某鋼廠高爐基墩耐熱混凝土事故原因分析

摘要: 針對(duì)某鋼廠一新建高爐出現(xiàn)的異常膨脹現(xiàn)象, 對(duì)拆除的爐體基墩耐熱混凝土試樣進(jìn)行了XRD 及化學(xué)分析測(cè)試, 結(jié)合耐熱混凝土的原材料和配合比進(jìn)行分析, 認(rèn)為造成該事故主要原因是高爐基墩耐熱混凝土原材料中氧化鎂含量過高, 過量的氧化鎂在特定環(huán)境條件下發(fā)生水化反應(yīng), 從而產(chǎn)生較大的體積膨脹。鑒于耐熱混凝土基礎(chǔ)膨脹引起的爐體上漲現(xiàn)象在許多鋼廠普遍存在, 建議在耐熱混凝土的配制原材料中對(duì)氧化鎂含量應(yīng)提出相應(yīng)的要求。

關(guān)鍵詞: 耐熱混凝土; 膨脹; 氧化鎂

中圖分類號(hào): TU528.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1002- 3550-( 2007) 02- 0087- 03

1 高爐異常膨脹事故現(xiàn)象

　　某鋼廠一新建高爐, 設(shè)計(jì)容量為450m3。高爐最底層的基墩采用普通水泥耐熱混凝土, 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20、耐熱度為400℃?；赵O(shè)計(jì)直徑為8 152mm( 外徑) , 設(shè)計(jì)厚度為1 000mm,體積約52m3, 耐熱混凝土與高爐爐殼( 厚28mm 的鋼板) 之間采用壓入泥漿填充。基墩混凝土采用現(xiàn)場(chǎng)配料、現(xiàn)場(chǎng)攪拌, 在烘爐及隨后的使用過程中發(fā)現(xiàn): 高爐爐體因異常膨脹而整體上漲, 上漲平均高度為230mm, 見圖1; 爐基部位變粗, 直徑增大約400mm, 導(dǎo)致爐基基墩處爐殼縱向開裂, 裂縫長度約1 500mm,裂縫寬度約80mm。

　　由于爐體異常膨脹嚴(yán)重并導(dǎo)致高爐內(nèi)煤氣管斷裂, 建設(shè)方不得不于2004 年11 月將該高爐整體拆除, 造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾千萬元。

2 高爐拆除時(shí)基墩耐熱混凝土的狀況

　　高爐拆除至耐熱混凝土基墩面時(shí), 可見基墩的表層混凝土已嚴(yán)重疏松粉化, 用鋼釬可插入混凝土內(nèi)部, 混凝土呈類似粉料與骨料的緊密堆積狀態(tài), 用鉆芯取樣機(jī)無法取出成型的芯樣。

　　混凝土的顏色呈白色, 用風(fēng)鎬破除耐熱混凝土?xí)r, 被破除的內(nèi)部混凝土基本上仍為松散或疏松的顆粒狀態(tài), 混凝土骨料與粉料基本分離, 無膠結(jié)現(xiàn)象, 見圖2, 與正常的普通混凝土破除時(shí)的形態(tài)( 破碎塊較大, 骨料基本不與膠凝材料分離) 有明顯區(qū)別。

　　拆除時(shí)基墩厚度約為1 230mm, 較使用前厚度增加了約230mm。所見混凝土中粗骨料較少, 部分區(qū)域甚至看不到粗骨料?？拷郀t中心的部位, 混凝土呈層狀結(jié)構(gòu), 見圖3, 猶如頁巖的風(fēng)化解理面。

　　在高爐拆除過程中還發(fā)現(xiàn): 高爐基墩以上的部位基本完好。通過對(duì)高爐各部位的尺寸變化和基墩耐熱混凝土的狀態(tài)分析, 可以肯定基墩耐熱混凝土的異常膨脹是導(dǎo)致高爐上漲事故

3 耐熱混凝土原材料及配合比

　　由建設(shè)單位提供的該高爐基墩耐熱混凝土所用的原材料性能指標(biāo)及配合比列于表1~3 中。

3.1 混凝土原材料

　　采用32.5 級(jí)礦渣硅酸鹽水泥, 各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn), 具體檢測(cè)指標(biāo)見表1。混凝土用粗骨料采用5~25mm 粒徑的耐火磚骨料; 混凝土用細(xì)骨料采用0~5mm 粒徑的耐火磚骨料; 拌和用水使用自來水。水泥和骨料的化學(xué)成分檢驗(yàn)報(bào)告見表2。

4 基墩混凝土異常膨脹的原因分析

　　因缺乏成型后的耐熱混凝土的相關(guān)性能數(shù)據(jù), 已無法確定在高爐開始使用時(shí)耐熱混凝土的確切性能; 而配制上述部位耐熱混凝土的各種原材料也已無法獲取。因此, 只能對(duì)在基墩破除過程中取得的耐熱混凝土試樣進(jìn)行分析測(cè)試, 以分析事故原因。

