高鈦重礦渣混凝土在倮果金沙江特大橋工程中的應(yīng)用

高鈦重礦渣高性能混凝土在倮果金沙江特大橋的應(yīng)用四川川交路橋有限責(zé)任公司2014年11月高鈦重礦渣作為混凝土集料可行性研究二高鈦重礦渣混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法三高鈦重礦渣混凝土制備與工程應(yīng)用四提綱工程概況及研究背景和意義一

麗攀高速公路攀枝花段的倮果金沙江特大橋，主橋采用(120+230+120)m的連續(xù)剛構(gòu)方案。主橋箱梁C65砼設(shè)計為，采用泵送施工。共完成澆筑強(qiáng)度等級為C65的高鈦重礦渣砼5000m3。1、工程概況

采用高鈦重礦渣替代天然砂、石，制備高性能混凝土，是其資源綜合利用的最有效途徑，對降低工程成本，節(jié)約自然資源，保護(hù)長江上游的生態(tài)平衡等均具有重要的意義。

目前攀鋼至今有5000多萬噸的高鈦重礦渣未被利用，而且每年還以300萬噸的排渣量增加。攀鋼已面臨著無處堆放高鈦重礦渣的局面；另一方面，攀枝花市每年需消耗大量砂，過度的開發(fā)破壞了自然植被，造成水土流失。因此，高鈦重礦渣能否被綜合利用，不僅影響到攀鋼、攀枝花社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而且對節(jié)約自然資源，降低工程成本，保護(hù)長江上游生態(tài)環(huán)境等均具有重要的意義。2、背景高鈦重礦渣作為混凝土集料可行性研究二高鈦重礦渣混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法三高鈦重礦渣混凝土制備與工程應(yīng)用四提綱工程概況及研究背景和意義一高鈦重礦渣是高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時產(chǎn)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(zhì)材料，具有多孔、高強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點。圖1混凝土用高鈦礦渣形貌二、高鈦重礦渣作為混凝土集料可行性研究可行性研究1.1高鈦重礦渣化學(xué)成分1.2高鈦重礦渣物相分析

高鈦重礦渣主要化學(xué)成分為CaO、TiO2,從XRD圖譜中可以看出高鈦重礦渣的主要物相為鈣鈦礦、鈦輝石。

Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2SiO2Al2O3MnOSrOZrO2BaOCl燒失量1.2727.048.250.90.8618.9527.213.70.540.0370.0330.0950.0260.27可行性研究圖2高鈦重礦渣XRD圖譜1.3

高鈦重礦渣集料的物理性能

檢驗項目主要包括：吸水率、粉塵含量、表觀密度、堆積密度、級配、壓碎值指標(biāo)、堅固性以及砂的細(xì)度模數(shù)等。大石小石砂石灰石碎石吸水率/%8.858.0810.25/粉塵含量/%1.153.5610.81/表觀密度/kg/m3255726392725堆積密度/kg/m31518125817391628壓碎值/%17.310.2堅固性無堅固性損失，無開裂、剝落/石灰石分解2h無石灰分解、無顆粒漲裂/石灰石分解試驗堅固性試驗可行性研究1.4高鈦重礦渣堿活性評價（1）試驗按照《砂、石堿活性快速試驗方法》（CECS48：96）中關(guān)于砂的堿活性試驗有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。小于0.1%高鈦重礦渣砂的堿活性測定

小于0.05%類別齡期膨脹率%最大膨脹率%膨脹率允許值%結(jié)論高鈦重礦渣砂140.0160.0440.05無潛在危害300.025600.037900.044（2）砂漿長度法檢測堿活性集料150℃壓蒸膨脹率/%6h12h高鈦重礦渣砂0.0100.023高鈦重礦渣砂屬于非堿活性集料?？尚行匝芯?.5高鈦重礦渣集料的級配曲線圖3高鈦重礦渣碎石級配曲線圖4高鈦重礦渣砂級配曲線

