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1、针对某钢厂一新建高炉出现的异常膨胀现象,对拆除的炉体基墩耐热混凝土试样进行了XRD及化学分析测试,结合耐热混凝土的原材料和配合比进行分析,认为造成该事故主要原因是高炉基墩耐热混凝土原材料中氧化镁含量过高,过量的氧化镁在特定环境条件下发生水化反应,从而产生较大的体积膨胀。鉴于耐热混凝土基础膨胀引起的炉体上涨现象在许多钢厂普遍存在,建议在耐热混凝土的配制原材料中对氧化镁含量应提出相应的要求。关键词:耐热混凝土;膨胀;氧化镁中图分类号:TU528.34文献标志码:A文章编号:1002-3550-(2007)02-0087-031高炉异常膨胀事故现象 某钢厂一新建高炉,设计容量为450m3。高炉最底
2、层的基墩采用普通水泥耐热混凝土,设计强度等级为C20、耐热度为400℃。基墩设计直径为8152mm(外径),设计厚度为1000mm,体积约52m3,耐热混凝土与高炉炉壳(厚28mm的钢板)之间采用压入泥浆填充。基墩混凝土采用现场配料、现场搅拌,在烘炉及随后的使用过程中发现:高炉炉体因异常膨胀而整体上涨,上涨平均高度为230mm,见图1;炉基部位变粗,直径增大约400mm,导致炉基基墩处炉壳纵向开裂,裂缝长度约1500mm,裂缝宽度约80mm。膨胀严重并导致高炉内煤气管断裂,建设方不得不于2004年11月将该高炉整体拆除,造成直接经济损失达几千万元。2高炉拆除时基墩耐热混凝土的状况 高炉拆除至
3、耐热混凝土基墩面时,可见基墩的表层混凝土已严重疏松粉化,用钢钎可插入混凝土内部,混凝土呈类似粉料与骨料的紧密堆积状态,用钻芯取样机无法取出成型的芯样。 混凝土的颜色呈白色,用风镐破除耐热混凝土时,被破除的内部混凝土基本上仍为松散或疏松的颗粒状态,混凝土骨料与粉料基本分离,无胶结现象,见图2,与正常的普通混凝土破除时的形态(破碎块较大,骨料基本不与胶凝材料分离)有明显区别。 拆除时基墩厚度约为1230mm,较使用前厚度增加了约230mm。所见混凝土中粗骨料较少,部分区域甚至看不到粗骨料。靠近高炉中心的部位,混凝土呈层状结构,见图3,犹如页岩的风化解理面。 在高炉拆除过程中还发现:高炉基墩以
4、上的部位基本完好。通过对高炉各部位的尺寸变化和基墩耐热混凝土的状态分析,可以肯定基墩耐热混凝土的异常膨胀是导致高炉上涨事故3耐热混凝土原材料及配合比 由建设单位提供的该高炉基墩耐热混凝土所用的原材料性能指标及配合比列于表1~3中。3.1混凝土原材料 采用32.5级矿渣硅酸盐水泥,各项指标达到国家标准,具体检测指标见表1。混凝土用粗骨料采用5~25mm粒径的耐火砖骨料;混凝土用细骨料采用0~5mm粒径的耐火砖骨料;拌和用水使用自来水。水泥和骨料的化学成分检验报告见表2。4基墩混凝土异常膨胀的原因分析 因缺乏成型后的耐热混凝土的相关性能数据,已无法确定在高炉开始使用时耐热混凝土的确切性能;而
5、配制上述部位耐热混凝土的各种原材料也已无法获取。因此,只能对在基墩破除过程中取得的耐热混凝土试样进行分析测试,以分析事故原因。4.1XRD分析 为探明混凝土中的主要化学成分和物相组成,确定产生膨胀作用的组分,对块状混凝土样和松散样中的粉料进行XRD分析,XRD图谱见图4、5。结果显示:粉料中含有的主要矿物有Mg(OH)2、MgO、SiO2、CaCO3等;块状样中的主要矿物有MgO、Mg(OH)2、SiO2、Al2O3、CaCO3及少量钙矾石。 对比混凝土原材料的化学成分可知:耐火砖骨料属于粘土质耐火砖(Al2O3%≥42),本身含有较多的Al2O3及一定量的SiO2、MgO。水泥中也含有一
6、定量的MgO,原材料检测结果表明所用的水泥MgO的含量为2.9%。试样检出的钙矾石应是水泥水化的正常产物,CaCO3为水泥的正常水化产物Ca(OH)2碳化后的结果;而Mg(OH)2应是后期水化的产物。从衍射峰值和衍射峰的强弱判断:水泥正常的水化产物———水化硅酸钙的数量偏少,粉状样和块状样中MgO和Mg(OH)2的含量却较高,总量约在20%以上。4.2化学成分分析 选取基墩不同部位的混凝土粉状样、块状样及粉状样中残存的粗骨料进行化学分析,结果见表4。 化学成分分析结果与XRD的测试结果基本一致,反映出混合料中除了含有水泥的水化产物(主要是SiO2和CaO的化合物)和耐热骨料的主要成分(主要
7、是Al2O3的化合物)外,混凝土中含较大量的MgO化合物,含量从11%~35%不等,并且硅、钙化合物的含量较低。4.3基墩混凝土膨胀的原因分析 结合以往的研究成果,从试样的化学成分上分析,混凝土中可能产生膨胀的组分,一是钙矾石,即高硫型水化硫铝酸钙,结构式是[Ca3Al(OH)6·12H2O](SO4)16·H2O],由于结晶中含有大量的结晶水而发生体积膨胀;二是方镁石(MgO),MgO在一定条
