高鈦高爐渣在混凝土材料中的應(yīng)用

摘要：高鈦高爐渣是攀鋼公司煉鐵后產(chǎn)生的特有礦渣，由于TiO2 含量較高，礦渣的綜合利用率低，近年來不斷開發(fā)高鈦礦渣在混凝土中的應(yīng)用。從高鈦礦渣的物理力學(xué)性能、高鈦渣混凝土的配合比設(shè)計(jì)和使用性能等方面，對高鈦礦渣混凝土的應(yīng)用進(jìn)行介紹。實(shí)踐表明，高鈦礦渣混凝土性能優(yōu)良，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好。

關(guān)鍵詞：高鈦礦渣；高爐渣；混凝土；應(yīng)用

中圖分類號：TQ172.4+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001- 702X（2006）11- 0071- 03

　　攀鋼高爐冶煉使用的釩鈦磁鐵礦冶煉后形成的高爐渣，其化學(xué)成分見表1。

　　由于礦物成分中含一定量的TiO2，給礦渣的后序加工處理帶來了困難, 一直采取露天堆置存放。攀鋼自投入生產(chǎn)以來，已存放了6 000 萬t 的高爐渣，占用了大量土地，污染環(huán)境，且每年新增300 萬t 高爐渣，因此高爐渣的利用已成為政府和企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題。

　　攀鋼高爐渣中的化學(xué)成分，其中TiO2 含量約占22%，故稱高鈦高爐渣。將其作為提煉鈦金屬原料，品相太低，經(jīng)濟(jì)性差，目前仍在試驗(yàn)室研究階段。根據(jù)JC 418—91《用于水泥中的粒化高爐渣》的規(guī)定，TiO2 含量超過10%的高爐渣只能作為水泥中非活性材料，因而攀鋼高爐渣不能像其他煉鋼廠的礦渣一樣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥。20 世紀(jì)70 年代后，有關(guān)單位進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將高爐渣破碎后作為混凝土粗骨料。2002 年后，高鈦高爐渣大規(guī)模應(yīng)用于建筑材料中，主要應(yīng)用項(xiàng)目有混凝土礦渣粗細(xì)骨料、礦渣砌塊、礦渣商品混凝土、礦渣陶瓷、礦渣復(fù)合微粉等，其中混凝土粗細(xì)骨料年消耗量達(dá)200 萬t 左右，加上其他項(xiàng)目應(yīng)用，高鈦高爐渣達(dá)到產(chǎn)銷平衡。

1 高鈦礦渣骨料基本物理力學(xué)性能

1.1 高鈦礦渣粒徑與密度關(guān)系

　　高鈦高爐渣出爐后在高溫狀態(tài)下，經(jīng)水淬急冷，再經(jīng)破碎形成渣石、渣砂。因其含鈦量高，也稱為高鈦重礦渣。高鈦重礦渣的粒徑與表觀密度、堆積密度關(guān)系見表2。

1.2 高鈦重礦渣砂的性能指標(biāo)（見表3）

　　高鈦重礦渣砂壓碎指標(biāo)與抗壓強(qiáng)度、表觀密度、堆積密度、孔隙率沒有太大關(guān)系，壓碎指標(biāo)波動較小，均在碎石壓碎指標(biāo)Ⅱ類范圍內(nèi)。試驗(yàn)測得高鈦重礦渣沖擊強(qiáng)度為2.0～5.0MPa，具有良好的抗沖擊韌性；高鈦重礦渣碎石的磨耗率為16.1%，韌度為76.5，接近天然石灰?guī)r碎石的性能指標(biāo)。

2 高鈦重礦渣混凝土性能

2.1 全高鈦重礦渣混凝土

　　部分或全部采用高鈦重礦渣碎石或砂作為骨料配置的混凝土中，粗細(xì)骨料均為高鈦礦渣的稱為全高鈦重礦渣混凝土。在相同配比條件下，采用全高鈦重礦渣與天然骨料配制的混凝土對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全高鈦重礦渣混凝土的強(qiáng)度比采用天然骨料的高，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

　　分析全礦渣混凝土強(qiáng)度較普通骨料混凝土強(qiáng)度高的主要原因：一是礦渣碎石表面粗糙、多孔，與漿體接觸面積增大，漿體注入骨料孔中，形成銷栓效應(yīng)，增強(qiáng)了骨料和膠體界面的粘結(jié)力。二是礦渣骨料含水率較高，這些水分在膠體材料硬化過程中逐漸釋放出來，促進(jìn)了水泥膠體向結(jié)晶體的轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)了混凝土的養(yǎng)護(hù)。三是礦渣骨料中無針片狀顆粒，骨料受力性能好。