通過圖3、4，可以看出高鈦重礦渣碎石滿足普通混凝土碎石級配要求，高鈦重礦渣砂級配曲線在Ⅱ區(qū)，可以應(yīng)用于橋梁高性能混凝土?？尚行匝芯扛哜佒氐V渣作為混凝土集料可行性研究二高鈦重礦渣混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法三高鈦重礦渣混凝土制備與工程應(yīng)用四提綱工程概況及研究背景和意義一三、高鈦重礦渣混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法配合比設(shè)計設(shè)定單方砼高鈦重礦渣松堆體積單方高鈦重礦渣料用量測高鈦重礦渣堆積密度單方砼高鈦重礦渣密實體積渣砂砂漿密實體積膠凝材料漿體體積積測高鈦重礦渣表觀密度設(shè)定砂漿中渣砂體積含量渣砂體積單方砼用渣砂量測渣砂表觀密度設(shè)定摻合料體積摻量膠凝材料密度設(shè)定水膠比膠凝材料用量單方砼水泥用量單方砼摻合料用量單方砼用水量水體積膠凝材料體積1、體積法本試驗研究設(shè)計正交試驗，以坍落度、擴(kuò)展度、倒坍時間、7天強(qiáng)度作為控制指標(biāo)。因素水平A高鈦重礦渣碎石松堆體積B渣砂體積含量C粉煤灰體積摻量（％）10.80.451020.750.52030.70.553040.650.640因素水平表得到高鈦重礦渣混凝土配合比關(guān)鍵控制參數(shù)的范圍：粉煤灰體積摻量為20%~30%，高鈦重礦渣碎石松堆體積0.7～0.75m3，渣砂體積含量為0.5~0.55m3。2配合比設(shè)計關(guān)鍵控制參數(shù)試驗研究水泥粉煤灰渣砂渣石水減水劑24012084711921503.9正交試驗得到的C30高鈦重礦渣混凝土基本配合比配合比設(shè)計3預(yù)濕時間對混凝土物理性能和體積穩(wěn)定性能的影響編號預(yù)濕時間(h)碎石含水率(%)初始坍落度/擴(kuò)展度(mm)2h坍落度/擴(kuò)展度(mm)28d強(qiáng)度（MPa）100200/450100/30037.2212.1200/460120/34038.1332.9210/480180/43040.5453.7220/530200/50041.8574.2220/550210/51042.56124.3220/550210/52040.2高鈦重礦渣集料配制高性能混凝土?xí)r要采取預(yù)濕措施，隨著預(yù)處理時間的延長，集料的吸水率變大，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水分增加，混凝土的收縮減小，預(yù)濕處理時間為7h，混凝土的工作性能和力學(xué)性能有利?；炷恋氖湛s率降低20%。配合比設(shè)計4渣粉含量對混凝土物理性能及體積穩(wěn)定性的影響編號渣粉含量（%）初始坍落度/擴(kuò)展度(mm)2h坍落度/擴(kuò)展度(mm)28d強(qiáng)度（MPa）10200/450170/39039.325210/490190/43038.9310230/540200/51042.5415220/530200/50041.0520200/500170/45040.4

隨著高鈦重礦渣砂渣粉含量的增加，混凝土的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度有所改善，當(dāng)渣粉含量為10%時，混凝土的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度最佳。渣粉含量小于15%，對高鈦重礦渣混凝土的影響不大，120d的混凝土收縮率基本穩(wěn)定在3.0×10-4~3.2×10-4之間。配合比設(shè)計5外加劑對高鈦重礦渣混凝土工作性能的影響高鈦重礦渣是多孔形貌，渣砂粉塵含量高，對于水和外加劑的吸附量很大，混凝土流動性能差，因此需要對外加劑進(jìn)行調(diào)整。編號摻量（%）倒坍時間（s）0h坍落度(mm)1h坍落度(mm)2h坍落度(mm)102617015010020.012120018017030.031023021019040.051821019017050.0736190170150外加劑摻量為0.03%時，混凝土的工作性能達(dá)到最佳，倒坍時間為10s，初始坍落度為230mm，2h坍落度為190mm，混凝土泵送性能最佳，利于泵送施工。配合比設(shè)計高鈦重礦渣作為混凝土集料可行性研究二高鈦重礦渣混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法三高鈦重礦渣混凝土制備與工程應(yīng)用四提綱工程概況及研究背景和意義一四、高鈦重礦渣混凝土制備與倮果金沙江特大橋工程應(yīng)用制備與工程應(yīng)用高鈦重礦渣集料是多孔材料且具有較多的棱角，為了滿足工程中泵送、防止開裂等性能的要求，采用聚羧酸減水劑、消泡劑、減縮增韌劑、增粘劑、引氣劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料等復(fù)合技術(shù)制備專門適應(yīng)高鈦重礦渣混凝土的外加劑。此外在混凝土制備工藝上進(jìn)行設(shè)計，通過對高鈦重礦渣集料提前預(yù)濕、均質(zhì)、投料制度等設(shè)計，制備出不僅各項性能完全滿足工程要求的高鈦重礦渣混凝土，而且高鈦重礦渣混凝土經(jīng)濟(jì)性較普通混凝土有較大提高。一、專用外加劑的開發(fā)減水劑A：成都合力高效聚羧酸減水劑，減水率30%。減水劑B：C30、C40高鈦重礦渣混凝土中所摻膠凝材料較少，對集料的粘集力不足，針對以上問題，通過在減水劑A的基礎(chǔ)上摻加纖維素醚（圖5），制備出適應(yīng)于C30、C40高鈦重礦渣混凝土的減水劑B。圖6增韌材料分子規(guī)整性調(diào)節(jié)圖

