CN112851264A - 一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土 - Google Patents

一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，包括如下质量份数的组分：闪长玢岩粗骨料1040～1060份；闪长玢岩机制砂650～700份；耐高温陶粒砂100～150份；水泥230～260份；矿物掺合料185～195份；调节剂10～30份；外加剂4.5～5份；耐高温无机纤维5～6份；水160～165份。本发明耐高温混凝土使用铁尾矿闪长玢岩作为骨料，铁尾矿闪长玢岩熔融温度高，因此使骨料在高温下具有良好的体积稳定性，同时通过往骨料中掺杂耐高温陶粒砂，能进一步提升骨料的耐高温性以及材料的强度；另外，本发明耐高温混凝土使用钢渣粉作为胶凝材料，能够降低胶凝材料水化产物Ca(OH)2的含量，从而减少胶凝体系在高温环境下水化产物的分解率；最后，本发明耐高温混凝土使用无机耐高温纤维，无机耐高温纤维与水泥浆体粘结性好。

Description

一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土
技术领域
本发明涉及一种耐高温混凝土，尤其涉及一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土。
背景技术
目前部分工业建筑物的特殊结构部位需常期服役在高温环境中，如供热厂的烟道护壁和排渣口，钢铁厂的闷渣池，电炉的基础结构部位等。由于长时间在温度200℃～1300℃环境下工作，普通混凝土中的骨料会产生膨胀变形(由于骨料熔融温度低，因此热胀冷缩，高温下发生膨胀变形-裂化，从而影响其抗压强度)，同时水泥浆体结合水蒸发，胶凝材料的水化产物Ca(OH)2在450℃以上会分解、遭到破坏，Ca(OH)2分解后会导致混凝土结构疏松，从而难以保持混凝土结构的强度。因此针对不同的高温环境，需要设计出适宜该高温下使用的耐高温混凝土。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中普通混凝土骨料在高温下会产生膨胀变形，力学性能劣化的问题，提供一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，该混凝土在800℃～1000℃高温下仍具有良好的热稳定性。
技术方案：本发明所述的采用铁尾矿骨料和钢渣粉制得的耐高温混凝土，包括如下质量份数的组分：
闪长玢岩粗骨料 1040～1060份；
闪长玢岩机制砂 650～700份；
耐高温陶粒砂 100～150份；
水泥 230～260份；
矿物掺合料 185～195份，；
调节剂 10～30份；
外加剂 4.5～5份；
耐高温无机纤维 5～6份；
水 160～165份；
其中，所述矿物掺合料由如下质量份数的组分组成：钢渣粉25～50份，粉煤灰40～70份，矿粉45～60份，硅灰20～30份。
其中，所述闪长玢岩-粗骨料的粒径为5mm～20mm，闪长玢岩机制砂-细骨料的粒径为0.16mm～5mm，闪长玢岩属于基性岩，闪长玢岩的熔融温度为1000℃～1200℃。
本发明耐高温混凝土使用铁尾矿闪长玢岩作为粗细骨料，一方面闪长玢岩具有高的熔融温度，因此具有良好的热稳定性，另一方面闪长玢岩为多孔结构，骨料吸水率高(约2.5％)，比普通岩石骨料的吸水率(约0.9％)高，高吸水率能够使混凝土结构在高温时通过水分的迁移延缓骨料的裂化过程，从而进一步增大骨料的耐高温性，进而提高混凝土结构的热稳定性，在高温下仍具有良好的抗压能力；同时通过往骨料中掺杂耐高温陶粒砂，能进一步提升骨料的耐高温性以及材料的强度。
其中，所述耐高温陶粒砂的熔融温度为1450～1550℃。
本发明采用的耐高温陶粒砂为铝矾土陶粒砂，铝矾土陶粒砂一方面耐高温能力强，熔融温度高；另一方面其内部为多孔结构，能够预先保水5～10％，储存的内部水分在高温条件下缓慢向外迁移水分，从而保持其内部湿度平衡。
其中，所述水泥为不低于P·O 42.5的普通硅酸盐水泥和铝酸盐水泥按质量比7:3或8:2混合而成，水泥的比表面积为350m2/kg～380m2/kg，保证水泥粗颗粒比例，从而使得在高温条件下水化过程持续并充分。往普通硅酸盐水泥中复合铝酸盐水泥，一方面由于铝酸盐水泥中Al2O3含量大于70％，Al2O3以铝酸钙形式存在，铝酸钙与普通硅酸盐水泥中的水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石)，从而消耗Ca(OH)2的生成量和提高耐高温水化产物量，实现降低高温条件下水化产物Ca(OH)2的分解率，提高混凝土结构的强度，改善了仅用硅酸盐水泥时水化产物Ca(OH)2在高温下分解导致混凝土结构强度变差的问题；另一方面铝酸盐水泥水化速度快，提高混凝土的早期强度，填充胶凝材料体系，密实性高，也有利于抗侵蚀性能。
