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大体积耐热混凝土的应用与质量控制

2012-12-29黄鹏清

中国新技术新产品 2012年12期
关键词:水泥石耐热性水化

黄鹏清

(广东建禾建设集团有限公司,广东 茂名 525000)

结语

引言

耐热混凝土是指由耐火骨料、胶结材料、水以及其他外掺剂拌合而成的具有较强的耐高温性能,且在高温环境中可保持其物理力学性能的特殊混凝土,一般情况下指能长时间承受200℃-1300℃的高温环境。该类混凝土被广泛应用与冶金、化工行业的窑炉基础、高炉外壳以及烟囱等构筑物,在耐热混凝土施工中只有坚持全方位、全过程质量控制方能实现其具有适当的高温力学性能,保证结构的最终质量。

1 耐热机理

普通混凝土在受热时会由于内部水泥浆体失水、骨料膨胀以及混合物内水泥浆体与骨料、钢筋的热膨胀不协调等因素而在混凝土内产生温度梯度,最终会导致结构破坏。而耐热混凝土则可在高温环境内保持其原有物理力学性能,因其骨料为耐火骨料,并通过计算和适量胶结料和水配置而成的特殊混凝土,影响该类混凝土耐高温性能的主要因素有骨料、空隙率以及胶凝材料等,各类材料自身耐热性能决定着最终混凝土的耐热性,同时水泥用量、水胶比以及骨料级配、外掺剂种类和数量等也在一定程度上影响其耐高温性能。其中骨料性能是影响其耐热性的关键因素,因此在选择骨料时应注意其类别和耐火度,在满足骨料同胶凝材料适应的前提下尽量选用膨胀系数小的骨料以缩小其与水泥石收缩的差值,并应改善骨料级配来提高混凝土密实度和其体积稳定性能,继而可提高其高温性能,同时应选用合适的粒度与砂率以免影响拌合物的和易性,施工中导致离析现象;在一定范围内增大水泥用量其耐高温性能会降低,由于水泥石和骨料间存在的温度变形差异导致在温度升高时会在内部产生应力而出现裂纹,且在高温环境中水泥石脱水会增大内部孔隙率,导致结构疏松、强度降低;外掺料的加入能提高混凝土耐高温性能是由于其内部SiO2等活性化学成分在高温下会和游离CaO 发生反应生成具有强耐火性能的无水硅酸钙和无水铝酸钙而将CaO的副作用消除,继而可提高混凝土的耐火性能。

2 大体积耐热混凝土施工工艺

2.1 材料控制

集料。耐热混凝土集料应选用在高温环境中体积变化小、不发生化学分解并具有较高强度的材料,同时其应有较高熔点和较小的热膨胀系数,当前采用的耐热粗集料多为碎粘土砖、碎高铝耐火砖等,细集料则多为碎镁质耐火砖和镁砂等,若混凝土的使用温度超过1500℃则最好选用铬铝渣或电熔刚玉等,在细骨料选择时应兼顾其类别和耐火度,保证其与水泥材料相适应,并应选择合适的粒度、颗粒级配等,以免粗骨料粒径过大或用量过大而降低混凝土的和易性及密实度,甚至会导致高温下分层现象。胶凝料。普通混凝土内水泥的最终水化产物为水化铝酸钙,其在高温环境中会脱水而破坏水泥石结构导致混凝土开裂,因此耐热混凝土内应选用高铝水泥等特种水泥,但在施工中应充分认识到该种水泥拌制成的混凝土工作性较差、强度较低且不方便施工等;因而若后期环境温度要求较低则可选用普通硅酸盐水泥,利用其熟料中C3S和C3S 等水化产物可在高温环境中脱水,产生的CaO 可与矿渣及掺合料内活性SiO2和Al203 等反应生成具有强耐火性的无水硅酸钙和无水铝酸钙来提高混凝土的耐热性。

掺合料。在混凝土配置时掺加定量的同水泥的化学成分类似的刚玉粉、高铝矾熟料粉等分料可增加混凝土的密实性,减少其在高温状态下产生形变,且可改善混凝土的高温性能,并可减少水泥用量和提高混凝土的和易性,且在后期高温环境中的抗压强度降低较少。

外加剂。在耐热混凝土内掺加缓凝型减水剂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实度及增强混凝土的强度。

