高鈦礦渣超高性能混凝土的制備研究

何鑫HE Xin；劉宏LIU Hong；熊春楊XIONG Chun-yang；范曉玲FAN Xiao-ling；李鋒LI Feng

0 引言

混凝土由水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑和水等組分組成，由于具有原材料易得、良好的性能、便于加工成型等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。隨著大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、大跨度建筑等建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，普通混凝土已難以滿足需求，對(duì)于具備更優(yōu)異的耐久和力學(xué)性能的混凝土建筑結(jié)構(gòu)需求日益顯著。超高性能混凝土（UHPC）是一種具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性的水泥基復(fù)合材料，在實(shí)際工程建設(shè)中具有較大潛力[1]。然而制備超高性能混凝土需要使用大量優(yōu)質(zhì)的天然骨料，而由于資源枯竭和河道禁采限挖，天然骨料出現(xiàn)短缺危機(jī)，因此，尋找優(yōu)質(zhì)的材料替代天然骨料迫在眉睫[2，3]。

我國釩鈦磁鐵礦資源主要分布在攀西地區(qū)，利用釩鈦磁鐵礦煉鐵的同時(shí)會(huì)排放大量的工業(yè)副產(chǎn)品——高鈦礦渣，目前針對(duì)高鈦礦渣的一般是通過直接掩埋或者堆放處理，不僅造成土地資源浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境造成污染，還浪費(fèi)礦渣資源[4，5]。自然冷卻的高鈦礦渣耐磨性好、強(qiáng)度高，不會(huì)出現(xiàn)硅酸鹽分解，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有研究表明，高鈦礦渣可以全部或部分替代天然骨料制備混凝土，且性能不低于同條件下天然骨料制備的混凝土[6-10]。本文采用高鈦礦渣全部取代天然砂制備超高性能混凝土，研究礦物摻合料及鋼纖維對(duì)高鈦礦渣UHPC 的性能影響，降低UHPC 生產(chǎn)成本，對(duì)高鈦礦渣進(jìn)行資源回收利用，減少環(huán)境污染，同時(shí)為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

①水泥：P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，拉法基瑞安水泥有限公司生產(chǎn)，其物理性能見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能

②粉煤灰：二級(jí)粉煤灰，成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，其物理性能見表2。

表2 粉煤灰的物理性能

③硅灰：產(chǎn)自四川成都，比表面積為18000m2/kg，密度為2.2g/cm3。

④高鈦礦渣砂：產(chǎn)自四川攀枝花，表觀密度3242kg/m3，緊密堆積密度2120kg/m3。

⑤鋼纖維：鍍銅鋼纖維，長度約13mm，平均直徑約為0.20mm，長徑比約62。

⑥外加劑：試驗(yàn)所用減水劑為聚羧酸高效減水劑，劑型為液型，固含量35%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)先將稱量好的水泥、粉煤灰、硅灰和高鈦礦渣砂置于攪拌鍋中，攪拌均勻，然后加入減水劑和水，慢速攪拌10s，再快速攪拌至漿體狀態(tài)，再將攪拌機(jī)調(diào)至低速狀態(tài)，將鋼纖維緩慢均勻加入到攪拌鍋中，快速攪拌直至纖維在漿體中分散均勻，然后振動(dòng)成型，1d 后拆模，將試塊放入溫度設(shè)定為80℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2d 后進(jìn)行性能測(cè)試。試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行測(cè)試。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用水泥凈漿最小需水量試驗(yàn)來確定“水泥+硅灰+粉煤灰”三元復(fù)合膠凝材料體系各組分比例，即復(fù)合膠凝材料在快速攪拌時(shí)從潮濕的球狀團(tuán)塊變?yōu)槠教咕鶆驖{體的“臨界狀態(tài)”時(shí)的最小用水量。具體測(cè)試方法為：先將部分水倒入攪拌鍋內(nèi)，再將350g 不同比例的水泥、粉煤灰混合粉體加入攪拌鍋攪拌，然后緩慢加水，邊加水邊觀察復(fù)合粉體狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)“臨界狀態(tài)”時(shí)，即為該比例下復(fù)合粉體的最小需水量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定水泥和粉煤灰最佳比例；再根據(jù)前述方法確定水泥、粉煤灰和硅灰最佳比例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同比例復(fù)合膠凝材料最小需水量

從圖1（a）可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，二元復(fù)合膠凝材料體系最小需水量逐漸增加，當(dāng)水泥∶粉煤灰為9:1 時(shí)，二元復(fù)合膠凝材料體系需水量最小為89.9g。從圖1（b）可以看出，隨著硅灰摻量的增加，三元復(fù)合膠凝材料體系最小需水量先降低后增加，在（水泥+粉煤灰）:硅灰為9.1:0.9 時(shí)，三元復(fù)合膠凝材料體系需水量最小為87.9g，因此，試驗(yàn)采用的水泥、粉煤灰和硅灰三元復(fù)合膠凝體系最佳比例為8.19:0.91:0.9，此時(shí)固體混合料達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。然后根據(jù)確定的膠凝材料各組分比例，采用體積法進(jìn)行基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)，確定各組分用量，配合比如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼纖維摻量對(duì)高鈦礦渣超高性能混凝土的影響

