高鈦重礦渣混凝土研究

摘要：高鈦重礦渣是高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時(shí)產(chǎn)生的熔融礦渣在空氣中自然冷卻或水冷形成的一種由鈦輝石、鈣鈦礦等礦物為主的石質(zhì)材料〔1〕。西昌市攀鋼二基地排放的高爐礦渣由于含有15%-25%的二氧化鈦（TiO2），氧化鈣含量較高爐礦渣低，理化性能與普通高爐礦渣有明顯差異，因此，被稱高鈦重礦渣[2]。研究其作為粗細(xì)集料替代天然河砂、碎石，制備混凝土，降低工程造價(jià)，是高鈦重礦渣綜合利用的有效途徑之一。

關(guān)鍵詞：高鈦重礦渣；替代；砂石；混凝土；性能

0前言

西昌市攀鋼二基地排放的高鈦重礦渣至今有400萬噸未被利用，而且每年還以300萬噸的排放量逐年增加。一方面為了堆存高鈦重礦渣需要大量土地，對(duì)社會(huì)的生態(tài)影響較大；另一方面，西昌市的城市建設(shè)每年需要消耗大量碎石、卵石、砂，過度的開發(fā)造成自然植被的破壞，造成水土流失。高鈦重礦渣能否被綜合利用，不僅影響到西昌攀鋼二基地、西昌市社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且對(duì)節(jié)約自然資源，降低工程成本，保護(hù)安寧河生態(tài)環(huán)境等有重要的意義。

利用高鈦重礦渣強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。研究其作為粗細(xì)集料替代天然河砂、碎石，制備高性能混凝土，降低工程造價(jià)[3]。通過試驗(yàn)掌握高鈦重礦渣對(duì)混凝土性能影響，確定將涼山瑞海冶金渣綜合利用分公司生產(chǎn)的高鈦重礦渣大量應(yīng)用于涼山州建設(shè)工程中，減少對(duì)涼山州河流的過度開發(fā)，降低涼山州工程造價(jià)，保護(hù)涼山州生態(tài)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)為高鈦重礦渣綜合利用開拓一條新的途徑。

1原材料分析

1.1水泥：采用四川嘉華錦屏特種水泥有限公司生產(chǎn)的隆冠P.C32.5R（fce28=38.1MPa）、隆冠P.O42.5R（fce28=50.2MPa）。

1.2細(xì)骨料：（1）天然砂：比對(duì)試驗(yàn)用的砂為安寧河天然河砂。其細(xì)度模數(shù)2.34，堅(jiān)固性2.5%，含泥量2.6%，表觀密度2670 kg/m3，堆積密度1540kg/m3。（2）高鈦重礦渣砂：涼山瑞海冶金渣綜合利用分公司加工生產(chǎn)的高鈦重礦渣砂是人工砂。其細(xì)度模數(shù)2.37，堅(jiān)固性1.6%，渣粉含量12.1%，表觀密度3180kg/m3，堆積密度1760kg/m3。

1.3粗骨料：本次粗骨料研究試驗(yàn)是高鈦重礦渣碎石與普通人工碎石的對(duì)比試驗(yàn)，普通人工碎石采用的是安寧河人工碎石。（1）碎石：對(duì)比研究試驗(yàn)采用安寧河5mm～25mm碎石。其堅(jiān)固性0.5%，壓碎指標(biāo)7%，堆積密度1540㎏/m3，表觀密度2680㎏/m3。（2）高鈦重礦渣：涼山瑞海冶金渣綜合利用分公司加工生產(chǎn)的高鈦重礦渣碎石。其公稱粒徑5mm～25mm碎石，堅(jiān)固性0.6%，壓碎指標(biāo)10%，堆積密度1470㎏/m3，表觀密度2970㎏/m3。

1.4拌和水：室內(nèi)混凝土試驗(yàn)使用西昌市西寧自來水。

2高鈦重礦渣混凝土研究試驗(yàn)

2.1高鈦重礦渣碎石對(duì)混凝土力學(xué)性能影響研究

通過配制C20-C50（備注：C20、C30強(qiáng)度等級(jí)采用隆冠P.C32.5R水泥配制；C40、C50強(qiáng)度等級(jí)隆冠P.O42.5R水泥配制，以下相同）設(shè)計(jì)強(qiáng)度的高鈦重礦渣碎石+安寧河天然砂的混凝土，在水泥用量相同、設(shè)計(jì)強(qiáng)度相同、坍落度基本一致的條件下與安寧河人工碎石+安寧河天然砂配制的普通混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，比較分析其混凝土濕容重，含氣量，7d、28天抗壓強(qiáng)度；28d劈裂抗拉強(qiáng)度。試配各強(qiáng)度等級(jí)混凝土配比拌合物性能見表1。

為了便于直觀比較，采用柱狀、折線分析圖見圖1。

從表1和圖1可以看出：在每1m3混凝土水泥用量相同、拌合物坍落度接近的情況下，高鈦重礦渣碎石混凝土與安寧河碎石混凝土對(duì)比，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均高于后者，其濕容重比普通安寧河碎石混凝土略大、含氣量比普通安寧河碎石混凝土大。其原因是高鈦重礦渣碎石表面粗糙、多孔、吸水率大，比普通安寧河碎石混凝土砂率大3%～4%，用水量比普通碎石混凝土大25kg～45kg。高鈦重礦渣碎石表面積更大，與水泥砂漿粘接能力更強(qiáng)；另外，高鈦重礦渣碎石中無針片狀顆粒，粒形優(yōu)于安寧河碎石，力學(xué)性能得以改善。