4.1 XRD 分析

　　為探明混凝土中的主要化學(xué)成分和物相組成, 確定產(chǎn)生膨脹作用的組分, 對(duì)塊狀混凝土樣和松散樣中的粉料進(jìn)行XRD分析, XRD 圖譜見圖4、5。結(jié)果顯示: 粉料中含有的主要礦物有Mg( OH) 2、MgO、SiO2、CaCO3 等; 塊狀樣中的主要礦物有MgO、Mg( OH) 2、SiO2、Al2O3、CaCO3 及少量鈣礬石。

　　對(duì)比混凝土原材料的化學(xué)成分可知: 耐火磚骨料屬于粘土質(zhì)耐火磚( Al2O3%≥42) , 本身含有較多的Al2O3 及一定量的SiO2、MgO。水泥中也含有一定量的MgO, 原材料檢測(cè)結(jié)果表明所用的水泥MgO 的含量為2.9%。試樣檢出的鈣礬石應(yīng)是水泥水化的正常產(chǎn)物, CaCO3 為水泥的正常水化產(chǎn)物Ca( OH) 2 碳化后的結(jié)果; 而Mg( OH) 2 應(yīng)是后期水化的產(chǎn)物。從衍射峰值和衍射峰的強(qiáng)弱判斷: 水泥正常的水化產(chǎn)物———水化硅酸鈣的數(shù)量偏少, 粉狀樣和塊狀樣中MgO 和Mg( OH) 2 的含量卻較高, 總量約在20%以上。

4.2 化學(xué)成分分析

　　選取基墩不同部位的混凝土粉狀樣、塊狀樣及粉狀樣中殘存的粗骨料進(jìn)行化學(xué)分析, 結(jié)果見表4。

　　化學(xué)成分分析結(jié)果與XRD 的測(cè)試結(jié)果基本一致, 反映出混合料中除了含有水泥的水化產(chǎn)物( 主要是SiO2 和CaO 的化合物) 和耐熱骨料的主要成分( 主要是Al2O3 的化合物) 外, 混凝土中含較大量的MgO 化合物, 含量從11%~35%不等, 并且硅、鈣化合物的含量較低。

4.3 基墩混凝土膨脹的原因分析

　　結(jié)合以往的研究成果, 從試樣的化學(xué)成分上分析, 混凝土中可能產(chǎn)生膨脹的組分, 一是鈣礬石, 即高硫型水化硫鋁酸鈣,結(jié)構(gòu)式是[Ca3Al( OH) 6·12H2O]( SO4) 16·H2O], 由于結(jié)晶中含有大量的結(jié)晶水而發(fā)生體積膨脹; 二是方鎂石( MgO) , MgO 在一定條件下水化生成體積較大且沒有膠結(jié)能力的Mg( OH) 2。

　　從測(cè)試結(jié)果看, 試樣中含量最多的是Al2O3 及其化合物, 它們是耐火磚粗細(xì)集料的主要成分。由于耐火磚是高溫?zé)傻闹破? 其熱穩(wěn)定性能非常好, 用耐火磚做骨料的耐熱混凝土已大量使用, 通過XRD 檢測(cè)也并沒有發(fā)現(xiàn)混凝土樣中有較多量的鈣礬石產(chǎn)物。因此, 我們認(rèn)為基墩膨脹不是因鈣礬石引起的。

　　試樣中過高含量的MgO 必須關(guān)注, 這些氧化鎂包括耐火磚粗細(xì)骨料中的MgO 和水泥中的MgO。MgO 一般由原料中的MgCO3 在高溫下分解而成, 其化學(xué)親合性很小, 在高溫煅燒時(shí)不易與其他氧化物化合而是以游離態(tài)存在, 常稱為方鎂石。耐火磚的燒成溫度根據(jù)品種的不同, 一般在1 400℃以上, 有的甚至達(dá)到1 900℃; 水泥熟料的煅燒溫度為1 450℃左右[1], 因此水泥以及耐火磚骨料中的MgO 均應(yīng)以方鎂石的形式存在。

