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產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]。研究其作為粗細集料替代天然河砂、碎石，制備混凝土，降低工程造價，是高鈦重礦渣綜合利用的有效途徑之一。

關鍵詞：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，對社會的生態影響較大；另一方面，西昌市的城市建設每年需要消耗大量碎石、卵石、砂，過度的開發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、西昌市社會的可持續發展，而且對節約自然資源，降低工程成本，保護安寧河生態環境等有重要的意義。

利用高鈦重礦渣強度高、化學穩定性好的特點。研究其作為粗細集料替代天然河砂、碎石，制備高性能混凝土，降低工程造價[3]。通過試驗掌握高鈦重礦渣對混凝土性能影響，確定將涼山瑞海冶金渣綜合利用分公司生產的高鈦重礦渣大量應用于涼山州建設工程中，減少對涼山州河流的過度開發，降低涼山州工程造價，保護涼山州生態系統，具有很強的現實意義，同時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的隆冠P.C32.5R（fce28=38.1MPa）、隆冠P.O42.5R（fce28=50.2MPa）。

1.2細骨料：（1）天然砂：比對試驗用的砂為安寧河天然河砂。其細度模數2.34，堅固性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的高鈦重礦渣砂是人工砂。其細度模數2.37，堅固性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是高鈦重礦渣碎石與普通人工碎石的對比試驗，普通人工碎石采用的是安寧河人工碎石。（1）碎石：對比研究試驗采用安寧河5mm～25mm碎石。其堅固性0.5%，壓碎指標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的高鈦重礦渣碎石。其公稱粒徑5mm～25mm碎石，堅固性0.6%，壓碎指標10%，堆積密度1470㎏/m3，表觀密度2970㎏/m3。

1.4拌和水：室內混凝土試驗使用西昌市西寧自來水。

2高鈦重礦渣混凝土研究試驗

2.1高鈦重礦渣碎石對混凝土力學性能影響研究

通過配制C20-C50（備注：C20、C30強度等級采用隆冠P.C32.5R水泥配制；C40、C50強度等級隆冠P.O42.5R水泥配制，以下相同）設計強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、設計強度相同、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行對比試驗，比較分析其混凝土濕容重，含氣量，7d、28天抗壓強度；28d劈裂抗拉強度。試配各強度等級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比，抗壓強度和劈裂抗拉強度均高于后者，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；另外，高鈦重礦渣碎石中無針片狀顆粒，粒形優于安寧河碎石，力學性能得以改善。

2.2細骨料對混凝土力學性能的影響

為了研究高鈦重礦渣砂（高鈦重礦渣砂與普通天然砂）對混凝土強度的影響，試驗配制了設計強度等級為C20～C50普通土混凝土8組，在膠凝材料用量相同，強度等級相同，坍落度基本一致的條件下，按計算配比制作試塊養護，每批分別測其7d、28d抗壓強度，28d劈裂抗拉強度，并綜合評判其和易性，測其拌合物濕容重。具體配比及所測各項指標見表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抗壓強度，28天劈裂抗拉強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，綜合作用導致混凝土強度提高。

2.3全高鈦重礦渣與普通砂石混凝土力學性能對比

為了對比全高鈦重礦渣混凝土與普通砂石混凝土力學性能對比，試驗配制了設計強度等級為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，分別測其7d、28d抗壓、28d劈裂抗拉強度，具體配比及拌合物性能指標見表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抗壓強度、28d劈裂抗拉強度較后者都要高。其原因是：（1）高鈦重礦渣碎石、渣砂吸水率大，這些吸附水先儲存于礦渣，使水泥水化反應更充分，有利于混凝土強度的增長。（2）高鈦重礦渣碎石表面粗糙、多孔、表面積大，混凝土界面結構中的凝膠體與礦渣碎石接觸面增大，粘結強度提高。（3）高鈦重礦渣表面粗糙，無針片狀顆粒，粒形好，無含泥量、泥塊含量等有機質成分，其力學性能得到改善。（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作用下，活性得到發揮，強度增長。

2.4研究結論

在對高鈦重礦渣作混凝土粗細骨料可行性進行分析的基礎上，對普通型全高鈦重礦渣混凝土進行試配，測試其各方面性能指標，得出以下結論：

（1）由于高鈦重礦渣粗細集料表面粗糙、孔隙率較大，需要更多漿體來包裹填充粗細骨料，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抗壓強度、28d劈拉強度分別提高7%、9%、4%；使用高鈦重礦渣砂替代普通河砂方案7d、28d抗壓強度、28d劈拉強度分別提高5%、5%、3%；使用全高鈦重礦渣替代普通砂石方案強度提高幅度較大，7d、28d抗壓強度、28d劈拉強度分別提高12%、13%、24%。因此使用以上方案在保持混凝土強度一致的情況下，可以達到節約水泥的目的。

參考文獻：

[1]何小龍，全高鈦礦渣混凝土的研究與應用[D]重慶大學，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。混凝土2011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。