利用尾矿、玄武岩配制耐热混凝土的应用研究

陈向哲

（河北建设集团有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

利用尾矿、玄武岩配制耐热混凝土的应用研究

陈向哲

（河北建设集团有限公司混凝土分公司，河北 保定 071051）

针对闷渣池耐热混凝土对原材料的特殊要求，结合自身情况，选择配制以当地主材为基础的硅酸盐耐热混凝土。在耐热骨料当中掺加一定量的非耐热骨料，即在秦皇岛卢龙玄武岩当中掺加部分唐山迁西地区铁选尾矿，砂配制出耐热混凝土，通过一系列试验数据，分析了解尾矿砂对耐热混凝土性能的影响。配制出的耐热混凝土在 700℃ 高温烘烤的情况下，各项性能达到要求。

耐热混凝土；尾矿砂；玄武岩

0 引言

我公司于 2015 年 10 月开始对河北冶金建设集团—唐银南北料堆场闷渣池供应耐热混凝土，混凝土设计强度等级为C30，使用温度不小于 350℃，极限温度 700℃。

耐热混凝土是一种能长期在 200～900℃ 状态下使用，且能保持所需的物理力学性能和体积稳定性的特种混凝土[1]。根据所用胶凝材料的不同，耐热混凝土可分为：硅酸盐耐热混凝土、铝酸盐耐热混凝土、磷酸盐耐热混凝土、硫酸盐耐热混凝土、水玻璃耐热混凝土、镁质水泥耐热混凝土及其他胶结料耐热混凝土。与传统的耐火砖相比，有以下优点：（1）生产工艺简单，造价低；（2）施工简单，易于机械化；（3）可以建造任何结构形式的构件；（4）可以充分利用工业废渣、废旧耐火砖以及某些地方材料和天然材料。

针对闷渣池耐热混凝土对原材料的特殊要求，结合自身情况，选择配制以当地主材为基础的硅酸盐耐热混凝土。普通混凝土耐热性不好的主要原因是一些水泥的水化产物为Ca(OH)2，水化铝酸钙在高温下脱水，使水泥石结构破坏而导致混凝土碎裂；另一个原因是常用的一些骨料，如石灰石、石英砂在高温下发生较大体积变形，还有一些骨料在高温下发生分解，从而导致普通混凝土结构的破坏，强度降低。因此，骨料是配制耐热混凝土一个很关键的因素。我们通过在耐热骨料当中掺加一定量的非耐热骨料，即玄武岩当中掺加部分铁选尾矿砂，通过一系列试验数据，分析了解尾矿砂对耐热混凝土性能的影响。

1 原材料

（1）水泥：冀东 P·O42.5水泥。抗压强度：3d 为28.5MPa，28d 为 51.7MPa；标准稠度用水量为 27%；安定性合格，混合材中石灰石含量为 0。

（2）矿粉：河北钢建 S95 级。7d 活性 77.6%，28d 活性101.3%，流动度比 102%。

（3）粉煤灰：勇昭 FⅡ 级。细度 13%，烧失量 2.3%，需水量比 103%，含水率 0.4%。

（4）粗骨料：10～20mm 级玄武岩：松散堆积密度为1526kg/m3，捣实堆积密度为 1688kg/m3，石粉含量 0.4%； 5～10mm 级玄武岩：松散堆积密度为 1490kg/m3，捣实堆积密度为 1669kg/m3，石粉含量 1.2%。

（5）细骨料：铁选尾矿砂：细度模数 2.2，含泥量1.7%；玄武岩机制砂（0～3mm）：细度模数 3.1，石粉含量7.6%。

（6）外加剂：聚羧酸减水剂（丰润恒誉），减水率23.5%。

2 试验方案

2.1 试验方案

2.1.1 第一阶段

根据工程进度情况在最短时间内确定可行的施工方案，单用 0～3mm 粒径的玄武岩为细骨料，粗骨料选用 5～10mm粒径玄武岩与 10～20mm 粒径玄武岩按 3:7 掺加，采取 JGJ/ T 15—2008《早期推定混凝土强度试验方法》中 80℃ 热水法的试验步骤进行快速试验，即将混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的环境下成型，然后将 100mm×100mm×100mm 的试件浸入养护箱 (80±2)℃ 水中养护 5 小时±5 分钟，脱模后逐一对试件进行标记，测量边长及称重后随即放入电热恒温干燥箱中，保持 (110±5)℃ 下烘干 16 小时，冷却至室温，逐一测量试件边长及重量，留一组进行试压；另一组置于箱式电阻炉中加热，按平均 2～3℃/min 匀速升温至 700℃，恒温 3 小时后，自然冷却至室温，测量试件边长及重量后，立即试压，破型后的试件见图 1。试验结果如表 1。

