利用尾礦、玄武巖配制耐熱混凝土的應(yīng)用研究

陳向哲

（河北建設(shè)集團(tuán)有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

利用尾礦、玄武巖配制耐熱混凝土的應(yīng)用研究

陳向哲

（河北建設(shè)集團(tuán)有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

針對(duì)悶渣池耐熱混凝土對(duì)原材料的特殊要求，結(jié)合自身情況，選擇配制以當(dāng)?shù)刂鞑臑榛A(chǔ)的硅酸鹽耐熱混凝土。在耐熱骨料當(dāng)中摻加一定量的非耐熱骨料，即在秦皇島盧龍玄武巖當(dāng)中摻加部分唐山遷西地區(qū)鐵選尾礦，砂配制出耐熱混凝土，通過(guò)一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了解尾礦砂對(duì)耐熱混凝土性能的影響。配制出的耐熱混凝土在 700℃ 高溫烘烤的情況下，各項(xiàng)性能達(dá)到要求。

耐熱混凝土；尾礦砂；玄武巖

0 引言

我公司于 2015 年 10 月開(kāi)始對(duì)河北冶金建設(shè)集團(tuán)—唐銀南北料堆場(chǎng)悶渣池供應(yīng)耐熱混凝土，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，使用溫度不小于 350℃，極限溫度 700℃。

耐熱混凝土是一種能長(zhǎng)期在 200～900℃ 狀態(tài)下使用，且能保持所需的物理力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的特種混凝土[1]。根據(jù)所用膠凝材料的不同，耐熱混凝土可分為：硅酸鹽耐熱混凝土、鋁酸鹽耐熱混凝土、磷酸鹽耐熱混凝土、硫酸鹽耐熱混凝土、水玻璃耐熱混凝土、鎂質(zhì)水泥耐熱混凝土及其他膠結(jié)料耐熱混凝土。與傳統(tǒng)的耐火磚相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低；（2）施工簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化；（3）可以建造任何結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件；（4）可以充分利用工業(yè)廢渣、廢舊耐火磚以及某些地方材料和天然材料。

針對(duì)悶渣池耐熱混凝土對(duì)原材料的特殊要求，結(jié)合自身情況，選擇配制以當(dāng)?shù)刂鞑臑榛A(chǔ)的硅酸鹽耐熱混凝土。普通混凝土耐熱性不好的主要原因是一些水泥的水化產(chǎn)物為Ca(OH)2，水化鋁酸鈣在高溫下脫水，使水泥石結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致混凝土碎裂；另一個(gè)原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英砂在高溫下發(fā)生較大體積變形，還有一些骨料在高溫下發(fā)生分解，從而導(dǎo)致普通混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，強(qiáng)度降低。因此，骨料是配制耐熱混凝土一個(gè)很關(guān)鍵的因素。我們通過(guò)在耐熱骨料當(dāng)中摻加一定量的非耐熱骨料，即玄武巖當(dāng)中摻加部分鐵選尾礦砂，通過(guò)一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了解尾礦砂對(duì)耐熱混凝土性能的影響。

1 原材料

（1）水泥：冀東 P·O42.5水泥。抗壓強(qiáng)度：3d 為28.5MPa，28d 為 51.7MPa；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為 27%；安定性合格，混合材中石灰石含量為 0。

（2）礦粉：河北鋼建 S95 級(jí)。7d 活性 77.6%，28d 活性101.3%，流動(dòng)度比 102%。

（3）粉煤灰：勇昭 FⅡ 級(jí)。細(xì)度 13%，燒失量 2.3%，需水量比 103%，含水率 0.4%。

（4）粗骨料：10～20mm 級(jí)玄武巖：松散堆積密度為1526kg/m3，搗實(shí)堆積密度為 1688kg/m3，石粉含量 0.4%； 5～10mm 級(jí)玄武巖：松散堆積密度為 1490kg/m3，搗實(shí)堆積密度為 1669kg/m3，石粉含量 1.2%。

（5）細(xì)骨料：鐵選尾礦砂：細(xì)度模數(shù) 2.2，含泥量1.7%；玄武巖機(jī)制砂（0～3mm）：細(xì)度模數(shù) 3.1，石粉含量7.6%。

（6）外加劑：聚羧酸減水劑（豐潤(rùn)恒譽(yù)），減水率23.5%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 第一階段

根據(jù)工程進(jìn)度情況在最短時(shí)間內(nèi)確定可行的施工方案，單用 0～3mm 粒徑的玄武巖為細(xì)骨料，粗骨料選用 5～10mm粒徑玄武巖與 10～20mm 粒徑玄武巖按 3:7 摻加，采取 JGJ/ T 15—2008《早期推定混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中 80℃ 熱水法的試驗(yàn)步驟進(jìn)行快速試驗(yàn)，即將混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的環(huán)境下成型，然后將 100mm×100mm×100mm 的試件浸入養(yǎng)護(hù)箱 (80±2)℃ 水中養(yǎng)護(hù) 5 小時(shí)±5 分鐘，脫模后逐一對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)記，測(cè)量邊長(zhǎng)及稱重后隨即放入電熱恒溫干燥箱中，保持 (110±5)℃ 下烘干 16 小時(shí)，冷卻至室溫，逐一測(cè)量試件邊長(zhǎng)及重量，留一組進(jìn)行試壓；另一組置于箱式電阻爐中加熱，按平均 2～3℃/min 勻速升溫至 700℃，恒溫 3 小時(shí)后，自然冷卻至室溫，測(cè)量試件邊長(zhǎng)及重量后，立即試壓，破型后的試件見(jiàn)圖 1。試驗(yàn)結(jié)果如表 1。

