高鈦重礦渣混凝土基礎力學性能試驗分析

梁 賀 之， 李 超， 閔 凌 飛， 張 偉

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高鈦重礦渣是鈦精礦冶煉提取鈦金屬形成的多孔型塊狀廢渣，攀鋼集團冶煉取鈦金屬產生的高鈦重礦渣具有含鈦量高、力學性能良好、抗沖擊韌性、耐久性能好、無堿集料反應、抗滲性和干燥收縮小等特點[1，2]。高鈦重礦渣骨料可替代天然骨料配制泵送混凝土，其拌和性、力學性、耐久性和結構性均滿足相關規范要求[3]。徐春生等[4]研究了干燥與飽水狀態下高鈦重礦渣對混凝土力學性能的影響，并與天然砂石混凝土進行對比，發現其擁有更好的混凝土性能。王偉[5]將再生高鈦重礦渣粗、細骨料按三個取代率取代高鈦重礦渣粗、細骨料制備高鈦重礦渣再生混凝土并測定其28 d強度，得到其耐腐蝕性能良好的結論。雖然高鈦重礦渣混凝土得到不少學者的研究，但對于其基本力學性能進行的研究還是相對較少[6]。介紹了對高鈦重礦渣混凝土基礎力學性能進行的試驗與分析。

2 試 驗

2.1 試驗材料

(1) 高鈦重礦渣。高鈦重礦渣取自攀枝花市環業冶金渣有限公司。由于高鈦重礦渣碎石的多孔結構，其吸水率較高，因此，在進行試驗前需提前浸泡24 h以使其達到飽水狀態，表觀密度為2 840 kg/m3，堆積密度為1 350 kg/m3，吸水率為6.2%，壓碎指標為8%，高鈦重礦渣主要化學成分見表1。采用方孔篩篩分出粒徑為5～31.5 mm、連續級配的高鈦重礦渣碎石作為粗骨料， 細骨料則采用細度模數為2.8的高鈦重礦渣砂。

表1 高鈦重礦渣主要化學成分表 /%

(2)水泥。采用攀枝花攀煤水泥制品有限公司生產的P.O.42.5 R普通硅酸鹽水泥，其水泥各項品質指標見表2。

(3)粉煤灰。采用攀枝花某公司出售的I級粉煤灰，該粉煤灰的細度為10%，需水量比為90%，燒失量為4%，粉煤灰主要化學成分見表3。

表2 水泥各項品質指標表

表3 粉煤灰主要化學成分表 /%

(4)外加劑。采用陜西某公司生產的液體均衡性聚羧酸減水劑，其為無色透明液體，減水率為30%，泌水率比為42%，含氣量為2.5%。

(5)水。試驗用水采用攀枝花市的自來水。

2.2 試驗方法

參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)，試驗得到的高鈦重礦渣混凝土的設計強度等級為C30，砂率為38%，水膠比為0.5、0.55、0.6、粉煤灰摻量為0、10%、20%，采用A、B兩個因素進行試驗，高鈦重礦渣混凝土配合比見表4。

表4 高鈦重礦渣混凝土配合比表 /kg·m-3

為開展力學性能抗壓強度試驗制作了尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試塊9組，每組9塊(7 d、14 d、28 d)，共81塊。為開展力學性能抗折強度試驗制作了尺寸為100 mm×100 mm×400 mm試塊9組，每組9塊(7 d、14 d、28 d)，共81塊。為開展力學性能劈裂抗拉強度試驗制作了尺寸為150 mm×150 mm×150 mm試塊9組，每組9塊(7 d、14 d、28 d)，共81塊。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度試驗

抗壓試塊破壞形態見圖1。高鈦重礦渣混凝土受壓破壞后出現局部整體塊狀掉落，試件表面出現許多縱向裂縫，邊角處的混凝土呈壓碎破壞狀態。在試件受壓破壞過程中，能夠聽見清晰的壓碎破壞聲。高鈦重礦渣混凝土7 d、28 d不同齡期試件的抗壓強度見表5。

由表5可知：在有養護的條件下，每一種水膠比、粉煤灰摻量的高鈦重礦渣混凝土的抗壓強度隨齡期延長而增長。單一影響因素下，水膠比越低，高鈦重礦渣混凝土抗壓強度越高；當粉煤灰采用內摻的做法等量取代試驗中的水泥時，其高鈦重礦渣混凝土抗壓強度有所降低。高鈦重礦渣混凝土7 d抗壓強度普遍達到28 d抗壓強度的70%左右，28 d抗壓強度均超過《混凝土強度檢驗評定標準》(GB/T 50107-2010)所規定的C30混凝土強度值。

