耐熱混凝土在焦?fàn)t工程中的應(yīng)用研究

江海鑫 韓進(jìn)財(cái) 孫迅

1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司 山東 濟(jì)南 250101；

2.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200434

引言

近年來耐熱混凝土應(yīng)用范圍越來越廣，同時(shí)對(duì)其性能要求也越來越高[1-3]。耐熱混凝土因其使用溫度高、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金工程的高爐工程、焦?fàn)t工程等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外研究人員對(duì)耐熱混凝土進(jìn)行了一定研究，結(jié)果表明耐熱混凝土具有性能優(yōu)異、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。陳嚇敏等[4]等研究了高爐基礎(chǔ)耐熱混凝土，研究表明使用玄武巖碎石可配制耐熱400℃、強(qiáng)度等級(jí)C35的混凝土。張春艷等[5]研究了鋼纖維耐熱混凝土，結(jié)果表明鋼纖維增加了混凝土抗裂性能。Pawe O等[6]研究了陶瓷廢骨料耐熱混凝土，其耐熱溫度達(dá)1000℃。

1 耐熱混凝土

耐熱混凝土是指能長期在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)定性的混凝土[7]。焦?fàn)t工程采用的耐熱混凝土溫度一般在350℃以下。

1.1 材料

耐熱混凝土材料由膠凝材料及固化劑、骨料、水以及其他外摻劑拌合而成，強(qiáng)度等級(jí)一般采用C15～C30。

1.1.1 膠凝材料。膠凝材料一般采用普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥，強(qiáng)度等級(jí)宜為42.5及以上。在保證混凝土和易性和強(qiáng)度、滿足施工要求的基礎(chǔ)上，盡可能地減少水泥用量，以保證混凝土良好的耐熱性和經(jīng)濟(jì)性，水泥用量不宜大于400kg/m3。

1.1.2 骨料。對(duì)于使用溫度在500℃以下的耐熱混凝土，粗骨料一般選用玄武巖、安山巖、花崗巖等火成巖。

1.2 原理分析

普通混凝土長期處于高溫環(huán)境下，容易發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。如水泥石失水、骨料膨脹、水泥石與骨料、鋼筋的熱膨脹系數(shù)不協(xié)調(diào)等。隨溫度變化的一般規(guī)律如下：

1.2.1 當(dāng)環(huán)境溫度處在100℃以下時(shí)，混凝土內(nèi)自由水逐漸蒸發(fā)，內(nèi)部形成毛細(xì)裂縫和孔隙。在荷載作用下，縫隙尖端處應(yīng)力集中，使裂縫進(jìn)一步發(fā)展，引起混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

1.2.2 當(dāng)環(huán)境溫度處在200～300℃時(shí)，混凝土內(nèi)自由水已全部蒸發(fā)，水泥凝膠水中的結(jié)合水開始脫出。此時(shí)由于膠合作用和粗骨料間裂紋的同時(shí)作用，有利和不利作用疊加，此溫度區(qū)段的抗壓強(qiáng)度變化復(fù)雜。

混凝土長期處于200℃以上高溫，毛細(xì)裂縫和孔隙進(jìn)一步發(fā)展，從而造成普通混凝土出現(xiàn)大面積裂縫以至坍塌。因此，大部分國內(nèi)規(guī)范規(guī)定，普通混凝土的最高環(huán)境溫度為200℃。對(duì)于使用溫度在500℃以下的耐熱混凝土，相比普通混凝土，耐熱混凝土骨料耐熱性能更好、膠凝材料用料偏小，降低混凝了土內(nèi)部孔隙率和水化熱，從而在高溫環(huán)境中保證了混凝土的強(qiáng)度。

2 耐熱混凝土在焦?fàn)t工程中的應(yīng)用

2.1 焦?fàn)t煙囪基礎(chǔ)

焦?fàn)t煙囪基礎(chǔ)為板式基礎(chǔ)。煙道接口一般分為地上式和地下式，煙氣溫度一般在200～300℃。由于煙囪相對(duì)煙道截面尺寸大，且位于地上，采用較厚的隔熱、內(nèi)襯方式來降低混凝土的溫度是可行的。但煙囪基礎(chǔ)位于地下，煙道接口為地下式時(shí)，高熱溫度會(huì)傳至基礎(chǔ)環(huán)壁，從而影響基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，采用平壁法來計(jì)算煙囪筒壁的溫度，簡(jiǎn)圖如圖1所示，計(jì)算公式（1）～（4）如下：

圖1 單筒煙囪傳熱計(jì)算

式中：

地下式煙道入口的煙囪基礎(chǔ)，如圖2所示。計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)壁受熱溫度時(shí)，環(huán)壁外側(cè)的計(jì)算土層厚度可按公式（5）來計(jì)算。