　　礦渣砂混凝土的強(qiáng)度較天然砂混凝土的強(qiáng)度也有較大幅度提高，一般提高5 MPa 左右，這是因?yàn)樵芭c天然砂相比沒有含泥量，且渣砂中的渣粉有活性，對混凝土強(qiáng)度增長有益。

2.2 摻和料對混凝土強(qiáng)度的影響

　　復(fù)合微粉是指將?；郀t鈦礦渣、鋼渣、粉煤灰等磨細(xì)后復(fù)配而成的礦渣粉，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的?；郀t渣粉》。摻和料可選取粉煤灰和復(fù)合微粉。經(jīng)試驗(yàn)配制C30 混凝土，分別以15%、20%、25%的摻量取代等量水泥，結(jié)果表明，摻和料比例越高的混凝土，工作性能越好。在摻入適量摻和料的情況下，混凝土的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土略有提高。因此，為了改善混凝土工作性能，應(yīng)摻入15%~20%的復(fù)合摻合料。

2.3 混凝土堿集料反應(yīng)

　　試驗(yàn)采用快速壓蒸法，按CECS 48—93《砂、石堿性活性快速試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.4 礦渣道路混凝土

　　道路混凝土不配置鋼筋，其控制指標(biāo)是抗折強(qiáng)度（彎拉強(qiáng)度），其次是坍落度控制在10 mm 內(nèi)，面層應(yīng)考慮耐磨性。選取水膠比、砂率及復(fù)合微粉取代率的3 因素4 水平（43）試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了16 組高鈦重礦渣道路混凝道路試塊，進(jìn)行抗折強(qiáng)度正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表6。

　　各因素、水平對7 d、28 d 混凝土抗折強(qiáng)度的影響試驗(yàn)見圖1、圖2。由圖1、圖2 可見，對道路混凝土7 d 抗折強(qiáng)度影響的大小依次是水膠比>復(fù)合微粉取代率>砂率；對28 d 抗折強(qiáng)度影響的大小依次是水膠比>砂率>復(fù)合微粉取代率。

　　綜合結(jié)果表明，影響混凝土抗折強(qiáng)度的決定因素是水膠比，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制。

3 工程應(yīng)用

　　自20 世紀(jì)70 年代以來，已有數(shù)10 萬m3 的高鈦礦渣混凝土在工業(yè)建筑的基礎(chǔ)、柱、梁、預(yù)制屋面板，住宅和辦公樓基礎(chǔ)、柱、地梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，城區(qū)道路，構(gòu)筑物中的水池、人防領(lǐng)域等的工程項(xiàng)目中應(yīng)用。經(jīng)過20 多年使用，至今完好無損，說明高鈦重礦渣混凝土結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

　　近年來，全高鈦重礦渣混凝土已應(yīng)用于高層框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，在城市道路的路面混凝土和穩(wěn)定層部分也有使用。無論是建筑工程還是道路工程都未發(fā)現(xiàn)工程質(zhì)量問題，技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都優(yōu)于同級天然骨料普通混凝土。

4 需要進(jìn)一步研究的問題

　　高鈦重礦渣混凝土作為一種新型建筑材料，理論研究和施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)還有待積累，尤其以下方面要引起足夠重視。

4.1 施工工藝

　　為了保證混凝土拌合料的和易性，須加入摻和料，砂率比普通混凝土增大4%～7%。應(yīng)采用機(jī)械強(qiáng)制性攪拌，拌制前，對礦渣骨料充分濕水，控制振搗時(shí)間，避免過振，發(fā)現(xiàn)骨料上浮時(shí)，應(yīng)立即拍平。

4.2 理論和試驗(yàn)研究

　　目前僅開展骨料的材料性質(zhì)和混凝土試塊強(qiáng)度研究，要盡快研究鋼筋和礦渣混凝土共同工作性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。高爐渣混凝土的徐變性能、抗?jié)B性能、耐久性以及高爐渣混凝土與鋼筋的握裹性能等有待深入研究。

4.3 在水工混凝土和高速公路中的開發(fā)應(yīng)用研究

　　水利工程和高速公路的混凝土用量巨大，若能在該領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，對于高鈦礦渣混凝土是很有意義的。

5 結(jié)束語

　　高鈦重礦渣混凝土是技術(shù)指標(biāo)合格，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良的新型建筑材料，在土木工程中作為普通混凝土和鋼筋混凝土均有廣泛的推廣價(jià)值，同時(shí)高鈦重礦渣混凝土的成功應(yīng)用，對于保護(hù)環(huán)境，廢渣利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)均有重大意義。

參考文獻(xiàn):

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