掺合不锈钢纤维耐火混凝土试验研究及应用

徐进军 臧 庆 邓国平 刘 兵3

（1.安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司;2.安徽马钢矿业资源集团有限公司）

耐火混凝土是一种能在高温作用下，保持特殊物理力学性能的特种混凝土，它通常由耐火骨料、粉料、胶凝材料、掺合材料以及水按一定配比，经搅拌、成型和养护后制成。耐火混凝土最主要的使用特征是能长期耐受900 ℃以上的高温，磷酸结合的耐火混凝土最高耐火温度可达1 650 ℃［1-5］。

在耐火混凝土中加入不同配比的不锈钢纤维，可大大改善耐火混凝土的失重率、收缩率、抗压强度、抗折强度等力学性能。本文通过制作含有不同配比的不锈钢纤维耐火混凝土试块，比较了主要使用性能的变化趋势，并介绍了在马钢三钢厂固定钢渣线改造中，掺有3%不锈钢纤维的耐火混凝土在工程改造中的应用效果。

1 掺合不锈钢纤维试验

1.1 试样及加热方法

试样的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，用标准成型方法，24 h后拆模，并加温煅烧，煅烧温度和方法见表1。

掺有不锈钢纤维耐火混凝土的不锈钢纤维占耐火基材的比率分别为1%，2.5%，5%，8%，对应的耐火基材配比见表2。

1.2 试验结果分析

1.2.1 失重率

失重率是影响耐火混凝土性能的一项重要指标，它关系到耐火混凝土的使用性能和使用寿命。不同不锈钢纤维掺合配比下耐火混凝土煅烧前后失重率变化见表3。

注：煅烧温度为750 ℃，煅烧方法如表1。

由表3可知，掺合不锈钢纤维对耐火混凝土的失重率影响不大，当不锈钢掺合率为5%时，耐火混凝土煅烧后的失重率变化仅为4.1%。

1.2.2 收缩率

收缩率是影响耐火混凝土性能的一项重要指标，收缩率的大小关系到耐火混凝土的结构稳定性以及使用寿命，不同不锈钢纤维配比下耐火混凝土煅烧前后的收缩率变化见表4。

注：煅烧温度为750 ℃，煅烧方法如表1。

由表4 可知，在煅烧温度为750 ℃时，随着不锈钢纤维掺合率的增加，耐火混凝土的收缩率呈下降趋势；当不锈钢的掺合率为5%时，耐火混凝土煅烧后截面收缩率下降34%，说明不锈钢纤维地掺入，对保持耐火混凝土的结构稳定性起到了重要作用，可以预防耐火混凝土由于截面收缩过大，产生裂纹等缺陷。

1.2.3 力学性能

评价耐火混凝土力学性能的指标主要是抗压强度和抗折强度。耐火混凝土的强度主要取决于耐火基材的颗粒组成、配比以及烧结程度。该试验仅考虑不锈钢纤维不同配比情况下的强度变化，煅烧温度和煅烧方法见表1。不锈钢纤维不同配比下耐火混凝土煅烧后的强度变化见表5。

由表5 可知，在煅烧温度为750 ℃时，随着不锈钢纤维掺合率的增加，耐火混凝土煅烧后的抗压强度和抗折强度呈增大趋势；在掺合率为3%时，抗压强度为原来的1.92 倍，抗折强度为原来的1.58 倍；但随着不锈钢纤维掺合率超过3%后，强度的增大趋势明显减缓。强度变化趋势见图1。

2 在马钢三钢厂固定渣线改造中的应用

2.1 改造方案

马钢三钢厂钢渣线最早是钢渣出炉入锅后经铁路运至现场，自然倾倒在渣场，形成路基，钢厂将这种路基称之为“活动渣线”。钢渣倾倒在渣场后需要不断拨道，废工废时，安全隐患大且环境问题突出。历年来积累的大量废弃钢渣占用了大量的土地资源，环境污染严重。不计算土地占用费，每年的拨道、铁路维护保养、处置环境污染的费用约300 万元以上。在此背景下，马钢投资3 000 万元新建了1 条废弃钢渣利用生产线，将钢渣破碎后，选出钢渣中的金属元素，余渣作为水泥厂的原料。为了配合废弃钢渣的综合利用项目并减少土地占用、保护环境，马钢三钢厂决定修建1条固定渣线。

新建固定渣线长约200 m、高约9 m、顶部宽约4.5 m，钢渣至现场的温度为800～1 000 ℃。因此，渣线路基的耐高温、耐冲击是工程设计与工程施工中首要解决的问题。

掺有不锈钢纤维的耐火混凝土是解决上述问题的良好材料。耐火混凝土配料采用磷酸+高铝，掺合材料为一、二级矾土粉及苏州泥；细骨料为一级矾土砂+硅石，并按5%的比例掺入耐热不锈钢纤维。按此配方制出的耐火混凝土耐火温度在1 300 ℃以上，最高耐火温度可达1 600 ℃，有效解决了渣线路基的耐高温问题；此外，按此配方制作的耐火混凝土的抗折强度和抗热震稳定性均能满足现场的使用要求。

在耐火混凝土中配置钢筋，由于钢筋的水硬性胶结，可使耐火混凝土的抗压强度进一步增加；但耐火混凝土一般情况下不适宜配筋，这主要是因为钢筋在高温作用下易产生弹性变形以及带来腐蚀等问题。受热环境下，在1 000～1 200 ℃钢筋的粘结力降低，抗压强度相较原始强度可能下降20%。耐火混凝土一般不适宜配置钢筋的另一个原因是0～300 ℃时，钢筋的膨胀系数为40×10-6℃，而铝酸盐高铝质耐火混凝土的膨胀系数为（6.2～7.0）×10-6℃，两者相差5～7 倍，钢筋膨胀，导致混凝土开裂或剥落，暴露出来的钢筋会因氧化或软化而失去增强作用。

虽然耐火混凝土不适宜配筋，但采取特殊的施工工艺或材料可有效避免配筋的弊端。马钢三钢厂钢渣线改造工程中采用了钢筋混凝土，这主要是因为铁路路基堆体高，渣线路基侧坡陡，路基要有充分的强度来保证列车的行车安全。在工程实际施工过程中，充分利用耐火混凝土表面温度深入其0～300 mm后迅速衰减的特点，在距耐火混凝土表面200 mm处配置计算钢筋，而耐火混凝土竖墙的受力钢筋距其表面≥800 mm。钢筋可选用热轧钢筋，或在钢筋表面“渗铝”，以提高其抗氧化能力，这样使用温度可提高至800 ℃左右，实践证明效果良好。

2.2 改造效果

掺合不锈钢纤维的耐火混凝土在马钢三钢厂钢渣线改造中的成功运用，大大减少了钢渣倾倒占用的土地面积，并使以往占用的土地得以解禁；此外，还杜绝了钢渣堆场对周边造成的环境问题，每年钢渣地回收利用以及节约的钢渣堆场维护费用1 000万元以上，经济效益显著。

3 结语

在普通耐火混凝土中掺合不锈钢纤维，对耐火混凝土的使用性能改善明显，尤其是其力学性能，但随着不锈钢纤维配比的不断增加，力学性能的增加趋势减缓。通过将掺合5%不锈钢纤维的耐火混凝土使用到马钢三钢厂固定渣线改造工程中，带来了良好的经济、环境效益。在工程中选用掺合不锈钢纤维的耐火混凝土时，在使用性能满足的前提下，考虑到不锈钢纤维价格昂贵，应控制不锈钢纤维的配比，以控制其制造成本。