圖1 抗壓試塊破壞形態圖

表5 高鈦重礦渣混凝土抗壓強度表

由極差時的值可以看出，影響高鈦重礦渣混凝土抗壓強度的因素為：水膠比大于粉煤灰摻量。為了更直觀地觀察、分析試驗結果，將表5中測得的高鈦重礦渣混凝土的抗壓強度數據分別以水膠比、粉煤灰摻量為變量繪制成抗壓強度曲線，不同水膠比抗壓強度示意圖見圖2，不同粉煤灰摻量抗壓強度示意圖見圖3。

由圖2可知：水膠比是影響高鈦重礦渣混凝土抗壓強度的顯著因素。由28 d抗壓強度可以看出：當水膠比為0.5時，抗壓強度最高；而相對于水膠比為0.6時，抗壓強度提升了27%左右。由圖3可知：粉煤灰的摻入對抗壓強度不利。雖然粉煤灰的摻入改善了高鈦重礦渣混凝土的和易性，使其流動性得到提升，但當粉煤灰摻量為10%時，抗壓強度下降3.5%左右；當粉煤灰摻量為20%時，抗壓強度下降了4.5%左右。綜合分析可知：28 d齡期時，高鈦重礦渣混凝土的抗壓強度以第1-1組為最高，第1-9組為最低，第1-1組比第1-9組的抗壓強度高36%。

圖2 不同水膠比抗壓強度示意圖

圖3 不同粉煤灰摻量抗壓強度示意圖

3.2 抗折強度試驗

試驗過程中，在加載初期，試塊表面并未發現有裂縫出現；隨著荷載的增加，試塊底面開始出現微小的細縫且裂縫全部集中在所施加的兩個集中荷載之間的區域；隨著荷載繼續增大，裂縫開始沿著垂直方向擴展，寬度進一步增大，最終導致試塊折斷且試件基本是沿著試件的中部位置發生斷裂。當試件表面開裂時，裂縫會迅速斷裂并發出脆響，試件的斷面較多為粗骨料發生斷裂，僅有少部分粗骨料發生脫落，抗折試塊的破壞形態見圖4。高鈦重礦渣混凝土不同齡期試件的抗折強度見表6。

由表6可知：隨著水膠比的增大，高鈦重礦渣混凝土的抗折強度呈下降趨勢，且隨著粉煤灰摻量的增大，抗折強度亦有所下降；但在同一水膠比下，高鈦重礦渣混凝土的抗折強度前期下降較多，而后期反而相差不大。由此可見：粉煤灰的摻入導致高鈦重礦渣混凝土的抗折強度前期有所下降，但在28 d齡期后，由于粉煤灰的填充效應使高鈦重礦渣混凝土的密實性提升，從而表現出其抗折強度與不摻粉煤灰組相差不大?？傮w來說，抗折強度基本上為抗壓強度的1/10左右。

圖4 抗折試塊破壞形態圖

表6 高鈦重礦渣混凝土不同齡期試件的抗折強度表

從極差強度可以看出，影響高鈦重礦渣混凝土抗折強度的因素為：水膠比大于粉煤灰摻量。為了更直觀地觀察與分析試驗結果，將表6中測得的高鈦重礦渣混凝土的抗折強度數據分別以水膠比、粉煤灰摻量為變量繪制成抗折強度曲線，不同水膠比抗折強度示意圖見圖5，不同粉煤灰摻量抗折強度示意圖見圖6。

圖5 不同水膠比抗折強度示意圖

圖6 不同粉煤灰摻量抗折強度示意圖

由圖5可知：當水膠比為0.5時，28 d抗折強度比水膠比為0.55時的抗折強度提升了19.5%，比水膠比為0.6時的抗折強度提升了34.2%。由圖6可知：當粉煤灰摻量為20%時，其7 d抗折強度比粉煤灰摻量為10%時的抗折強度下降了3.3%，比粉煤灰摻量為0時的抗折強度下降了7.6%。但是，通過與28 d抗折強度進行比較，得知其分別下降了2.5%、5.8%。綜合分析得知：28 d齡期時，2-1組高鈦重礦渣混凝土的抗折強度最高，2-9組的抗折強度最低，2-1組比2-9組抗折強度高41%。

