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摘要：高钛重矿渣是高炉冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣在空气中自然冷却或水冷形成的一种由钛辉石、钙钛矿等矿物为主的石质材料〔1〕。西昌市攀钢二基地排放的高炉矿渣由于含有15%-25%的二氧化钛（TiO2），氧化钙含量较高炉矿渣低，理化性能与普通高炉矿渣有明显差异，因此，被称高钛重矿渣[2]。研究其作为粗细集料替代天然河砂、碎石，制备混凝土，降低工程造价，是高钛重矿渣综合利用的有效途径之一。
关键词：高钛重矿渣 替代 砂石 混凝土 性能
西昌市攀钢二基地排放的高钛重矿渣至今有400万吨未被利用，而且每年还以200万吨的排放量逐年增加。一方面为了堆存高钛重矿渣需要大量土地，对社会的生态影响较大；另一方面，西昌市的城市建设每年需要消耗大量碎石、卵石、砂，过度的开发造成自然植被的破坏，造成水土流失。高钛重矿渣能否被综合利用，不仅影响到西昌攀钢二基地、西昌市社会的可持续发展，而且对节约自然资源，降低工程成本，保护安宁河生态环境等有重要的意义。利用高钛重矿渣强度高、化学稳定性好的特点。研究其作为粗细集料替代天然河砂、碎石，制备高性能混凝土，降低工程造价［3］。
1 原材料分析
1.1水泥：采用四川嘉华锦屏特种水泥有限公司生产的隆冠P.C32.5R（fce28=38.1MPa）、隆冠P.O42.5R（fce28=50.2MPa）。
1.2细骨料：（1）天然砂：比对试验用的砂为安宁河天然河砂。其细度模数2.34，坚固性2.5%，含泥量2.6%，表观密度2670 kg/m3，堆积密度1540kg/m3。（2）高钛重矿渣砂：凉山瑞海冶金渣综合利用分公司加工生产的高钛重矿渣砂是人工砂。其细度模数2.37，坚固性1.6%，渣粉含量12.1%，表观密度3180kg/m3，堆积密度1760kg/m3。
1.3粗骨料：本次粗骨料研究试验是高钛重矿渣碎石与普通人工碎石的对比试验，普通人工碎石采用的是安宁河人工碎石。（1）碎石：对比研究试验采用安宁河5mm～25mm碎石。其坚固性0.5%，压碎指标7%，堆积密度1540㎏/m3，表观密度2680㎏/m3。（2）高钛重矿渣：凉山瑞海冶金渣综合利用分公司加工生产的高钛重矿渣碎石。其公称粒径5mm～25mm碎石，坚固性0.6%，压碎指标10%，堆积密度1470㎏/m3，表观密度2970㎏/m3。
1.4拌和水：室内混凝土试验使用西昌市西宁自来水。
2 高钛重矿渣混凝土研究试验
2.1 高钛重矿渣碎石对混凝土力学性能影响研究
通过配制C20-C50（备注：C20、C30强度等级采用隆冠P.C32.5R水泥配制；C40、C50强度等级隆冠P.O42.5R水泥配制，以下相同）设计强度的高钛重矿渣碎石+安宁河天然砂的混凝土，在水泥用量相同、设计强度相同、坍落度基本一致的条件下与安宁河人工碎石+安宁河天然砂配制的普通混凝土进行对比试验，比较分析其混凝土湿容重，含气量，7d、28天抗压强度；28d劈裂抗拉强度。试配各强度等级混凝土配比拌合物性能见表1。
从表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况下，高钛重矿渣碎石混凝土与安宁河碎石混凝土对比，抗压强度和劈裂抗拉强度均高于后者，其湿容重比普通安宁河碎石混凝土略大、含气量比普通安宁河碎石混凝土大。其原因是高钛重矿渣碎石表面粗糙、多孔、吸水率大，比普通安宁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。高钛重矿渣碎石表面积更大，与水泥砂浆粘接能力更强；另外，高钛重矿渣碎石中无针片状颗粒，粒形优于安宁河碎石，力学性能得以改善。
2.2 细骨料对混凝土力学性能的影响