圖1　沸煮法 700℃ 烤后破型試件

表1　第一階段試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 第二階段

通過(guò)第一階段的數(shù)據(jù)，確定 A3 為最佳配比方案，即試驗(yàn)總膠材量為 440kg/m3、砂率（Sp）為 49%、外加劑摻量為2.0%。細(xì)骨料中尾礦砂按 B1（0.00%）、B2（0.10%）、B3（0.20%）、B4（0.30%）、B5（0.40%）、B6（0.50%）與0～3mm 粒徑的玄武巖雙摻，本階段耐熱混凝土拌合物的坍落度均控制在 (190±3)mm 范圍內(nèi)，配合比如表 2。

表2　第二階段配合比 kg/m3

將序號(hào) B1～B6 的混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的環(huán)境下成型、脫模，置于 (20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。達(dá)到 28天齡期后，重復(fù)第二階段后半部分的烘干、烘烤試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 3。

表3　第二階段試驗(yàn)結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)分析

（1）在坍落度都為 (190±3)mm 情況下，每盤(pán)混凝土用水量的關(guān)系曲線，如圖 2。

圖2　固定坍落度情況下用水量變化

（2）試驗(yàn)混凝土達(dá)到 28 天齡期，烘干 16h，馬上進(jìn)行700℃ 烘烤前后，B1～B6 各組試件邊長(zhǎng)的變化，即 700℃ 下恒溫 3h 后試件邊長(zhǎng)與烘烤前試件邊長(zhǎng)的差值變化曲線，如圖3。

圖3　烘烤前后試件邊長(zhǎng)的變化值

（3）在坍落度都為 (190±3)mm 情況下，隨著尾礦砂含量的增加，用水量相對(duì)減少，混凝土強(qiáng)度變化曲線如圖 4。

圖4　強(qiáng)度變化

2.3 小結(jié)

（1）如表1所示，砂率一定情況下，隨著膠材總量的增加，水灰比隨之降低，混凝土拌合物和易性增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度顯著提高。

（2）從表1中 A3 與表3中 B1 的抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析可知，與 28d 標(biāo)養(yǎng)齡期的試塊相比，快速養(yǎng)護(hù)法由于時(shí)間限制，混凝土試件內(nèi)部不能在短期內(nèi)完全水化，因此試塊的抗壓強(qiáng)度相對(duì)偏低從破型試塊的斷面年會(huì)出現(xiàn)色暈現(xiàn)象。

（3）由表2和圖 2 可知，在膠材不變、砂率一定的情況下，使混凝土拌合物坍落度穩(wěn)定在 (190±3)mm，隨著尾礦砂摻量的提高，用水量相對(duì)降低；由表3可知，混凝土的和易性逐漸改善，尾礦砂摻量在 30%～50% 時(shí)最佳。根據(jù)美國(guó)墾務(wù)局 Denver 實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，以細(xì)度模數(shù) 2.75 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，（細(xì)碎機(jī)）砂子細(xì)度模數(shù)每增減 0.1，相應(yīng)混凝土砂率應(yīng)增減0.5%；同時(shí)砂率每增減 1%，混凝土用水量相應(yīng)增減 1%。因此，對(duì)于尾礦砂的加入，耐熱混凝土拌合物細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)逐漸向 2.75 靠近，當(dāng)繼續(xù)增加尾礦砂摻量時(shí)，拌合物細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)變小，混凝土和易性變差。

（4）混凝土試件在尾礦砂摻量為 40%時(shí)，有裂紋出現(xiàn)，說(shuō)明尾礦砂摻量超過(guò) 40% 時(shí)，抗耐熱成分不足以支撐 700℃的高溫。由圖 3 所示，當(dāng)尾礦砂摻量超過(guò)30% 時(shí)，試件烘烤前后差值明顯加大，說(shuō)明尾礦砂摻量超過(guò)30%，對(duì)混凝土抗裂不利。結(jié)合圖 4 的強(qiáng)度曲線圖，試件在 700℃ 烘烤后，強(qiáng)度隨著尾礦砂摻量增加成先穩(wěn)定后加劇降低的趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到 40% 后，烘烤強(qiáng)度下降明顯。確定尾礦砂最佳摻量范圍是 30%～40%，鑒于本工程的極限溫度為 700℃ 且考慮到混凝土的成本控制，確定施工配合比細(xì)骨料中尾礦砂的摻量為35%。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用唐山遷西地區(qū)鐵選尾礦砂、秦皇島盧龍玄武巖為填充骨料配制出的耐熱混凝土，在 700℃ 高溫烘烤的情況下，各項(xiàng)性能達(dá)到要求。與傳統(tǒng)單純使用耐熱骨料相比，鐵選尾礦砂的加入對(duì)耐熱混凝土本身的基本性能未受到太大的影響。鐵選尾礦砂的利用，一方面保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少了對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響；另一方面對(duì)節(jié)約成本、提倡混凝土的綠色生產(chǎn)起到推動(dòng)作用。

[1] YB/T 1252—2011．耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．

[2] JGJ 55—2011．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

[3] JGJ/T 15—2008．早期推定混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[4] GB/T 50081—2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

［通訊地址］河北省保定市天威西路 3083 號(hào) 河北建設(shè)集團(tuán)（071051）

陳向哲，男，工程師，河北建設(shè)集團(tuán)有限公司混凝土分公司總經(jīng)理。