图1　沸煮法 700℃ 烤后破型试件

表1　第一阶段试验结果

2.1.2 第二阶段

通过第一阶段的数据，确定 A3 为最佳配比方案，即试验总胶材量为 440kg/m³、砂率（Sp）为 49%、外加剂掺量为2.0%。细骨料中尾矿砂按 B1（0.00%）、B2（0.10%）、B3（0.20%）、B4（0.30%）、B5（0.40%）、B6（0.50%）与0～3mm 粒径的玄武岩双掺，本阶段耐热混凝土拌合物的坍落度均控制在 (190±3)mm 范围内，配合比如表 2。

表2　第二阶段配合比 kg/m3

将序号 B1～B6 的混凝土拌合物在 (20±5)℃ 的环境下成型、脱模，置于 (20±2)℃的标准养护室中进行养护。达到 28天龄期后，重复第二阶段后半部分的烘干、烘烤试验，试验结果如表 3。

表3　第二阶段试验结果

2.2 数据分析

（1）在坍落度都为 (190±3)mm 情况下，每盘混凝土用水量的关系曲线，如图 2。

图2　固定坍落度情况下用水量变化

（2）试验混凝土达到 28 天龄期，烘干 16h，马上进行700℃ 烘烤前后，B1～B6 各组试件边长的变化，即 700℃ 下恒温 3h 后试件边长与烘烤前试件边长的差值变化曲线，如图3。

图3　烘烤前后试件边长的变化值

（3）在坍落度都为 (190±3)mm 情况下，随着尾矿砂含量的增加，用水量相对减少，混凝土强度变化曲线如图 4。

图4　强度变化

2.3 小结

（1）如表1所示，砂率一定情况下，随着胶材总量的增加，水灰比随之降低，混凝土拌合物和易性增强，抗压强度显著提高。

（2）从表1中 A3 与表3中 B1 的抗压强度结果分析可知，与 28d 标养龄期的试块相比，快速养护法由于时间限制，混凝土试件内部不能在短期内完全水化，因此试块的抗压强度相对偏低从破型试块的断面年会出现色晕现象。

（3）由表2和图 2 可知，在胶材不变、砂率一定的情况下，使混凝土拌合物坍落度稳定在 (190±3)mm，随着尾矿砂掺量的提高，用水量相对降低；由表3可知，混凝土的和易性逐渐改善，尾矿砂掺量在 30%～50% 时最佳。根据美国垦务局 Denver 实验室的经验，以细度模数 2.75 为标准状态，（细碎机）砂子细度模数每增减 0.1，相应混凝土砂率应增减0.5%；同时砂率每增减 1%，混凝土用水量相应增减 1%。因此，对于尾矿砂的加入，耐热混凝土拌合物细骨料的细度模数逐渐向 2.75 靠近，当继续增加尾矿砂掺量时，拌合物细骨料的细度模数变小，混凝土和易性变差。

（4）混凝土试件在尾矿砂掺量为 40%时，有裂纹出现，说明尾矿砂掺量超过 40% 时，抗耐热成分不足以支撑 700℃的高温。由图 3 所示，当尾矿砂掺量超过30% 时，试件烘烤前后差值明显加大，说明尾矿砂掺量超过30%，对混凝土抗裂不利。结合图 4 的强度曲线图，试件在 700℃ 烘烤后，强度随着尾矿砂掺量增加成先稳定后加剧降低的趋势，当掺量达到 40% 后，烘烤强度下降明显。确定尾矿砂最佳掺量范围是 30%～40%，鉴于本工程的极限温度为 700℃ 且考虑到混凝土的成本控制，确定施工配合比细骨料中尾矿砂的掺量为35%。

3 结束语

采用唐山迁西地区铁选尾矿砂、秦皇岛卢龙玄武岩为填充骨料配制出的耐热混凝土，在 700℃ 高温烘烤的情况下，各项性能达到要求。与传统单纯使用耐热骨料相比，铁选尾矿砂的加入对耐热混凝土本身的基本性能未受到太大的影响。铁选尾矿砂的利用，一方面保护生态环境，减少了对生态环境的负面影响；另一方面对节约成本、提倡混凝土的绿色生产起到推动作用。

[1] YB/T 1252—2011．耐热混凝土应用技术规程[S]．

[2] JGJ 55—2011．普通混凝土配合比设计规程[S]．

[3] JGJ/T 15—2008．早期推定混凝土试验方法标准[S]．

[4] GB/T 50081—2002．普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

［通讯地址］河北省保定市天威西路 3083 号 河北建设集团（071051）

陈向哲，男，工程师，河北建设集团有限公司混凝土分公司总经理。