減水劑C：C50高鈦重礦渣混凝土中針對混凝土收縮及抗裂性能較差的問題，通過在減水劑A的基礎(chǔ)上摻加復(fù)合減水劑用量的30%～45%減縮增韌劑（圖

6），制備出適應(yīng)于C50高鈦重礦渣混凝土的減水劑C。圖5纖維素醚分子結(jié)構(gòu)圖制備與工程應(yīng)用減水劑D：用減水劑A制備的C65高鈦重礦渣混凝土在混凝土表面有很多大氣泡，同時伴有輕微的離析扒底現(xiàn)象的出現(xiàn)。針對以上問題，通過在減水劑A的基礎(chǔ)上摻加消泡劑（圖7）、引氣劑（圖8）、減縮增韌組分（圖9）、增粘劑（圖10）、內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料（圖11）制備成減水劑D。其中分別占減水劑D：消泡劑5～10%、引氣劑1～2%、增粘劑2.5～5%、減縮增韌組分7.5～15%、內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料2～5%，其余部分為高效聚羧酸減水劑A。圖8引氣劑主要組分松香酸脂分子結(jié)構(gòu)圖

圖7消泡劑主要組分分子結(jié)構(gòu)圖

制備與工程應(yīng)用制備與工程應(yīng)用圖9減縮增韌主要組分分子結(jié)構(gòu)圖

圖10甲基羥乙基纖維素醚的分子結(jié)構(gòu)圖

圖11內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料分子結(jié)構(gòu)圖

消泡劑選用一種有機(jī)硅油5～10%、引氣劑選用松香熱聚物1～2%、增粘劑選用纖維素醚2.5～5%、減縮組分選用低級醇的環(huán)氧化合物與烷基聚氧乙烯醚為主要組分。通過調(diào)整以上各成分占外加劑量的含量與減水劑復(fù)合而成一種適用于高鈦重礦渣砼的外加劑，其中：消泡劑5～10%、引氣劑1～2%、增粘劑2.5～5%、減縮增韌組分7.5～15%，其余部分為高效聚羧酸減水劑。通過對以上幾種不同組分摻量進(jìn)行調(diào)整，成功研制出一種適用于高鈦重礦渣砼的外加劑。并用此外加劑成功制備出用水量低、和易性良好，滿足長距離泵送施工的高鈦重礦渣砼。制備與工程應(yīng)用二、高鈦重礦渣砂混凝土制備2.1原材料水泥：紅河P.O52.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度（0.08mm篩余）2.9%；瑞豐P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度（0.08mm篩余）2.6%；麗江P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度（0.08mm篩余）2.0%。粉煤灰：攀枝花寶利源Ⅱ級粉煤灰，需水量比98%，細(xì)度（0.045mm篩余）16.1%。減水劑：成都合力高效聚羧酸減水劑，減水率30%。增粘組分：羥丙基甲基纖維素醚，減縮增韌組分：低級醇的環(huán)氧化合物與烷基聚氧乙烯醚；消泡組分：有機(jī)硅油；引氣組分：松香熱聚物。硅灰：攀枝花攀煤電冶工業(yè)有限公司硅灰，需水量比120%，燒失量4.3%。高鈦重礦渣砂：粉塵含量宜在5%～15%，細(xì)度模數(shù)2.3～2.8，表觀密度3300kg/m3，堆積密度1700kg/m3。普通碎石：馬店河廠普通碎石，小石5～16mm，連續(xù)粒級，表觀密度2710

