C35耐熱混凝土的制備與性能測試

□□ 李 三，茍 菁

(1.重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心有限公司，重慶 401336；2.西南交通大學(xué) 希望學(xué)院，四川 成都 610400)

引言

耐熱混凝土是一種長期在200～900 ℃作用下，能保持物理力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性能的特種混凝土[1]，目前普遍應(yīng)用在冶金和建材工業(yè)領(lǐng)域。耐熱混凝土的組成中，膠凝材料宜采用42.5等級及以上的P·O水泥、鋁酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥等，骨料宜采用黏土質(zhì)耐火材料或耐火磚，必要時可引入非引氣型減水劑以提高耐熱混凝土的密實性能和耐熱性能。傳統(tǒng)的耐熱混凝土組成主要以鋁酸鹽水泥或水玻璃為膠凝材料、以黏土或鋁礬土熟料為骨料[2]。

混凝土在高溫作用下的失效形式主要表現(xiàn)為混凝土失水導(dǎo)致的質(zhì)量損失、內(nèi)部裂縫及孔隙增加導(dǎo)致的抗壓強度損失和靜力受壓彈性模量的損失，進而導(dǎo)致混凝土的耐久性能降低，影響建筑物的使用壽命。其主要機理包括兩個方面：其一是混凝土內(nèi)部孔隙中的自由水和水泥石結(jié)構(gòu)中的結(jié)合水隨著混凝土服役溫度的提高先后流失，水泥石結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部膠結(jié)性能降低；其二是水泥漿體和骨料的熱膨脹系數(shù)不均勻產(chǎn)生了熱膨脹應(yīng)力，該應(yīng)力一旦超過水泥漿體與骨料的粘結(jié)強度，會直接造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的潰散，并且混凝土服役溫度越高該效應(yīng)越明顯，混凝土的失效行為越嚴(yán)重。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，建筑物對耐熱混凝土的需求日益增大，普通原材料制備耐熱混凝土已成為新的研究方向。研究表明[3-4]，在耐熱混凝土制備過程中，硅鋁質(zhì)礦物摻合料能通過降低水泥用量、增加混凝土密實性，從而減小混凝土的高溫變形，提高其耐熱性能。常用于耐熱混凝土的礦物摻合料為?；郀t礦渣粉和粉煤灰，現(xiàn)擬采用P·O水泥、粉煤灰、外加劑及玄武巖骨料制備耐熱度450 ℃、強度等級C35的耐熱混凝土。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用重慶長壽西南P·O 42.5水泥，28 d抗壓強度為49.5 MPa，安定性合格。

細(xì)骨料：采用玄武巖機制中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，石粉含量為3.0%。

粗骨料：采用玄武巖碎石，5～25 mm連續(xù)級配，含泥量為0.2%。

礦物摻合料：采用重慶珞璜F類II級粉煤灰，細(xì)度為13.3%，強度活性指數(shù)為77%。

外加劑：采用重慶綢繆高性能減水劑，減水率為27%，推薦摻量為1.0%。

膠凝材料的主要化學(xué)組成見表1。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)組分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗方法

參照YB/T 4252—2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行C35混凝土配合比設(shè)計，設(shè)計坍落度為180～220 mm。因膠凝材料總量和礦物摻合料用量顯著影響耐熱混凝土的耐熱性能，因此設(shè)計了5組不同粉煤灰摻量的配合比，分別進行了坍落度試驗后成型，各組配合比及坍落度試驗結(jié)果見表2。

表2 耐熱混凝土配合比及坍落度試驗

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后的耐熱混凝土試件分別進行抗壓強度和耐熱性能測試，后者主要測試內(nèi)容為：

(1)烘干強度：采用105 ℃的電熱干燥箱烘干24 h，冷卻至室溫后進行抗壓強度測試。

(2)殘余強度：烘干后的試件，在2 ℃·min-1勻速升溫至設(shè)定溫度的箱式電阻爐中恒溫3 h，冷卻至室溫后進行抗壓強度測試。

(3)線變化率：參照GB/T 5988—2007《耐火材料 加熱永久線變化試驗方法》中長度測量儀法進行，線變化率Le=(L1-L0)/L0×100%，其中L0和L1分別表示試件加熱前后的長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐熱混凝土的烘干強度

圖1為5組不同配合比混凝土試件的28 d標(biāo)養(yǎng)強度和標(biāo)養(yǎng)后105 ℃烘干強度的試驗結(jié)果。由圖1可知，各組耐熱混凝土的28 d標(biāo)養(yǎng)強度均達(dá)到了40 MPa，并且隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度逐漸降低。經(jīng)烘干處理后，混凝土的抗壓強度略有提高，混凝土試件在105 ℃烘干條件下，內(nèi)部自由水逐漸形成蒸汽并提供了蒸養(yǎng)條件，促進了水泥-粉煤灰復(fù)合膠凝材料的水化過程，因而使耐熱混凝土的抗壓強度進一步提高[5]。