所述钢渣粉的比表面积大于430m2/kg，密度大于3.2g/cm3，粉煤灰为II级以上，矿粉为S95以上，硅灰的SiO2含量大于90％，硅灰颗粒为0.1～1μm。
本发明的矿物掺合料为四组分复合掺合料，一方面通过掺入高熔融温度的组分提升胶凝材料体系的耐高温性，钢渣粉生成温度为1600℃～1700℃，硅灰熔点温度1907℃；另一方面能够改善水泥水化产物Ca(OH)2高温下易分解劣化问题，钢渣粉含有硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)，能够与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应，生成水化硅酸钙，该产物高温下稳定，不易分解；粉煤灰、矿粉与硅灰中有活性的二氧化硅(SiO2)，二氧化硅也会与Ca(OH)2发生二次水化反应，生成的水化产物为硅酸盐钙凝胶；一方面矿物掺合料中钢渣粉、粉煤灰、矿粉与硅灰之间不同尺寸的颗粒相互填充，另一方面矿物掺合料与水泥的水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应生成硅酸钙凝胶，从而提高混凝土内部结构密实性和结构稳定性，解决了水泥水化产物Ca(OH)2在高温时易分解带来的问题；协同增加了耐高温混凝土的早期和后期强度，因此含有多元掺合料的胶凝材料体系能够提升耐高温混凝土的密实性、耐热性和耐久性。
其中，所述调节剂由超细粉煤灰、偏高岭土和沸石粉按质量比5:3:2混合而成。所述超细粉煤灰比表面积为700m2/kg～850m2/kg；偏高岭土密度≥2.5g/cm3,沸石粉7d活性指数≥90％，细度(45μm筛余)≤12％。调节剂一方面根据紧密堆积原理，能够改善胶凝材料体系颗粒级配区间，提高混凝土的密实性；调节剂另一方面能够进一步提高混凝土和易性和力学性能，超细粉煤灰补充胶凝材料体系颗粒级配区间，偏高岭土主要成分为无定形的Al2O3和SiO2，其硅氧四面体和铝氧四面体在碱性环境下，形成三维网络结构水化产物，进一步提高混凝土力学强度，其耐火温度≥1580℃，也利于混凝土的耐高温性能，沸石粉也为多孔隙材料，能够吸收一定水分，保持混凝土内温湿度平衡，高温时，有利于延缓水分向外部迁移。
其中，所述外加剂为聚羧酸减水剂，其减水率25％～35％。减水剂为缓凝型减水剂，保证混凝土凝结时间在正常范围内。
其中，所述耐高温无机纤维为玄武岩纤维、高铝纤维或氧化锆纤维的一种或任意两种的混合。其中，高铝纤维是以氧化铝和高纯硅石为原料，经熔融甩丝成纤，Al2O3含量大于58％的高纯度玻璃态硅酸铝耐高温纤维，熔融温度为1200℃；氧化锆纤维的主要成分为ZrO2，ZrO2含量大于98％，熔融温度为1600℃。
本发明耐高温混凝土使用无机耐高温纤维，一方面无机耐高温纤维与水泥浆体都属于无机盐类组分，具有更好的相容性；另一方面无机耐高温纤维的弹性模量和抗拉强度高(≥1200MPa)，有利于水泥浆体表面的粘结度；另外，其耐高温性高(1200～1600℃)，在高温条件下，性能无变化，不影水泥浆体之间的粘结强度。
有益效果：本发明耐高温混凝土使用铁尾矿闪长玢岩作为粗细骨料，铁尾矿闪长玢岩熔融温度高以及呈多孔结构，因此使骨料在高温下具有良好的体积稳定性，同时通过往骨料中掺杂耐高温陶粒砂，能进一步提升骨料的耐高温性以及材料的强度；另外，本发明耐高温混凝土使用钢渣粉作为胶凝材料，能够降低胶凝材料水化产物Ca(OH)2的含量，从而减少胶凝体系在高温环境下水化产物的分解率；最后，本发明耐高温混凝土使用无机耐高温纤维，无机耐高温纤维与水泥浆体粘结性好的同时还能耐高温混凝土的韧性(抗开裂)和抗拉强度，因此本发明耐高温混凝土在温度为800℃～1000℃条件下，仍具有高的残余抗压强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明技术方案作进一步阐述。
本发明配方中所使用的组分均通过市售获得。
实施例1
本发明基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，由如下质量份数的组分组成：1040份闪长玢岩粗骨料；700份闪长玢岩机制砂；100份耐高温陶粒砂；230份水泥；195份矿物掺合料；10份调节剂；4.5份减水剂；5份玄武岩纤维以及160份拌合用水。
其中，195份矿物掺合料由25份钢渣粉、70份粉煤灰、60份矿粉以及30份硅灰组成。
实施例1的耐高温混凝土由如下方法制备而成，具体为：