3.3 劈裂抗拉強度試驗

試塊在劈裂荷載作用下在上下墊條之間出現了縱向裂縫并逐漸貫通快速破壞且伴有較大的聲響，試件斷裂，試驗機瞬間卸載，破壞形態呈現出明顯的脆性破壞。破壞面基本是兩墊條中心所在的平面，破壞后的兩個半塊大小相當。在試件的劈裂方向其側面形成較為曲折的斷裂線，劈裂抗拉試塊破壞形態示意圖見圖7(a)；在劈裂荷載作用的垂直方向形成拉應變，當拉應變達到高鈦重礦渣混凝土極限拉應變時，試件發生斷裂破壞形態，劈裂抗拉試塊破壞形態示意圖見圖7(b)，整個過程中只出現了一條主裂縫，無次要裂縫發生。試件斷面出現較多的是骨料被拉斷，只有較少的砂漿骨料脫落，可以清楚地看見兩者脫離后的痕跡。在拉應力作用下，其劈裂面表現為骨料的斷裂。通過破壞形態圖可以看出：高鈦重礦渣混凝土的劈裂斷面以骨料斷裂為主并伴有少量的骨料脫落情況。高鈦重礦渣混凝土不同齡期試件的劈裂抗拉強度見表7。

(a) (b)圖7 劈裂抗拉試塊破壞形態示意圖

表7 高鈦重礦渣混凝土不同齡期試件的劈裂抗拉強度表

由表7可知：單一因素下，水膠比越小，劈裂抗拉強度越大。粉煤灰的摻量使早期劈裂抗拉強度有所下降，但使其后期劈裂抗拉強度得到發展，基本上達到不摻粉煤灰組的劈裂抗拉強度。粉煤灰有效填充了骨料間的空隙，使孔隙率減少，改善了其內部孔隙結構，使高鈦重礦渣混凝土更加密實，進而使其后期的劈裂抗折強度得到提升。總體來說，高鈦重礦渣混凝土的劈裂抗拉強度基本上為其抗壓強度的1/15左右。

從劈裂抗拉強度極差情況可以看出，影響高鈦重礦渣混凝土劈裂抗拉強度的因素為：水膠比依然大于粉煤灰摻量。粉煤灰摻量相對來說其影響并不顯著；但是，在同一水膠比情況下，反而在其后期達到了等量替代水泥的作用。為了更直觀地觀察、分析試驗結果，試驗室技術人員將表7中測得的劈裂抗拉強度數據分別以水膠比、粉煤灰摻量為變量繪制成劈裂抗拉強度曲線，不同水膠比劈裂抗拉強度示意圖見圖8，不同粉煤灰摻量劈裂抗拉強度示意圖見圖9。

圖8 不同水膠比劈裂抗拉強度示意圖

由圖8可知其7 d的劈裂抗拉強度為：水膠比為0.6時，比水膠比為0.5時下降了19.5%；28 d的劈裂抗拉強度為：水膠比為0.6時，比水膠比為0.5時下降了21.9%。通過圖9可以看出其7 d的劈裂抗拉強度為：粉煤灰摻量為20%時，比不摻粉煤灰組下降了3%；而其28 d的劈裂抗拉強度在粉煤灰摻量為20%時比不摻粉煤灰組下降了0.3%。由此可知：高鈦重礦渣混凝土的劈裂抗拉強度由于不同的水膠比受到了較大的影響，粉煤灰的摻入雖然導致其前期劈裂抗拉強度有所下降，但其后期強度與不摻粉煤灰組相同。綜合分析得知：28 d齡期時，3-1組高鈦重礦渣混凝土的劈裂抗拉強度最高，3-8組與3-9組的劈裂抗拉強度最低，3-1組比最低組劈裂抗拉強度高22%。

圖9 不同粉煤灰摻量劈裂抗拉強度示意圖

4 結 語

通過對三種力學性能試驗結果進行對比分析得知：水膠比是綜合影響高鈦重礦渣混凝土強度的顯著因素，水膠比越低，高鈦重礦渣混凝土強度越高。粉煤灰的摻入改善了高鈦重礦渣混凝土的和易性，但亦導致其前期強度下降，而后期強度得以發展，并與不摻組強度基本相當?？紤]到高鈦重礦渣混凝土的實際工作性能與經濟成本，經綜合分析后得出C30高鈦重礦渣混凝土的水膠比宜為0.5，粉煤灰摻量宜為10%，其抗壓強度為45.9 MPa，抗折強度為4.7 MPa，劈裂抗拉強度為3.28 MPa，并具有較好的和易性能。