kg/m3，堆積密度1660kg/m3。大石10～20mm，表觀密度2690kg/m3，堆積密度1610kg/m3，單粒級。制備與工程應(yīng)用制備與工程應(yīng)用2.2高鈦重礦渣砂混凝土最優(yōu)配合比強(qiáng)度等級水泥品種適用部位水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石纖維素醚/×10-4減水劑減水劑/%水膠比坍落度/mm抗壓強(qiáng)度/Mpa0h1h7d28dC30瑞豐承臺230160426：41.0B1.30.4120018026.541.2C30瑞豐樁基280100426：40.4B1.30.4022020032.039.0C40瑞豐橋墩34080436：40.5B1.60.3822020045.850.4C50麗江T梁45048436：4/C1.30.3218016053.265.1強(qiáng)度等級水泥品種適用部位水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石硅灰/kg減水劑減水劑/%水膠比坍落度/mm抗壓強(qiáng)度/Mpa0h1h7d28dC65-1瑞豐主梁46020416：435D1.70.3323021063.078.0C65-2紅河主梁44585415：5/D1.350.3923020063.074.6注：水膠比為砂石中的含水量與外部加水量總質(zhì)量與膠材質(zhì)量比。制備與工程應(yīng)用2.3高鈦重礦渣砂混凝土物理力學(xué)及長期性能強(qiáng)度等級適用部位抗折強(qiáng)度/MPa劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa靜彈性模量/×104GPa抗裂等級抗?jié)B等級Cl?擴(kuò)散系數(shù)/×10?12m2/s

平均碳化深度/mm90次循環(huán)/%自收縮率/10-6干燥收縮值/10-6徐變系數(shù)28d28d28d56d28d7d28d60dC30承臺4.84.03.45Ⅲ級P152.450.482233.13091.64C30樁基5.14.13.66Ⅲ級P182.430.384234.53101.60C40橋墩5.24.43.92Ⅳ級P202.260.486235.23141.56C50T梁7.55.24.01Ⅳ級P201.920.389246.23381.17C65-1主梁8.15.74.27Ⅳ級>P400.960.292260.83460.96C65-2主梁8.35.84.20Ⅳ級>P400.890.293256.53620.91混凝土早期自收縮試驗

混凝土內(nèi)部相對濕度試驗

(1)相同強(qiáng)度等級的混凝土，采用高鈦重礦渣砂配制的較普通天然河砂配制的自收縮率明顯減小;(2)高鈦重礦渣砂混凝土內(nèi)部相對濕度在3d左右有一個小幅的提升，而普通天然河砂混凝土內(nèi)部相對濕度一直降低.制備與工程應(yīng)用2.4高鈦重礦渣混凝土界面微觀分析礦渣砂混凝土28d普通砂混凝土28d

C40混凝土SEM圖片礦渣砂混凝土500d普通砂混凝土500d

高鈦重礦渣砂混凝土沒有明顯的界面過渡區(qū)，無Ca(OH)2晶體富集的現(xiàn)象，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，水泥水化產(chǎn)物進(jìn)入高鈦重礦渣砂內(nèi)部的孔隙，形成致密的“嵌套”結(jié)構(gòu)，改善了高鈦重礦渣集料的界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)集料界面的結(jié)合力。制備與工程應(yīng)用制備與工程應(yīng)用三、高鈦重礦渣碎石混凝土制備3.1原材料水泥：瑞豐P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度（0.08mm篩余）2.6%；粉煤灰：攀枝花寶利源Ⅱ級粉煤灰，需水量比98%，細(xì)度（0.045mm篩余）16.1%。減水劑：成都合力高效聚羧酸減水劑，減水率30%。普通砂：細(xì)度模數(shù)2.5～3.0。高鈦重礦渣碎石：環(huán)業(yè)冶金渣公司生產(chǎn)高鈦重礦渣碎石，快冷多孔，粒徑為5~25mm的連續(xù)級配。制備與工程應(yīng)用3.2高鈦重礦渣碎石混凝土最優(yōu)配合比強(qiáng)度等級鋼纖維/kg聚丙烯腈纖維/kg水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石纖維素醚/×10-4減水劑減水劑/%水膠比坍落度/mm抗壓強(qiáng)度/Mpa0h1h7d28dC30//230160426：41B1.10.3820019027.942.1C403.01.034080436：40.5C1.40.3422020042.554.4C503.0/43060436：4/D1.60.3218017051.662.7注：水膠比為砂石中的含水量與外部加水量總質(zhì)量與膠材質(zhì)量比。制備與工程應(yīng)用3.3高鈦重礦渣碎石混凝土物理力學(xué)及長期性能強(qiáng)度等級適用部位抗折強(qiáng)度/MPa劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa靜彈性模量/×104GPa抗裂等級抗?jié)B等級Cl?擴(kuò)散系數(shù)/×10?12m2/s