前述配合比所制備的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，而鋼纖維常被用于活性粉末混凝土的制備，為提高超高性能混凝土的力學(xué)性能，試驗(yàn)摻入0.5%、1%、1.5%和2%鋼纖維（漿體體積的百分比），對(duì)試塊在80℃蒸養(yǎng)2d 后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測(cè)試，研究了鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)高鈦礦渣超高性能混凝土力學(xué)性能的影響

從圖2 可以看出，高鈦礦渣UHPC 試塊蒸養(yǎng)后抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增大先增加后降低，但與未摻入鋼纖維試塊相比均有提高，分別提高了6.9%、12.2%、27.9%和24.2%，當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度最高，為150.1MPa，相比未摻入鋼纖維試塊提高了27.9%；抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加逐漸增大，當(dāng)纖維摻量為2.0%時(shí)達(dá)到最大，抗折強(qiáng)度為37.7MPa，是未摻入鋼纖維的約2.7 倍。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是鋼纖維摻入量較少時(shí)，鋼纖維亂向分布于基體的三位空間內(nèi)，能夠形成有效網(wǎng)狀撐托體系，從而對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到一定的束縛作用，減少微裂紋產(chǎn)生和膨脹變形出現(xiàn)；根據(jù)纖維間距理論，橫亙?cè)诹芽p前的鋼纖維會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫且擴(kuò)張時(shí)，將應(yīng)力傳遞給裂縫處基體面，使之能夠繼續(xù)承擔(dān)應(yīng)力，從而緩和混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，阻止裂縫的繼續(xù)擴(kuò)張，進(jìn)而提高高鈦礦渣UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度[11，12]。但隨著鋼纖維摻量的繼續(xù)增加，拌合物流動(dòng)性降低，同時(shí)鋼纖維的摻入也會(huì)帶來一定的引氣效果，使得骨料與膠凝材料之間的粘接力降低，且容易出現(xiàn)纖維不均勻分布，使得內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，從而導(dǎo)致試塊抗壓強(qiáng)度降低[10-14]。

2.2 膠凝材料摻量對(duì)高鈦礦渣超高性能混凝土的影響

為了探究不同膠凝材料摻量對(duì)高鈦礦渣UHPC 力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)采用689kg/m3、739kg/m3、789kg/m3和839kg/m3四種膠凝材料摻量進(jìn)行研究，試塊80℃蒸養(yǎng)2d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 膠凝材料摻量對(duì)高鈦礦渣超高性能混凝土力學(xué)性能的影響

從圖3 可以看出，高鈦礦渣UHPC 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著膠凝材料摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在膠凝材料用量為789kg/m3時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為158.6MPa 和36.8MPa。出現(xiàn)前述現(xiàn)象的原因可能是，水化產(chǎn)物、骨料以及漿體與骨料界面過渡區(qū)三者強(qiáng)度共同決定混凝土強(qiáng)度[15]。膠凝材料用量較低時(shí)，體系漿骨比較低，漿體不充足，早期水化產(chǎn)物少，此時(shí)主要由骨料強(qiáng)度決定混凝土強(qiáng)度，但體系中漿體較少，漿體不能夠填充完全，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙、缺陷較多，混凝土強(qiáng)度降低，兩者影響相互疊加；隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加，水化產(chǎn)物逐漸增加，界面過渡區(qū)和水泥石強(qiáng)度的作用開始彰顯，而骨料對(duì)于整體強(qiáng)度的提升有限，體系漿骨比隨著膠凝材料用量的增加而增大，水化產(chǎn)物增多，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)膠凝材料用量較大時(shí)，體系漿骨比較大，雖然水化產(chǎn)物較多，但骨料較少，骨料強(qiáng)度對(duì)于整體強(qiáng)度的提升貢獻(xiàn)較少，從而混凝土抗壓強(qiáng)度降低[16]。

3 結(jié)論

通過研究了鋼纖維摻量及膠凝材料用量對(duì)高鈦礦渣UHPC 基本力學(xué)性能的影響，得出以下主要結(jié)論：

①水泥、粉煤灰和硅灰三元復(fù)合膠凝體系比例為8.19:0.91:0.9 時(shí)達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。

②高鈦礦渣UHPC 隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，抗折強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為150.1MPa。

③高鈦礦渣UHPC 力學(xué)性能隨著膠凝材料用量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，當(dāng)膠凝材料用量為789kg/m3時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為158.6MPa和36.8MPa。