　　因?yàn)樵谠牧蠙z測(cè)報(bào)告中水泥和粗細(xì)骨料中的MgO 含量均低于試樣中的檢測(cè)出的MgO 含量, 這個(gè)現(xiàn)象無法解釋。因?yàn)樗嗟腗gO 含量不太可能高至這種程度, 過量的MgO 應(yīng)該來自骨料。而提供耐火磚骨料的生產(chǎn)廠是一家鎂砂廠, 耐熱混凝土所用的骨料中很有可能混有鎂砂或鎂磚, 鎂砂或鎂磚也是一種堿性耐火材料( 或耐火磚) , 其MgO 含量一般在90%以上。它們?cè)谑┕み^程中是嚴(yán)禁有水的, 包括不能受潮。方鎂石( 結(jié)晶氧化鎂) 在常溫下水化速度極慢, 在水化過程中伴隨體積膨脹。據(jù)有關(guān)資料介紹[2], 因方鎂石水化引起的體積膨脹為148%, 最高的甚至達(dá)到2 倍。同時(shí)研究表明,MgO 水化生成Mg( OH) 2 的速度與溫度有關(guān), 溫度越高水化速度越快, MgO 膨脹速率與MgO 的水化速度成正比[3,4]。

　　由于水泥生產(chǎn)過程中經(jīng)高溫煅燒而產(chǎn)生的f-CaO 和MgO水化速度緩慢, 水化生成Ca( OH) 2 和Mg( OH) 2 時(shí)會(huì)發(fā)生較大的體積膨脹, 使水泥石產(chǎn)生變形開裂甚至崩潰, 所以一般在水泥熟料生產(chǎn)過程中都對(duì)f-CaO 和MgO 的含量進(jìn)行嚴(yán)格控制[1]。

　　由f-CaO 引起的水泥安定性合格與否, 在水泥的常規(guī)物理性能檢測(cè)中用沸煮法即可定性檢驗(yàn)。MgO 的水化速度較f-CaO更加緩慢, 甚至在水泥硬化幾年后才開始慢慢水化, 用沸煮法也無法定性檢驗(yàn)其引起的安定性問題, 必須用壓蒸法( 215.7℃的飽和水蒸氣處理3h, 其對(duì)應(yīng)壓力為2.0MPa) 檢測(cè)。水泥國家標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定水泥熟料中MgO 的含量必須小于5%, 如經(jīng)壓蒸安定性試驗(yàn)合格, 則允許放寬到6%。為了檢驗(yàn)因方鎂石可能引起的水泥安定性問題, 我國專門制訂了標(biāo)準(zhǔn)GB/T750-9《2 水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》。

　　為進(jìn)一步分析原因, 選取外觀較好的塊狀試樣進(jìn)行沸煮和壓蒸試驗(yàn): 將塊狀試樣在沸煮箱中沸煮4h( 100℃的水中, 無壓力) , 試樣外觀無變化; 在180℃, 1.5MPa 的飽和蒸汽壓下處理

3h, 塊狀試樣全部松散( 見圖6、7) , 選取粉狀樣中的粗骨料進(jìn)行__上述試驗(yàn), 粗骨料完好未見破壞。

　　耐熱混凝土是一種能長期承受200℃以上的高溫而性能滿足要求的混凝土。高爐基墩混凝土承受的溫度設(shè)計(jì)為400℃, 雖然實(shí)際工作情況達(dá)不到400℃, 但至少應(yīng)在200℃以上。高爐外爐殼自下而上為一整體, 使其中的基墩處于密閉狀態(tài)。在高爐工作時(shí), 基墩混凝土毛細(xì)孔中殘留的水分受熱蒸發(fā), 從而產(chǎn)生的蒸汽壓應(yīng)在1.5MPa 以上。因此可以認(rèn)為: 基墩混凝土是處于200℃、1.5MPa 以上的飽和蒸汽壓下工作, 在此環(huán)境條件下, 水泥或骨料中的方鎂石加速水化, 生成體積較大且沒有膠結(jié)能力的Mg( OH) 2, 因膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土膨脹, 將高爐頂起。

5 結(jié)論

　　引起高爐基墩耐熱混凝土異常膨脹的主要原因是混凝土原材料中的耐熱骨料中含有較多的MgO( 方鎂石) , 在特定環(huán)境條件下發(fā)生水化反應(yīng), 產(chǎn)生較大的體積膨脹而造成的。此外, 混凝土中粗骨料較少, 粉料較多, 混凝土的體積穩(wěn)定性較差也是造成混凝土嚴(yán)重膨脹事故的原因之一。

　　建議在配制耐熱混凝土?xí)r對(duì)所選用的水泥及所用的耐火骨料進(jìn)行化學(xué)分析或壓蒸安定性試驗(yàn), 嚴(yán)格控制其中MgO 的含量。耐熱混凝土作為一種特種混凝土, 國家目前尚未制訂相關(guān)的檢測(cè)和評(píng)定規(guī)范, 其特殊的使用環(huán)境對(duì)性能的特殊要求沒有引起相關(guān)單位的重視, 各施工單位往往隨意配制。據(jù)調(diào)查, 因耐熱混凝土基礎(chǔ)膨脹引起的爐體上漲現(xiàn)象在許多鋼廠中普遍存在。這一問題應(yīng)引起國家有關(guān)研究和設(shè)計(jì)部門的重視。

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