工程档案：耐热混凝土耐热性能的研究与应用
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第1期
耐热混凝土耐热性能的研究与应用
孙志强，孙伟哲，张永强，杨泽
［摘 要］对 C30 混凝土在高温状态下，进行不同粉煤灰和矿粉掺量、不同水胶比条件下混凝土的烘干抗压强度（110℃）、700℃、750℃条件下的残余强度及抗压强度对比试验。结果表明：减少水泥用量，提高粉煤灰及矿粉用量，降低水胶比，选择高温体积稳定性好的玄武岩粗细骨料，配制耐热度为 700℃的预拌混凝土，并在工程中成功应用是可行的。
［关键词］耐热混凝土；玄武岩；粉煤灰及矿粉用量；烘干强度；残余强度
0 引言
宁夏宝丰储能材料有限公司电池材料产业链示范项目（图1）——15万吨石墨负极材料项目位于宁东能源化工基地内。本工程厂址位于宁东能源化工基地临河工业园A区。规划总用地面积为l017543.686平方米（1526.32亩），总建筑面积452114.96平方米，容积率0.82，建筑密度42.00%，绿化率12%。
规划产能包括：整体设计规模为150kt/a锂离子电池负极材料，其中，中低端锂离子电池负极材料产量100kt/a；高端锂离子电池负极材料产量50kt/a。主要建设：原料预处理车间、粉碎车间、包覆造粒车间、预炭化车间、石墨化车间、二次包覆及高温炭化车间、成品处理及转运站等建构筑物。
石墨化车间石墨化炉是一种高温反应器，主要用于生产石墨材料。石墨化炉的高温作用对普通混凝土的耐热性能提出了一定程度的要求，但普通混凝土由于所用材料的耐热性能差，在高温作用下会产生质量下降、强度降低、大面积裂缝甚至坍塌现象。
普通混凝土受热易破坏原因：水泥石中的氢氧化钙和石灰岩质的粗骨料在高温下均要产生分解，石英砂在高温下发生晶型转化而体积膨胀及水泥石与骨料的热膨胀系数不同，故在选择骨料时应选用在高温作用下不易分解且膨胀系数小的种类。由于预拌混凝土的大量推广应用，其所具有的大流动性、可泵性要求高，用水量及水泥用量高更降低了普通混凝土的耐热性能。
宁夏宝丰能源集团有限公司搅拌站通过优化配合比设计，对比各种影响因素，总结出可以用于工程实际的配合比，并成功用于石墨负极材料项目石墨化炉的工程建设中。
1 混凝土材料受热后作用机理
普通混凝土耐热性较差，这主要是由于普通混凝土各组分对高温下发生的物理—化学变化的抵抗能力较弱所致。分析归纳起来，主要有以下几个方面的原因：
1.1 混凝土脱水引起的结构和强度变化
硬化混凝土内的水分主要包括两大部分：游离水和水泥水化产物中的化合水。混凝土在高温下的脱水，主要是脱去这两部分水。
1.1.1 游离水
从理论上讲，水泥水化至完全硬化所需的水量，仅为水泥重量的20%～25%，但为了满足其混凝土施工和易性的要求，实际水灰比远超过这个理论值。水泥水化硬化后多余的水分主要以三种形式存在于混凝土内：（1）处于水化硅酸钙凝胶层之间的层间水，（2）吸附于水泥石表面的吸附水，（3）水泥石内的毛细孔水。这些水分在温度不太高时即可挥发失去，统称为游离水。它们在110℃时开始大量逸出，在游离水逸出的过程中，混凝土内形成了自发蒸汽养护的温湿环境，促使水泥水化速度加快，水化程度进一步加深，水泥浆体的凝结作用进一步加强，所以，在低于300℃的温度下，普通混凝土的强度不一定降低，甚至还会有所提高。
1.1.2 水泥水化产物中的化合水
水泥的矿物成分为S、CS、CA和CAF，其中在硅酸盐水泥中约占75%，是最主要的矿物成分，它们的水化产物是CaOH和水化硅酸钙凝胶（C-S-H凝胶）。C-S-H凝胶在完全水化的硅酸盐水泥浆体体积中约占50%～75%，CaOH约占20%～25%。所以，水泥水化主要的产物是C-S-H凝胶和CaOH下面分析它们的高温脱水行为
C-S-H凝胶在160～300℃即开始脱水，此相对低温阶段的脱水，使C-S-H凝胶体组织逐渐致密，水泥石强度有提高趋势，表现在低温阶段混凝土强度的增加。350～800℃时C-S-H凝胶约有85%的水分逸出，900℃以上脱水趋于完全。高温阶段的一系列脱水变化，使凝胶体产生收缩、开裂，直至凝胶体结构破坏，导致水泥石强度显著下降。同时，由于高温阶段大量水分的集中挥发而产生大量的蒸汽，若其不能尽快地逸出，会在混凝土内产生较高的蒸汽压力，表现为混凝土在高温时的爆裂破坏。混凝土强度越高，密实性越高，高温爆裂破坏的程度也越大。
另一主要水化产物CaOH的脱水温度为400～ 595℃，545℃以上脱水最为强烈。CaOH脱水后生成另外一种物质——游离氧化钙（f-CaO）。
