C35 耐热混凝土的制备与性能测试

文摘 2024-11-19 07:04 河南

引言

耐热混凝土是一种长期在200～900℃作用下，能保持物理力学性能和体积稳定性能的特种混凝土[1]，目前普遍应用在冶金和建材工业领域。耐热混凝土的组成中，胶凝材料宜采用42.5等级及以上的P·O水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥等，骨料宜采用黏土质耐火材料或耐火砖，必要时可引入非引气型减水剂以提高耐热混凝土的密实性能和耐热性能。传统的耐热混凝土组成主要以铝酸盐水泥或水玻璃为胶凝材料、以黏土或铝矾土熟料为骨料。

混凝土在高温作用下的失效形式主要表现为混凝土失水导致的质量损失、内部裂缝及孔隙增加导致的抗压强度损失和静力受压弹性模量的损失，进而导致混凝土的耐久性能降低，影响建筑物的使用寿命。其主要机理包括两个方面：

其一是混凝土内部孔隙中的自由水和水泥石结构中的结合水随着混凝土服役温度的提高先后流失，水泥石结构破坏，导致混凝土内部胶结性能降低;

其二是水泥浆体和骨料的热膨胀系数不均匀产生了热膨胀应力，该应力一旦超过水泥浆体与骨料的粘结强度，会直接造成混凝土内部结构的溃散，并且混凝土服役温度越高该效应越明显，混凝土的失效行为越严重。

随着现代工业技术的高速发展，建筑物对耐热混凝土的需求日益增大，普通原材料制备耐热混凝土已成为新的研究方向。研究表明，在耐热混凝土制备过程中，硅铝质矿物掺合料能通过降低水泥用量、增加混凝土密实性，从而减小混凝土的高温变形，提高其耐热性能。常用于耐热混凝土的矿物掺合料为粒化高炉矿渣粉和粉煤灰，现拟采用P·O水泥、粉煤灰、外加剂及玄武岩骨料制备耐热度450℃、强度等级C35的耐热混凝土。

1　原材料与试验方法

1.1　原材料

水泥：采用重庆长寿西南P·O42.5水泥，28d抗压强度为49.5MPa，安定性合格。

细骨料：采用玄武岩机制中砂，细度模数为2.8，石粉含量为3.0%。

粗骨料：采用玄武岩碎石，5～25mm连续级配，含泥量为0.2%。

矿物掺合料：采用重庆珞璜F类II级粉煤灰，细度为13.3%，强度活性指数为77%。

外加剂：采用重庆绸缪高性能减水剂，减水率为27%，推荐掺量为1.0%。

胶凝材料的主要化学组成见表1。

1.2　试验方法

参照YB/T4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》进行C35混凝土配合比设计，设计坍落度为180～220mm。因胶凝材料总量和矿物掺合料用量显著影响耐热混凝土的耐热性能，因此设计了5组不同粉煤灰掺量的配合比，分别进行了坍落度试验后成型，各组配合比及坍落度试验结果见表2。

经标准养护28d后的耐热混凝土试件分别进行抗压强度和耐热性能测试，后者主要测试内容为：

(1)烘干强度：采用105℃的电热干燥箱烘干24h，冷却至室温后进行抗压强度测试。

(2)残余强度：烘干后的试件，在2℃·min^-1匀速升温至设定温度的箱式电阻炉中恒温3h，冷却至室温后进行抗压强度测试。

(3)线变化率：参照GB/T5988-2007《耐火材料加热永久线变化试验方法》中长度测量仪法进行，线变化率L_e=(L₁-L₀)/L₀×100%，其中L₀和L₁分别表示试件加热前后的长度。

2　结果与讨论

2.1　耐热混凝土的烘干强度

图1为5组不同配合比混凝土试件的28d标养强度和标养后105℃烘干强度的试验结果。

由图1可知，各组耐热混凝土的28d标养强度均达到了40MPa，并且随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度逐渐降低。经烘干处理后，混凝土的抗压强度略有提高，混凝土试件在105℃烘干条件下，内部自由水逐渐形成蒸汽并提供了蒸养条件，促进了水泥-粉煤灰复合胶凝材料的水化过程，因而使耐热混凝土的抗压强度进一步提高。