为了研究高钛重矿渣砂（高钛重矿渣砂与普通天然砂）对混凝土强度的影响，试验配制了设计强度等级为C20~C50普通土混凝土8组，在胶凝材料用量相同，强度等级相同，坍落度基本一致的条件下，按计算配比制作试块养护，每批分别测其7d、28d抗压强度，28d劈裂抗拉强度，并综合评判其和易性，测其拌合物湿容重。具体配比及所测各项指标见表2。
由表2可以看出，在胶凝材料用量相同，坍落度基本相同的情况下，采用高钛重矿渣渣砂替代安宁河河砂，矿渣砂混凝土与普通天然河砂混凝土相比，其每1m3混凝土用水量大15kg~20kg，湿容重更大，含气量接近或略大，砼7d、28d抗压强度，28天劈裂抗拉强度均有一定的提高或接近。一般提高2MPa~4MPa，这是由于渣砂与天然砂相比，没有含泥量、泥块含量，高钛重矿渣砂表面粗糙与水泥凝胶体粘结性能提高，高钛重矿渣碎石、渣砂中含的渣粉具有一定活性，综合作用导致混凝土强度提高。
2.3 全高钛重矿渣与普通砂石混凝土力学性能对比
为了对比全高钛重矿渣混凝土与普通砂石混凝土力学性能对比，试验配制了设计强度等级为C20~C50的全高钛重矿渣混凝土与普通砂石混凝土试块8组。在胶凝材料（水泥）用量相同，坍落度基本相同的情况下，分别测其7d、28d抗压、28d劈裂抗拉强度，具体配比及拌合物性能指标见表3。
从表3可以看出，普通全高钛重矿渣混凝土与天然砂石配制的普通混凝土在胶凝材料用量相同、坍落度基本相同的条件下，7d、28d抗压强度、28d劈裂抗拉强度较后者都要高。其原因是：（1）高钛重矿渣碎石、渣砂吸水率大，这些吸附水先储存于矿渣，使水泥水化反应更充分，有利于混凝土强度的增长。（2）高钛重矿渣碎石表面粗糙、多孔、表面积大，混凝土界面结构中的凝胶体与矿渣碎石接触面增大，粘结强度提高。（3）高钛重矿渣表面粗糙，无针片状颗粒，粒形好，无含泥量、泥块含量等有机质成分，其力学性能得到改善。（4）高钛重矿渣碎石、渣砂中存在少量活性成分，在水泥水化的碱激发作用下，活性得到发挥，强度增长。
2.4研究结论
在对高钛重矿渣作混凝土粗细骨料可行性进行分析的基础上，对普通型全高钛重矿渣混凝土进行试配，测试其各方面性能指标，得出以下结论：
（1）由于高钛重矿渣粗细集料表面粗糙、孔隙率较大，需要更多浆体来包裹填充粗细骨料，可采用提高砂率、增大用水量的方式来改善混凝土和易性，其中砂率约提高3~4％，用水量增加35~50kg/m3。通过这些措施，全高钛重矿渣混凝土与天然砂、碎石配制普通混凝土相比，其拌和物性能一致。
（2）使用高钛重矿渣碎石替代普通碎石、使用高钛重矿渣砂替代普通河砂以及使用全高钛重矿渣替代普通碎石+河砂方案，在水泥用量相同、和易性一致的情况下，均能提高混凝土抗压、劈拉强度，但提高幅度有差异。其中使用高钛重矿渣碎石替代普通碎石方案7d、28d抗压强度、28d劈拉强度分别提高7%、9%、4%；使用高钛重矿渣砂替代普通河砂方案7d、28d抗压强度、28d劈拉强度分别提高5%、5%、3%；使用全高钛重矿渣替代普通砂石方案强度提高幅度较大，7d、28d抗压强度、28d劈拉强度分别提高12%、13%、24%。因此使用以上方案在保持混凝土强度一致的情况下，可以达到节约水泥的目的。
参考文献
［１］何小龙，全高钛矿渣混凝土的研究与应用[D]重庆大学，2006。
［２］江海民、牟延敏、丁庆军。高钛重矿渣混凝土的工作性能研究。混凝土2011年第5期。
［３］黄双华、陈伟、孙金坤。陈加耘，高钛高炉渣新型建筑材料，2006，11〔4〕：41-75。
论文作者:林水彬
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/28
标签：矿渣论文; 混凝土论文; 碎石论文; 宁河论文; 强度论文; 抗压强度论文; 西昌市论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;