(1)将称量好的闪长玢岩粗骨料、闪长玢岩机制砂、耐高温轻质陶粒砂和耐高温无机纤维按照配方量放入搅拌机中，搅拌15s，使各骨料充分混匀；
(2)将称量好配方量的水泥、钢渣粉、粉煤灰、矿粉和硅灰等胶凝材料，调节剂依次加入步骤(1)的搅拌机中，搅拌20s，使骨料和胶凝材料混合均匀；
(3)将称量好配方量的拌合用水和减水剂分2～3次加入步骤(2)的搅拌机中，搅拌时间180s，
(4)充分搅拌均匀后获得耐高温混凝土。
混凝土制备采用强制式搅拌机进行搅拌，搅拌时间不得小于60s，且振捣时间约30s，以保证耐高温混凝土施工时建筑物的密实性。
实施例2
本发明基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，由如下质量份数的组分组成：1050份闪长玢岩粗骨料；680份闪长玢岩机制砂；120份耐高温陶粒砂；240份水泥；190份矿物掺合料；20份调节剂；4.6份减水剂；5份高铝纤维以及160份拌合用水。
其中，190份矿物掺合料由35份钢渣粉、60份粉煤灰、50份矿粉以及25份硅灰组成。
实施例2耐高温混凝土的制备方法与实施例1一致。
实施例3
本发明基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，由如下质量份数的组分组成：1060份闪长玢岩粗骨料；670份闪长玢岩机制砂；130份耐高温陶粒砂；250份水泥；185份矿物掺合料；25份调节剂；4.8份减水剂；5份玄武岩纤维以及160份拌合用水。
其中，185份矿物掺合料由40份钢渣粉、50份粉煤灰、45份矿粉以及25份硅灰组成。
实施例3耐高温混凝土的制备方法与实施例1一致。
实施例4
本发明基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，由如下质量份数的组分组成：1055份闪长玢岩粗骨料；650份闪长玢岩机制砂；150份耐高温陶粒砂；260份水泥；185份矿物掺合料；30份调节剂；5份减水剂；5份氧化锆纤维以及160份拌合用水。
其中，185份矿物掺合料由50份钢渣粉、40份粉煤灰、45份矿粉以及20份硅灰组成。
实施例4耐高温混凝土的制备方法与实施例1一致。
表1为实施例1-4中耐高温混凝土配合比(kg/m3)
Figure BDA0002956001860000051
表1中，机制砂1是铁尾矿闪长玢岩机制砂，机制砂2耐高温陶粒砂；水泥为硅酸盐水泥：铝酸盐水泥质量比＝7:3；调节剂为超细粉煤灰、偏高岭土和沸石粉的混合质量比5:3:2。
为了验证本发明中各组分耐高温效果，进行以下对比试验，对比例1-4的混凝土的配方与实施例1耐高温混凝土配方的不同之处如表4所示。
表2对比例1-4中对比混凝土与实施例4中耐高温混凝土的区别
Figure BDA0002956001860000061
将实施例1-4的耐高温混凝土和对比例1-4的混凝土养护28d后进行抗压强度测试，混凝土试件经过高温100℃、600℃、800℃、1000℃后的残余抗压强度。混凝土抗压强度试件成型尺寸为150mm×150mm×150mm立方体。标准养护温度为20℃，相对湿度≥95％。
残余抗压强度试验，将标准养护条件下龄期28d的混凝土试件分别放入温度为100℃、600℃、800℃和1000℃的高温箱式电炉中，电炉升温速率为3.5℃/min，恒温3h后，自然冷却至室温，采用自动数显式压力机测试耐高温混凝土的高温后的残余抗压强度。
本发明实施例1-4和对比例1-4混凝土的试验数据如表3所示。
表3为实施例1-4和对比例1-4得到的混凝土试件在不同温度条件下的抗压强度/MPa
Figure BDA0002956001860000062
Figure BDA0002956001860000071
从表3中可以看出，20℃条件下，本发明实施例1-4的耐高温混凝土28d强度高于对比例1-4的混凝土，抗压强度提高幅度约2.2MPa。当温度为100℃时，温度升高促进了水泥的水化程度和矿物掺合料二次水化反应，实施例1-4的混凝土抗压强度提高约24％，对比例1-4的混凝土的抗压强度提高约17.3％，本发明实施例1-4的耐高温混凝土组分在100℃条件下抗压强度增幅高，说明本发明混凝土内部结构的密实性和界面过渡区结构相比于对比例1～4有改善。
本发明实施例1-4的耐高温混凝土在高温条件下的残余抗压强度要高于对比例1～4。以温度100℃的抗压强度作为初始抗压强度基准，实施例1-4耐高温混凝土在经过温度600℃、800℃和1000℃后混凝土的抗压强度残余率分别为79.4％、66.5％和47.2％。在温度1000℃时，本发明实施例1-4耐高温混凝土的抗压强度大于30MPa，达到了强度等级C30的要求。因此，说明本发明内各项组分协同作用提高了耐高温混凝土的耐热性，混凝土的残余抗压强度仍符合设计要求C30强度等级。
