對混凝土振搗應(yīng)采用插入式振搗棒，振搗間距不應(yīng)超過400mm，每個振搗部位的振搗時間應(yīng)控制在20-30s；混凝土振搗完畢后應(yīng)及時用草袋等進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，在覆蓋前應(yīng)先進(jìn)行灑水濕潤，養(yǎng)護(hù)期間溫度以15-25℃為宜，養(yǎng)護(hù)時間不應(yīng)低于14d，若是水玻璃混凝土施工則應(yīng)在15-35℃環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，整個養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)避免太陽直接暴曬導(dǎo)致表層混凝土脫水龜裂發(fā)生；若采用烘烤方法對其加熱則應(yīng)待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%后方可進(jìn)行，且過程中應(yīng)嚴(yán)格控制其溫升速度。

3 質(zhì)量控制要點

3.1 骨料選擇

由于骨料占耐熱混凝土體積的75%左右因此其是影響耐熱混凝土耐熱性能的關(guān)鍵因素，在骨料選擇時應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)較小的材料以減小骨料與水泥石間收縮差值，并應(yīng)通過改善骨料級配來提高混凝土的密實度和體積穩(wěn)定性，最終可提高混凝土的耐熱性能。

3.2 配合比設(shè)計

盡量降低水泥用量。配合比設(shè)計時在滿足強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)選取水泥用量的較小值，因為當(dāng)水泥用量超過一定范圍時會降低混凝土的荷重軟化點，并會使其殘余變形增大而影響其耐熱性；

降低用水量。投入使用后的耐熱混凝土因長期處于高溫環(huán)境導(dǎo)致內(nèi)部水分容易散失，同時會增大內(nèi)部孔隙率導(dǎo)致構(gòu)件疏松強(qiáng)度降低，且用水量增大會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部殘留水分增多，在高溫環(huán)境下則會產(chǎn)生較大的蒸汽壓力而破壞構(gòu)件；

合理選用礦物摻合料。作為摻合料的粉煤灰、礦粉等具有一定的耐火性，因其內(nèi)部含有活性SiO2和A1203，其可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，繼而會發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，該產(chǎn)物可有效降低高溫下CaO的含量，同時在高溫環(huán)境中活性SiO2和A1203可與CaO 起固相反應(yīng)而生成體積相對穩(wěn)定且遇水不消解的硅酸鈣和鋁酸鈣，并且水泥水化產(chǎn)物中的某種凝膠在高溫環(huán)境中可脫去自身結(jié)合水而導(dǎo)致開裂，且該凝膠層越厚則開裂程度越大，因此在其中摻加礦物摻合料可取代一定體積的水泥而減小水泥用量，并可將內(nèi)部凝膠體分散，因此可在一定程度上減少凝膠體的包裹層厚度而降低了水泥石的開裂程度，同時在混凝土內(nèi)摻加粉料尚可改善混凝土的和易性，且對利于提高其耐熱性能并降低生產(chǎn)成本。

結(jié)語

耐熱混凝土作為重要結(jié)構(gòu)部位的施工材料因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點在施工領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)用中應(yīng)確保技術(shù)措施到位，施工用材選擇合理，最終方能實現(xiàn)耐熱混凝土整體性強(qiáng)、強(qiáng)度高、氣密性好的優(yōu)點，并通過利用地方材料和天然材料來體現(xiàn)其良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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