1.2 混凝土骨料受热膨胀和热分解
普通混凝土一般采用花岗岩、石灰岩等天然岩石作为粗骨料，细骨料为含有石英的砂子。骨料中的某些矿物晶体沿晶轴不同方向的热膨胀率存在差异，表现出各向异性，受热时会在骨料内部产生内应力，导致骨料自身强度下降，继而引起混凝土破坏。
1.3 温度场（热梯度）引起的温度应力破坏
混凝土导热系数较小，是不良热导体。高温作用下，混凝土表面的热量不能及时迅速地传递到混凝土内部，表里温差较大，形成温度场（热梯度），产生温度应力，往往会造成强度等级不高的普通混凝土，在短时高温下即开裂破坏。表1是玄武岩粗骨料与天然粗骨料在950℃灼烧3小时后的质量损失情况对比，图2是普通混凝土骨料在950℃前后的对比图。
2 耐热混凝土配合比设计基本原则
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中规定，钢筋混凝土结构最高温度可达200℃，也就是说超过200℃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、混凝土机体的孔隙率、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75%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：
1）尽可能降低水泥用量。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时，混凝土的荷载软化点降低，残余变形增大，耐热性能降低。
2）尽可能减少单位用水量。耐热混凝土长期处于高温环境下，水分易散失，导致混凝土内部孔隙率增大，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。
3）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，粉煤灰和矿粉中含有活性SiO和A1，可与水泥水化产物CaOH发生二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，有效降低了高温下CaOH脱水生成的游离氧化钙（f-CaO）的含量。同时高温下活性SiO和A1，也可与业已生成的游离氧化钙（f-CaO）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，f-CaO可吸水消解为CaOH），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。
3 试验方法
成型试块尺寸100mm×100mm×100mm。
耐热混凝土强度等级：耐热混凝土按《混凝土强度检验评定标准》GB/T 50107—2010的标准进行取样、制作、养护、检验抗压试验，根据抗压试验结果按GB/T 50107—2010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(110±5)℃下烘干24小时，冷却至室温的实测立方体抗压强度。
残余强度：经烘干后的试块置于箱式电炉中加热，按平均2～3℃/min匀速升温至设定温度，恒温3h后，自然冷却至室温，立即送压的实测立方体抗压强度。
烧后线变化率：按照《致密耐火浇注料线变化率试验方法》YB/T 5203—93的规定检验。
耐热度：测得的残余强度满足规定要求的最高使用温度时，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。
耐热混凝土的检验项目及技术要求见表2。
4 原材料选择
4.1 骨料
骨料占混凝土总质量的75%以上，是影响耐热混凝土耐热性的关键，根据工程要求为C30耐热700℃混凝土，由于石英在温度达到573℃以上时发生晶型转化，由型转为型，体积会发生膨胀至1.3～1.5倍。而河砂主要成分为石英，所以细骨料不能釆用河砂，而石灰石在600～700℃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，粗细骨料均选用甘肃景泰县玄武岩。玄武岩岩性上属于火成岩，质地均匀、结构致密，粒径分为0～5mm、5～20mm。可以大大降低混凝土孔隙率，增加密实度。骨料的颗粒级配见表3和表4，基本性能指标见表5。
4.2 水泥
水泥选用宁夏赛马水泥有限公司生产的PO42.5R级，其主要物理力学性能见表6。