对比例1-4的混凝土在高温后的残余抗压强度值下降幅度高于本发明实施例1-4。对比例1-4在经过温度600℃、800℃和1000℃后混凝土的抗压强度残余率分别为71％、50.7％和25.5％。当温度在800℃以上，对比例1-4的混凝土抗压强度值约29.3MPa，已不满足C30设计要求。1000℃的抗压强度仅为15.8MPa，严重达不到设计抗压强度。说明对比例1-4的混凝土经高温后的残余抗压强度低。
本发明通过采用铁尾矿闪长玢岩骨料、耐高温轻质陶粒砂和闪长玢岩机制砂三种耐熔融温度高的骨料体系，能实现混凝土在温度高达1000℃时残余抗压强度仍满足高强度等级C30的要求；通过四元组分(钢渣粉、粉煤灰、矿粉和硅灰)复合掺合料体系，实现了胶凝体系中水化产物Ca(OH)2比例低以及不同尺寸颗粒级配最佳紧密堆积的效果；通过添加由超细粉煤灰、偏高岭土和沸石粉配制的调节剂，能够提高耐高温混凝土的施工性能；通过掺入耐高温无机类纤维，增强了耐高温混凝土的韧性和抗拉强度，同时纤维与水泥浆体还具有良好的粘结性。

Claims (9)

1.一种基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，其特征在于，包括如下质量份数的组分：
闪长玢岩粗骨料1040～1060份；
闪长玢岩机制砂650～700份；
耐高温陶粒砂100～150份；
水泥230～260份；
矿物掺合料185～195份；
调节剂10～30份；
外加剂4.5～5份；
耐高温无机纤维5～6份；
水160～165份；
其中，所述矿物掺合料由如下质量份数的组分组成：25～50份钢渣粉、40～70份粉煤灰、45～60份矿粉以及20～30份硅灰。
2.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，其特征在于：所述闪长玢岩粗骨料的粒径为5mm～20mm，闪长玢岩机制砂的粒径为0.16mm～5mm，闪长玢岩的熔融温度为1000℃～1200℃。
3.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，其特征在于：所述耐高温陶粒砂的熔融温度为1450～1550℃。
4.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉的耐高温混凝土，其特征在于：所述水泥为不低于P·O 42.5的硅酸盐水泥和铝酸盐水泥按质量比7:3或8:2混合而成，水泥的比表面积为350m2/kg～380m2/kg，铝酸盐水泥中Al2O3的含量大于70％。
5.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，其特征在于：所述钢渣粉的比表面积大于430m2/kg，密度大于3.2g/cm3，粉煤灰为II级以上，矿粉为S95以上，硅灰的SiO2含量大于90％。
6.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，其特征在于：所述调节剂由超细粉煤灰、偏高岭土和沸石粉按质量比5:3:2混合而成。
7.根据权利要求6所述的基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，其特征在于：所述超细粉煤灰比表面积为700m2/kg～850m2/kg；沸石粉为I级，细度小于12％。
8.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，其特征在于：所述外加剂为聚羧酸型减水剂，其减水率范围25～35％。
9.根据权利要求1所述的基于铁尾矿和钢渣粉制得的耐高温混凝土，其特征在于：所述耐高温无机纤维为玄武岩纤维、高铝纤维或氧化锆纤维的一种或任意两种的混合。
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CN114409329A (zh) * 2021-12-24 2022-04-29 常熟市博海新型建材有限公司 一种耐候型抗裂混凝土配方及制备工艺
CN115124291A (zh) * 2022-07-28 2022-09-30 涉县清漳水泥制造有限公司 一种耐高温混凝土及其制备方法
CN116535173A (zh) * 2023-05-10 2023-08-04 贵阳中建西部建设有限公司 一种耐高温混凝土及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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