2.2　耐热混凝土的残余强度

图2为5组不同配合比的混凝土试件在不同温度条件下的残余强度，以相对初始强度的百分比表示。对于同组混凝土，其相对值越小，耐热混凝土的残余强度越低，则其耐热性能越差。根据YB/T4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》要求，其相对强度值<50%时，认为达到耐热极限温度。

由图2可知，随着温度的提高，5组混凝土试件的残余强度均呈现降低的趋势，在温度≯350℃时，各组混凝土的相对强度值均>50%，满足标准规定的使用要求。随着温度的继续升高，混凝土的相对强度值迅速降低，其中N3组混凝土在450℃时相对强度值降低至57.4%，该配合比混凝土试件的耐热极限温度达到450℃。

在250～550℃的试验温度范围内，耐热混凝土内部主要水化产物C-S-H凝胶体和CH结晶体逐渐脱水，使得水泥石内部结构中微裂纹和孔隙率增加，浆体与骨料的粘结作用降低。同时，随着温度的变化，混凝土内部不同组分的温度膨胀效应差异，也会加剧混凝土内部结构的损伤，造成抗压强度的降低。

2.3　耐热混凝土的线变化率

图3为5组不同配合比的混凝土试件在不同温度条件下的线变化率。

由图3可知，混凝土的线变化率随着温度提高呈现增加的趋势。混凝土在受热过程中，由于水泥的水化产物脱水分解，造成了水泥石的体积收缩，水泥用量越多，水泥石受热产生的收缩越大。在不同温度的受热阶段，各类复杂的水化产物相继分解或者发生晶型转变，均是导致混凝土体积收缩的原因。粉煤灰取代水泥后，会降低混凝土的收缩率，研究表明在CaO-Al₂O₃-SiO₂体系中，SiO₂含量的增加有减少固化体线变化率的趋势。根据YB/T4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》规定，耐热混凝土的烧后线变化率≯±1.5%，在温度上升到450℃时，N3～N5组混凝土的线变化率能满足该要求。

2.4　粉煤灰掺量对耐热混凝土的影响

结合图1和图2可知，随着粉煤灰掺量的增加，耐热混凝土的抗压强度逐渐降低，但其相对强度值呈现先增加后降低的趋势。在胶凝材料总量相同情况下，粉煤灰的掺量显著影响混凝土的耐热性能。在水泥用量较高时，水泥水化产物脱水反应和内部结构的膨胀应力差异，导致混凝土相对强度值降低，随着粉煤灰掺量提高，其引入的活性Al₂O₃和SiO₂消耗了水泥水化产物CH，减少了可能在受热阶段产生的微裂缝，同时也消耗了CH脱水后形成的CaO，并形成了新的稳定产物硅酸钙和铝酸钙，这些产物填充在水泥石内部，弥补了水泥石脱水产生的收缩，增强了水泥石与骨料的界面粘结能力，使得混凝土的耐热性能得到提高。当粉煤灰掺量进一步增加后，水泥用量减少，导致混凝土内部密实性降低，对混凝土的抗压强度和耐热性能均不利。为了进一步研究粉煤灰掺量对混凝土耐热性能的影响，测试了不掺粉煤灰的N0基准组混凝土的力学性能和200℃的耐热性能，其结果见表3。基准组混凝土在200℃的相对强度值和线变化率已无法满足YB/T4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》的要求，其耐热度<200℃，无法达到耐热混凝土的使用要求。

图4比较了不同粉煤灰掺量条件下的混凝土耐热度。在粉煤灰掺量适宜时，能有效提高混凝土的耐热性能。综合考虑混凝土的抗压强度和耐热性能，选取N3组混凝土，其抗压强度满足C35等级设计要求，耐热度达到了450℃。

3　结论

3.1　采用P·O水泥、粉煤灰和玄武岩骨料制备C35耐热混凝土，耐热度可达到450℃，其烘干强度、残余强度和线变化率均可满足使用要求。

3.2　在保证耐热混凝土强度等级的前提下，减少水泥用量、增加粉煤灰用量，能有效改善耐热混凝土的耐热性能，适宜掺量的粉煤灰提高了其残余强度相对值、降低了其线变化率。

3.3　粉煤灰通过降低水泥用量、减少水泥石的受热收缩和二次水化产物的填充效应，增强了混凝土的耐热性能。

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