平均碳化深度/mm90次循環(huán)/%自收縮率/10-6干燥收縮值/10-6徐變系數(shù)28d28d28d56d28d28d28d60dC30承臺5.13.93.53Ⅲ級P112.440.48366.82141.55C40墩柱5.44.23.79Ⅳ級P122.230.48770.71841.47C50預(yù)制梁7.25.13.88Ⅳ級P151.890.38878.21771.08制備與工程應(yīng)用高鈦重礦渣混凝土制備工藝檢驗混凝土坍落度、和易性混凝土輸送泵泵送入?；炷琳駬v混凝土養(yǎng)護(hù)混凝土運輸至施工現(xiàn)場混凝土檢驗出廠輸入混凝土攪拌車運輸水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、減水劑攪拌60～90s高效減水劑水泥、粉煤灰、重鈦礦渣砂、碎石混合干拌30s水泥、粉煤灰、重鈦礦渣砂、碎石混合物和水?dāng)嚢?0s供水設(shè)備給水裝載機(jī)送料電子稱計量裝載機(jī)送料電子稱計量螺旋輸送機(jī)送料電子稱計量測量集料的含水率高鈦重礦渣砂碎石水泥、粉煤灰儲存對礦渣集料進(jìn)行預(yù)濕處理水源供應(yīng)高鈦重礦渣堆料場鏟車對砂進(jìn)行勻質(zhì)化處理制備與工程應(yīng)用高鈦重礦渣砂混凝土在倮果金沙江特大橋中的工程應(yīng)用原材料水泥：攀枝花市鋼城集團(tuán)瑞豐P.042.5水泥。云南紅河P.052.5水泥。拌合用水：飲用水。砂：環(huán)業(yè)公司濕磨生產(chǎn)高鈦重礦渣砂，細(xì)度模數(shù)2.4～3.1。碎石：馬店河廠普通天然碎石，粒徑為5~25mm的連續(xù)級配碎石。粉煤灰：攀枝花寶利源Ⅱ級粉煤灰。外加劑：成都合力高效聚羧酸減水劑。硅灰：攀枝花攀煤電冶工業(yè)有限公司生產(chǎn)硅灰。施工配合比強(qiáng)度等級水泥品種適用部位水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石硅灰/kg減水劑減水劑/%水膠比坍落度/mm抗壓強(qiáng)度/Mpa0h1h7d28dC65-1瑞豐主梁46020416：435D1.70.3323021063.078.0C65-2紅河主梁44585415：5/D1.350.3923020063.074.6等級有效水灰比砂率（％）有效用水(kg/m3)水泥（kg/m3)砂(kg/m3)C650.3240170445736大石(kg/m3)(5~25mm)小石(kg/m3)(5~16mm)外加劑(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)外加劑(％)4446668.0851.5制備與工程應(yīng)用8.6性能指標(biāo)：

強(qiáng)度等級：C65，塌落度≥220mm，擴(kuò)展度≥500mm，保塑性90min內(nèi)，可泵送施工，5天抗壓強(qiáng)度≥55MPa。制備與工程應(yīng)用制備與工程應(yīng)用C50高鈦重礦渣砂混凝土經(jīng)濟(jì)性分析編號麗江P.O42.5水泥/kg粉煤灰/kg砂/kg石/kg減水劑/kg水/kg工地（河砂）494059611564.9154總價/元237.1072.1261.2731.85/合計/元/方402.34C50礦渣麗江P.O42.5水泥/kg粉煤灰/kg砂/kg石/kg減水劑/kg水/kg4504883610215.5187總價/元2166.2424.254.135.8/合計/元/方336.34編號紅河P.O52.5水泥/kg粉煤灰/kg砂/kg石/kg減水劑/kg水/kg工地（河砂）4458570611046.9184總價/元338.212.7534.645.345.5/合計/元/方476.4C65-1瑞豐P.O42.5水泥/kg硅灰/kg粉煤灰/kg砂/kg石/kg減水劑/kg水/kg4603520772111010.3174總價