2.2 配合比设计

耐热混凝土配合比设计时应结合其后期工作强度、环境极限温度和施工用材等多个因素考虑,并应通过试验确定;由于大多集料的耐高温性能高于胶结料,因而当胶结料用量超过一定范围则随着胶结料用量增加而导致混凝土的荷载软化点,并增大其残余变形量和耐火性能,因此在进行配合比设计过程中应在满足强度的前提下尽量减少胶结料用量。

2.3 混凝土拌合

耐热混凝土宜采用机械搅拌,搅拌时间宜较普通混凝土长1-2min;应准确计量各头投加料,一般骨料采用磅秤集料,外加剂则采用量杯等计量,应控制骨料计量误差在±3%范围内,其他材料误差则应控制在±l%范围内;搅拌时应先投加骨料和水泥及掺合料进行拌合,拌合时间一般为2min,后根据比例投加拌合水在进行拌合,最终拌合至颜色均匀一致;若施工为冬期施工则应避免在其中掺加化学促凝剂,若对混凝土采取加热措施则应控制其加热温度不超过60℃,若未高铝水泥耐热混凝土则应控制加热温度不超过30℃.

2.4 混凝土浇筑、养护

一般耐热混凝土多用于大体积部位,因此其浇筑施工多采用分层、分块浇筑,采用分层浇筑时应控制其分层厚度在250-300mm 范围内,对混凝土振捣应采用插入式振捣棒,振捣间距不应超过400mm,每个振捣部位的振捣时间应控制在20-30s;混凝土振捣完毕后应及时用草袋等进行覆盖养护,在覆盖前应先进行洒水湿润,养护期间温度以15-25℃为宜,养护时间不应低于14d,若是水玻璃混凝土施工则应在15-35℃环境下进行养护,整个养护过程中应避免太阳直接暴晒导致表层混凝土脱水龟裂发生;若采用烘烤方法对其加热则应待强度达到设计强度的70%后方可进行,且过程中应严格控制其温升速度。

3 质量控制要点

3.1 骨料选择

由于骨料占耐热混凝土体积的75%左右因此其是影响耐热混凝土耐热性能的关键因素,在骨料选择时应选用热膨胀系数较小的材料以减小骨料与水泥石间收缩差值,并应通过改善骨料级配来提高混凝土的密实度和体积稳定性,最终可提高混凝土的耐热性能。

3.2 配合比设计

尽量降低水泥用量。配合比设计时在满足强度要求的前提下应选取水泥用量的较小值,因为当水泥用量超过一定范围时会降低混凝土的荷重软化点,并会使其残余变形增大而影响其耐热性;

降低用水量。投入使用后的耐热混凝土因长期处于高温环境导致内部水分容易散失,同时会增大内部孔隙率导致构件疏松强度降低,且用水量增大会导致混凝土内部残留水分增多,在高温环境下则会产生较大的蒸汽压力而破坏构件;

合理选用矿物掺合料。作为掺合料的粉煤灰、矿粉等具有一定的耐火性,因其内部含有活性SiO2和A1203,其可与水泥水化产物发生反应生成Ca(OH)2,继而会发生二次反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,该产物可有效降低高温下CaO的含量,同时在高温环境中活性SiO2和A1203可与CaO 起固相反应而生成体积相对稳定且遇水不消解的硅酸钙和铝酸钙,并且水泥水化产物中的某种凝胶在高温环境中可脱去自身结合水而导致开裂,且该凝胶层越厚则开裂程度越大,因此在其中掺加矿物掺合料可取代一定体积的水泥而减小水泥用量,并可将内部凝胶体分散,因此可在一定程度上减少凝胶体的包裹层厚度而降低了水泥石的开裂程度,同时在混凝土内掺加粉料尚可改善混凝土的和易性,且对利于提高其耐热性能并降低生产成本。

结语

耐热混凝土作为重要结构部位的施工材料因其技术和经济上的优点在施工领域得到越来越广泛的应用,在应用中应确保技术措施到位,施工用材选择合理,最终方能实现耐热混凝土整体性强、强度高、气密性好的优点,并通过利用地方材料和天然材料来体现其良好的社会效益和经济效益。

[1] 庸本.特种混凝土设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[2] 郭运杰,王元光,乇旭斌.耐热混凝上的试验研究与工程应用[J].广东土木与建筑,2004.(6).

[3] 王培民.新型和特种混凝土配合比设计及施工性能检测实用手册[M].北京:中国建材出版社,2005.

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