高鈦重礦渣粗骨料在抗沖耐磨混凝土中的應(yīng)用研究

葉 新，李朝政，張 虹

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

高鈦重礦渣是攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時產(chǎn)生的一種無機材料，主要成分有鈦輝石、鈣鈦礦等礦物。攀鋼高鈦重礦渣水化活性低，不適合作為礦物摻和料進行資源化利用。攀鋼公司有大量的高鈦重礦渣未得到有效利用，迫切需要研究開發(fā)攀鋼高鈦重礦渣規(guī)模化、資源化的高效利用技術(shù)[1-4]。

某水電站是金沙江中游河段規(guī)劃的8個梯級電站的最末一個梯級，壩高159 m，泄洪建筑物過流面最大流速43 m/s，工程擬采用較高強度等級的C9050混凝土作為主要的抗沖耐磨層[5]。該水電站工程離攀鋼高鈦重礦渣堆的直線距離較近，針對高鈦重礦渣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、多孔高強、比重大的物理特質(zhì)，開展了采用攀鋼高鈦重礦渣做為抗沖耐磨混凝土粗骨料的相關(guān)試驗研究工作。

1 試驗原材料

1.1 攀鋼高鈦重礦渣粗骨料

攀鋼高鈦重礦渣粗骨料顏色為深咖啡色，有大量孔洞，飽和面干吸水率大，堆積密度較小，空隙率大。攀鋼高鈦重礦渣粗骨料檢測結(jié)果列于表1、表2。

試驗結(jié)果表明高鈦重礦渣粗骨料表觀密度、超遜徑含量、堅固性、有機質(zhì)含量、硫化物及硫酸鹽含量均滿足規(guī)范對粗骨料的品質(zhì)要求[6]，由于存在孔洞，飽和面干吸水率和壓碎指標偏大。

表1 攀鋼高鈦重礦渣粗骨料性能(一)

表2 攀鋼高鈦重礦渣粗骨料性能(二)

1.2 其它原材料

其它試驗原材料包括：42.5級中熱硅酸鹽水泥，分選Ⅰ級粉煤灰，膠凝材料主要化學(xué)性能見表3[7-8]；采用石灰?guī)r人工骨料進行對比試驗，灰?guī)r骨料性能符合一般規(guī)律，表觀密度為2 720 kg/m3，壓碎指標為7.1% ；采用緩凝高效減水劑和高效型引氣劑；抗沖磨材料采用PVA纖維，主要性能見表4。

表3 膠凝材料化學(xué)成分

2 抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計

該水電站采用較高強度等級的C9050混凝土作為主要的抗沖耐磨層，抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計技術(shù)要求見表5。

表4 PVA纖維性能

本次試驗采用單摻粉煤灰以及復(fù)摻PVA纖維和粉煤灰兩種抗沖耐磨混凝土，分別采用灰?guī)r粗骨料和高鈦重礦渣粗骨料開展對比試驗研究。根據(jù)常態(tài)基準混凝土試驗結(jié)果，經(jīng)過試拌調(diào)整和回歸分析[9-10]，得到滿足技術(shù)要求的抗沖耐磨混凝土配合比列于表6。

表5 混凝土設(shè)計技術(shù)要求

表6 C9050W8F100二級配常態(tài)抗沖耐磨混凝土配合比

采用灰?guī)r粗骨料單摻粉煤灰時，用水量為108 kg/m3，摻入PVA纖維時，用水量增加為115 kg/m3；粗骨料采用攀鋼高鈦重礦渣時，由于礦渣有較多孔，不用摻引氣劑，且砂率由37%增加到43%，單摻粉煤灰時用水量為120 kg/m3，摻入PVA纖維時用水量為130 kg/m3。

3 高鈦重礦渣粗骨料對抗沖耐磨混凝土性能的影響

3.1 力學(xué)性能

采用高鈦重礦渣粗骨料和灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土強度均能滿足設(shè)計要求，90 d齡期抗壓強度均可達60.0 MPa，軸拉強度可達4.0 MPa，靜壓彈模和軸拉彈模均達到40 GPa，采用兩種粗骨料的混凝土強度齡期發(fā)展系數(shù)相差不大，采用灰?guī)r粗骨料的混凝土彈性模量略大于采用高鈦重礦渣粗骨料的混凝土彈性模量，可能跟高鈦重礦渣粗骨料孔隙率較大有關(guān)[11]。

相同條件下，采用高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土強度明顯高于采用灰?guī)r粗骨料的混凝土強度，分析原因為多孔的礦渣碎石表面導(dǎo)致漿體接觸面積變大，形成銷栓效應(yīng)[12]，增強了界面的粘結(jié)力，同時造成骨料含水率高，鎖水性能提升，后期水化過程中不斷釋放加強了混凝土的內(nèi)養(yǎng)護[13]。具體試驗成果見表7、表8。