2.2細(xì)骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

為了研究高鈦重礦渣砂（高鈦重礦渣砂與普通天然砂）對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配制了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20～C50普通土混凝土8組，在膠凝材料用量相同，強(qiáng)度等級(jí)相同，坍落度基本一致的條件下，按計(jì)算配比制作試塊養(yǎng)護(hù)，每批分別測(cè)其7d、28d抗壓強(qiáng)度，28d劈裂抗拉強(qiáng)度，并綜合評(píng)判其和易性，測(cè)其拌合物濕容重。具體配比及所測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

由表2可以看出，在膠凝材料用量相同，坍落度基本相同的情況下，采用高鈦重礦渣渣砂替代安寧河河砂，礦渣砂混凝土與普通天然河砂混凝土相比，其每1m3混凝土用水量大15kg～20kg，濕容重更大，含氣量接近或略大，砼7d、28d抗壓強(qiáng)度，28天劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定的提高或接近。一般提高2MPa～4MPa，這是由于渣砂與天然砂相比，沒有含泥量、泥塊含量，高鈦重礦渣砂表面粗糙與水泥凝膠體粘結(jié)性能提高，高鈦重礦渣碎石、渣砂中含的渣粉具有一定活性，綜合作用導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度提高。

2.3全高鈦重礦渣與普通砂石混凝土力學(xué)性能對(duì)比

為了對(duì)比全高鈦重礦渣混凝土與普通砂石混凝土力學(xué)性能對(duì)比，試驗(yàn)配制了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20～C50的全高鈦重礦渣混凝土與普通砂石混凝土試塊8組。在膠凝材料（水泥）用量相同，坍落度基本相同的情況下，分別測(cè)其7d、28d抗壓、28d劈裂抗拉強(qiáng)度，具體配比及拌合物性能指標(biāo)見表3。

從表3可以看出，普通全高鈦重礦渣混凝土與天然砂石配制的普通混凝土在膠凝材料用量相同、坍落度基本相同的條件下，7d、28d抗壓強(qiáng)度、28d劈裂抗拉強(qiáng)度較后者都要高。其原因是：（1）高鈦重礦渣碎石、渣砂吸水率大，這些吸附水先儲(chǔ)存于礦渣，使水泥水化反應(yīng)更充分，有利于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。（2）高鈦重礦渣碎石表面粗糙、多孔、表面積大，混凝土界面結(jié)構(gòu)中的凝膠體與礦渣碎石接觸面增大，粘結(jié)強(qiáng)度提高。（3）高鈦重礦渣表面粗糙，無針片狀顆粒，粒形好，無含泥量、泥塊含量等有機(jī)質(zhì)成分，其力學(xué)性能得到改善。（4）高鈦重礦渣碎石、渣砂中存在少量活性成分，在水泥水化的堿激發(fā)作用下，活性得到發(fā)揮，強(qiáng)度增長(zhǎng)。

2.4研究結(jié)論

在對(duì)高鈦重礦渣作混凝土粗細(xì)骨料可行性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)普通型全高鈦重礦渣混凝土進(jìn)行試配，測(cè)試其各方面性能指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

（1）由于高鈦重礦渣粗細(xì)集料表面粗糙、孔隙率較大，需要更多漿體來包裹填充粗細(xì)骨料，可采用提高砂率、增大用水量的方式來改善混凝土和易性，其中砂率約提高3～4%，用水量增加35～50kg/m3。通過這些措施，全高鈦重礦渣混凝土與天然砂、碎石配制普通混凝土相比，其拌和物性能一致。

（2）使用高鈦重礦渣碎石替代普通碎石、使用高鈦重礦渣砂替代普通河砂以及使用全高鈦重礦渣替代普通碎石+河砂方案，在水泥用量相同、和易性一致的情況下，均能提高混凝土抗壓、劈拉強(qiáng)度，但提高幅度有差異。其中使用高鈦重礦渣碎石替代普通碎石方案7d、28d抗壓強(qiáng)度、28d劈拉強(qiáng)度分別提高7%、9%、4%；使用高鈦重礦渣砂替代普通河砂方案7d、28d抗壓強(qiáng)度、28d劈拉強(qiáng)度分別提高5%、5%、3%；使用全高鈦重礦渣替代普通砂石方案強(qiáng)度提高幅度較大，7d、28d抗壓強(qiáng)度、28d劈拉強(qiáng)度分別提高12%、13%、24%。因此使用以上方案在保持混凝土強(qiáng)度一致的情況下，可以達(dá)到節(jié)約水泥的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]何小龍，全高鈦礦渣混凝土的研究與應(yīng)用[D]重慶大學(xué)，2006。

[2]江海民、牟延敏、丁慶軍。高鈦重礦渣混凝土的工作性能研究?；炷?011年第5期。

[3]黃雙華、陳偉、孫金坤。陳加耘，高鈦高爐渣新型建筑材料，2006，11〔4〕：41-75。