圖1 耐熱混凝土的抗壓強度和烘干強度

2.2 耐熱混凝土的殘余強度

圖2為5組不同配合比的混凝土試件在不同溫度條件下的殘余強度，以相對初始強度的百分比表示。對于同組混凝土，其相對值越小，耐熱混凝土的殘余強度越低，則其耐熱性能越差。根據(jù)YB/T 4252—2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求，其相對強度值<50%時，認(rèn)為達(dá)到耐熱極限溫度。由圖2可知，隨著溫度的提高，5組混凝土試件的殘余強度均呈現(xiàn)降低的趨勢，在溫度≯350 ℃時，各組混凝土的相對強度值均>50%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用要求。隨著溫度的繼續(xù)升高，混凝土的相對強度值迅速降低，其中N3組混凝土在450 ℃時相對強度值降低至57.4%，該配合比混凝土試件的耐熱極限溫度達(dá)到450 ℃。

圖2 耐熱混凝土的殘余強度

在250～550 ℃的試驗溫度范圍內(nèi)，耐熱混凝土內(nèi)部主要水化產(chǎn)物C-S-H凝膠體和CH結(jié)晶體逐漸脫水，使得水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)中微裂紋和孔隙率增加，漿體與骨料的粘結(jié)作用降低。同時，隨著溫度的變化，混凝土內(nèi)部不同組分的溫度膨脹效應(yīng)差異，也會加劇混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，造成抗壓強度的降低。

2.3 耐熱混凝土的線變化率

圖3為5組不同配合比的混凝土試件在不同溫度條件下的線變化率。由圖3可知，混凝土的線變化率隨著溫度提高呈現(xiàn)增加的趨勢?；炷猎谑軣徇^程中，由于水泥的水化產(chǎn)物脫水分解，造成了水泥石的體積收縮，水泥用量越多，水泥石受熱產(chǎn)生的收縮越大。在不同溫度的受熱階段，各類復(fù)雜的水化產(chǎn)物相繼分解或者發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，均是導(dǎo)致混凝土體積收縮的原因。粉煤灰取代水泥后，會降低混凝土的收縮率，研究表明[6]在CaO-Al2O3-SiO2體系中，SiO2含量的增加有減少固化體線變化率的趨勢。根據(jù)YB/T 4252—2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，耐熱混凝土的燒后線變化率≯±1.5%，在溫度上升到450 ℃時，N3～N5組混凝土的線變化率能滿足該要求。

圖3 耐熱混凝土的線變化率

2.4 粉煤灰摻量對耐熱混凝土的影響

結(jié)合圖1和圖2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，耐熱混凝土的抗壓強度逐漸降低，但其相對強度值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在膠凝材料總量相同情況下，粉煤灰的摻量顯著影響混凝土的耐熱性能。在水泥用量較高時，水泥水化產(chǎn)物脫水反應(yīng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹應(yīng)力差異，導(dǎo)致混凝土相對強度值降低，隨著粉煤灰摻量提高，其引入的活性Al2O3和SiO2消耗了水泥水化產(chǎn)物CH，減少了可能在受熱階段產(chǎn)生的微裂縫，同時也消耗了CH脫水后形成的CaO，并形成了新的穩(wěn)定產(chǎn)物硅酸鈣和鋁酸鈣，這些產(chǎn)物填充在水泥石內(nèi)部，彌補了水泥石脫水產(chǎn)生的收縮，增強了水泥石與骨料的界面粘結(jié)能力，使得混凝土的耐熱性能得到提高。當(dāng)粉煤灰摻量進一步增加后，水泥用量減少，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實性降低，對混凝土的抗壓強度和耐熱性能均不利。

為了進一步研究粉煤灰摻量對混凝土耐熱性能的影響，測試了不摻粉煤灰的N0基準(zhǔn)組混凝土的力學(xué)性能和200 ℃的耐熱性能，其結(jié)果見表3。基準(zhǔn)組混凝土在200 ℃的相對強度值和線變化率已無法滿足YB/T 4252—2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求，其耐熱度<200 ℃，無法達(dá)到耐熱混凝土的使用要求。

表3 基準(zhǔn)組混凝土力學(xué)性能和耐熱性能

圖4比較了不同粉煤灰摻量條件下的混凝土耐熱度。在粉煤灰摻量適宜時，能有效提高混凝土的耐熱性能。綜合考慮混凝土的抗壓強度和耐熱性能，選取N3組混凝土，其抗壓強度滿足C35等級設(shè)計要求，耐熱度達(dá)到了450 ℃。

圖4 不同粉煤灰摻量的混凝土耐熱度

3 結(jié)論

3.1 采用P·O水泥、粉煤灰和玄武巖骨料制備C35耐熱混凝土，耐熱度可達(dá)到450 ℃，其烘干強度、殘余強度和線變化率均可滿足使用要求。

3.2 在保證耐熱混凝土強度等級的前提下，減少水泥用量、增加粉煤灰用量，能有效改善耐熱混凝土的耐熱性能，適宜摻量的粉煤灰提高了其殘余強度相對值、降低了其線變化率。

3.3 粉煤灰通過降低水泥用量、減少水泥石的受熱收縮和二次水化產(chǎn)物的填充效應(yīng)，增強了混凝土的耐熱性能。