圖2 煙囪基礎(chǔ)環(huán)壁計(jì)算土層

式中：

H、D—分別為由內(nèi)襯內(nèi)表面計(jì)算的基礎(chǔ)環(huán)壁埋深（m）和直徑（m）。

以某焦?fàn)t工程為例，該焦?fàn)t煙囪基礎(chǔ)埋深10.0m，環(huán)壁壁厚2.1m，地下煙道入口溫度取260℃。累年極端最高溫為40℃，最低溫為-15℃。隔熱層選取隔熱性能較高的兩種作為比較，一種為膨脹珍珠巖（松散體）,導(dǎo)熱系數(shù)取0.052+0.0001T［W/（m·K）］；另一種為采用巖棉，導(dǎo)熱系數(shù)取0.036+0.0002T［W/（m·K）］，內(nèi)襯取370mm厚燒結(jié)普通磚，導(dǎo)熱系數(shù)取0.81+0.0006T［W/（m·K）］。計(jì)算時(shí)取H為7.5m，基礎(chǔ)環(huán)壁內(nèi)襯內(nèi)徑D=12m，代入公式（6）得，=7.96m，土層導(dǎo)熱系數(shù)取0.93W/（m·K），T為煙氣溫度。

表1 煙囪基礎(chǔ)側(cè)壁溫度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1的結(jié)果，當(dāng)煙氣溫度較高時(shí)，只采用隔熱材料來將環(huán)壁溫度降至規(guī)范要求的150℃以下，計(jì)算所得隔熱材料的厚度將達(dá)到400mm以上。由于基礎(chǔ)周圍為土壤，溫度不易擴(kuò)散。當(dāng)煙氣溫度更高時(shí)，采用隔熱的辦法就更難符合混凝土受熱的要求。此時(shí)采用耐熱混凝土就能很好地解決問題。但規(guī)范中并未納入耐熱混凝土的范疇，因此，耐熱混凝土在煙囪工程中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

2.2 焦?fàn)t煙道

焦?fàn)t煙道一般為地下墻式結(jié)構(gòu)，煙氣溫度一般能達(dá)到200～350℃。由于土壤的保溫作用，傳到混凝土的溫度很容易達(dá)到150℃以上。根據(jù)《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，普通混凝土使用的最高溫度不超過150℃。在《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》中，地下防水結(jié)構(gòu)混凝土環(huán)境溫度超過80℃時(shí)，不宜采用普通混凝土。同時(shí)，在煙道長期使用過程中，如出現(xiàn)事故狀態(tài)閘門無法打開，煙氣無法排出時(shí)，煙氣溫度將會(huì)達(dá)到400℃以上。

采用平壁法來計(jì)算煙道最高受熱溫度，計(jì)算公式同（1）～（5）。因地下煙道側(cè)壁計(jì)算土層厚度較厚，煙道的最高受熱溫度一般出現(xiàn)在側(cè)壁和頂板位置。

以某焦?fàn)t工程為例，該焦?fàn)t工程地下煙道凈寬3.0m，埋深8.0m，煙道側(cè)壁厚度為500mm。地下煙道煙氣溫度比焦?fàn)t煙囪較高，且隨著煙氣的排放，越靠近煙囪位置熱量逐漸損失，溫度越低，本次計(jì)算取煙氣平均溫度為300℃。隔熱層隔熱層選取膨脹珍珠巖（松散體）或巖棉，內(nèi)襯采用230mm厚缸磚，導(dǎo)熱系數(shù)取0.35+0.0005T［W/（m·K）］。

表2 地下煙道側(cè)壁溫度計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在煙氣溫度300℃時(shí)，僅靠一般隔熱材料來降低混凝土十分困難。如果采用太厚的內(nèi)襯、隔熱層，地下煙道截面增加較大，采用普通混凝土反而會(huì)增加造價(jià)、增加占地面積等，在工程中應(yīng)盡量避免采用。

地下煙道采用耐熱混凝土將很好地解決這一問題。采用火成巖配置的耐熱混凝土可用于500℃以內(nèi)的工作環(huán)境。在減小地下煙道隔熱層的同時(shí)，也減小了煙道的截面面積，降低了工程造價(jià)，節(jié)約了占地面積，對(duì)工程建設(shè)發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)束語

使用火成巖骨料可以配制耐熱500℃以內(nèi)的耐熱混凝土。

與地下煙道連接的焦?fàn)t煙囪，溫度超過300℃時(shí)可采用耐熱混凝土。

地下焦?fàn)t煙道采用耐熱混凝土耐久性更好，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。