表7 抗沖耐磨混凝土力學(xué)性能

表8 抗沖耐磨混凝土彈性模量

3.2 變形性能

(1) 極限拉伸值。試驗成果表明采用高鈦重礦渣粗骨料和灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土極限拉伸值相差不大，設(shè)計齡期和各個長齡期的抗沖耐磨混凝土極限拉伸值均大于100×10-6。

(2) 干縮。試驗表明抗沖耐磨混凝土干縮率與用水量正相關(guān)，復(fù)摻粉煤灰和PVA的混凝土干縮率高于單摻粉煤灰的混凝土干縮率，采用高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土干縮率大于采用灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土干縮率，單摻粉煤灰時，180 d齡期的干縮率分別為190×10-6和313×10-6，復(fù)摻粉煤灰和PVA時，180 d齡期的干縮率分別為242×10-6和333×10-6，數(shù)據(jù)圖分析來看，混凝土早齡期時干縮率增大較快，隨時齡期的增加，干縮率的變化率逐漸減少，最后趨于收斂[14]，干縮率曲線見圖1。

(3) 自生體積變形。采用灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土自生體積變形基本呈微收縮變形[15]，測至180 d齡期時，變形值在-5×10-6～0之間，采用高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土自生體積變形為微膨脹型，測至180 d齡期時，變形值在15×10-6～74×10-6之間，自生體積變形曲線見圖2。

圖1 混凝土干縮率曲線

3.3 耐久性

(1) 抗凍、抗?jié)B性能。試驗表明采用高鈦重礦渣粗骨料和灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土抗?jié)B、抗凍性能相差不大，抗?jié)B等級均大于W8，抗凍等級均大于F100，能夠滿足工程的設(shè)計要求。相同條件下，采用高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土與采用灰?guī)r粗骨料時對比，滲透試驗的平均滲徑略大，凍融試驗的質(zhì)量損失率略大和相對動彈模略小[16]。

圖2 混凝土自生體積變形曲線

(2) 抗沖耐磨性能。試驗成果表明采用抗沖耐磨PVA材料的混凝土抗沖磨強度高于單摻粉煤灰的混凝土，采用水下鋼球法，攀鋼高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土抗沖磨強度可達17.1 h/(kg/m2)，磨損率可低至1.78%，抗沖磨性能明顯優(yōu)于采用灰?guī)r粗骨料的混凝土，抗沖耐磨混凝土抗沖耐磨性能試驗結(jié)果列于表9。

表9 抗沖耐磨混凝土抗沖耐磨性能

3.4 熱學(xué)性能

采用灰?guī)r粗骨料復(fù)摻PVA纖維的抗沖耐磨混凝土絕熱溫升回歸方程為：Tr=43.48(t-0.60)/(t+1.526)，28 d絕熱溫升為42.4℃，線膨脹系數(shù)為5.731×10-6/℃，采用攀鋼高鈦重礦渣粗骨料復(fù)摻PVA纖維的抗沖耐磨混凝土絕熱溫升回歸方程為：Tr=49.50t/(t+2.035)，28 d絕熱溫升為46.1℃，線膨脹系數(shù)為7.302×10-6/℃。試驗表明采用攀鋼高鈦重礦渣粗骨料的混凝土與采用灰?guī)r粗骨料的混凝土相比，28 d絕熱溫升和線膨脹系數(shù)略大。

4 結(jié) 論

(1) 攀鋼高鈦重礦渣粗骨料干態(tài)表觀密度達到2 900 kg/m3，但由于存在較多孔洞，其孔隙率、飽和面干吸水率以及壓碎指標均比灰?guī)r粗骨料大。

(2) 相同條件下，由于攀鋼高鈦重礦渣粗骨料孔隙率和吸水率大，采用礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土單位用水量比采用灰?guī)r粗骨料的抗沖磨混凝土增加約10 kg/m3，砂率增加約5%。

(3) 采用攀鋼高鈦重礦渣粗骨料的抗沖耐磨混凝土抗壓強度高于采用灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土，其它力學(xué)性能、極限拉伸值、抗凍抗?jié)B和熱學(xué)性能相差不大，前者干縮率大、自生體積變形基本呈微膨脹型，后者自生體積變形基本呈微收縮變形，前者抗沖磨強度明顯高于后者。

(4) 總體來看，采用攀鋼高鈦重礦渣粗骨料和灰?guī)r粗骨料的抗沖耐磨混凝土力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能和耐久性能均能滿足設(shè)計要求，采用攀鋼高鈦重礦渣粗骨料可明顯提升該水電站抗沖耐磨混凝土的抗沖磨強度，并能帶來一定的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。