4.3 粉煤灰
粉煤灰选用宁夏宁东中石化F类Ⅰ级粉煤灰，其主要物理力学性能见表7。
4.4 矿粉
矿粉选用平罗县金筑新材料技术有限公司S95级矿粉，其主要物理力学性能见表8。
4.5 外加剂和拌和水
外加剂选用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-I型高性能减水剂，减水率为29%，掺量为2.5%～ 3.0%。
拌和水与常规混凝土相同，选用自来水。
5 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和外加剂的掺量调整和易性，以满足生产需要。根据试验结果确定最终生产配合比，见表9。标准养护28d后，按上述试验方法进行试验，试验结果见表10。
混凝土试块经110℃烘干后外观没有发生变化（图3），经历700℃、750℃烘烤后试件表面出现淡黄色。
从表10可以看出，高用水量、高水泥用量配合比的混凝土（1#、2#、3#）在经受700℃高温后强度损失相对较大，同时110℃时，各配合比烘烤后强度均大于标养强度，700℃时，1#、2#、3#配合比试件表面出现少许细微裂缝，750℃时1#、2#、3#配合比试件裂缝加深，4#号配合比试件表面出现细微裂缝，5#配合比试件无裂缝。700℃、750℃恒温3h后强度均有不同程度损失，温度越高，强度损失幅度越大。
分析原因：在温度110℃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，水泥水化速度进一步加快，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110℃烘烤后强度反而高于标准养护强度。随着温度进一步升高，C-S-H凝胶大量脱水收缩，Ca(OH)也脱水分解成CaO，体积缩小，使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。
根据以上试验数据，选用试验效果和成本最优的5#配合比。
6 实际工程应用情况
宁夏宝丰储能材料有限公司石墨化车间石墨化炉炉端模块使用耐热混凝土浇筑，图4为浇筑现场的照片。
通过试验结果选取满足施工要求的5#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11。
7 结论
（1）使用玄武岩为粗细骨料可以配制耐热700℃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，以达到最低空隙率。
（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，尽可能多使用矿物掺合料，减少水泥用量和用水量。
（6）现有《耐热混凝土应用技术规程》YB/T 4252-2011把玄武岩列入耐热500℃混凝土配制材料，较为保守，研究与工程应用表明，利用压碎值低、针片状低的玄武岩配制耐热混凝土可放宽至700℃范围。
参考文献
[1] 雍本．特种混凝土施工手册[M]．北京：中国建材工业出版社，2005．
[2] 过镇海．常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能[M]．北京：清华大学出版社，2006．
[3] YB/T 4252—2011．耐热混凝土应用技术规程[S]．
[4] 冯乃谦．高性能混凝土结构[M]．北京：机械工业出版社，2004．
[5] 李志锋．耐高温混凝土在结构中的应用研究[J]．科技风，2011(10): 111+113．
[6] 符芳．建筑材料[M]．南京：东南大学出版社，1995 (11): 159．
[7] 李会，杨荣俊．耐热混凝土的配制与应用[J]．混凝土，2011(6): 154-155+158．
[8] 邓初首，柯能好．矿渣集料混凝土耐热性的试验[J].工业建筑，2008,38(5): 60-62．
供稿人：孙志强，孙伟哲等
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
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第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
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