高鈦高爐渣在混凝土材料中的應用

摘要：高鈦高爐渣是攀鋼公司煉鐵后產生的特有礦渣，由于TiO2 含量較高，礦渣的綜合利用率低，近年來不斷開發(fā)高鈦礦渣在混凝土中的應用。從高鈦礦渣的物理力學性能、高鈦渣混凝土的配合比設計和使用性能等方面，對高鈦礦渣混凝土的應用進行介紹。實踐表明，高鈦礦渣混凝土性能優(yōu)良，綜合經濟指標好。

關鍵詞：高鈦礦渣；高爐渣；混凝土；應用

中圖分類號：TQ172.4+4 文獻標識碼：B 文章編號：1001- 702X11- 0071- 03

　　攀鋼高爐冶煉使用的釩鈦磁鐵礦冶煉后形成的高爐渣，其化學成分見表1。

　　由于礦物成分中含一定量的TiO2，給礦渣的后序加工處理帶來了困難, 一直采取露天堆置存放。攀鋼自投入生產以來，已存放了6 000 萬t 的高爐渣，占用了大量土地，污染環(huán)境，且每年新增300 萬t 高爐渣，因此高爐渣的利用已成為政府和企業(yè)關注的重點問題。

　　攀鋼高爐渣中的化學成分，其中TiO2 含量約占22%，故稱高鈦高爐渣。將其作為提煉鈦金屬原料，品相太低，經濟性差，目前仍在試驗室研究階段。根據JC 418—91《用于水泥中的?；郀t渣》的規(guī)定，TiO2 含量超過10%的高爐渣只能作為水泥中非活性材料，因而攀鋼高爐渣不能像其他煉鋼廠的礦渣一樣生產礦渣硅酸鹽水泥。20 世紀70 年代后，有關單位進行了試驗研究，將高爐渣破碎后作為混凝土粗骨料。2002 年后，高鈦高爐渣大規(guī)模應用于建筑材料中，主要應用項目有混凝土礦渣粗細骨料、礦渣砌塊、礦渣商品混凝土、礦渣陶瓷、礦渣復合微粉等，其中混凝土粗細骨料年消耗量達200 萬t 左右，加上其他項目應用，高鈦高爐渣達到產銷平衡。

1 高鈦礦渣骨料基本物理力學性能

1.1 高鈦礦渣粒徑與密度關系

　　高鈦高爐渣出爐后在高溫狀態(tài)下，經水淬急冷，再經破碎形成渣石、渣砂。因其含鈦量高，也稱為高鈦重礦渣。高鈦重礦渣的粒徑與表觀密度、堆積密度關系見表2。

1.2 高鈦重礦渣砂的性能指標

　　高鈦重礦渣砂壓碎指標與抗壓強度、表觀密度、堆積密度、孔隙率沒有太大關系，壓碎指標波動較小，均在碎石壓碎指標Ⅱ類范圍內。試驗測得高鈦重礦渣沖擊強度為2.0～5.0MPa，具有良好的抗沖擊韌性；高鈦重礦渣碎石的磨耗率為16.1%，韌度為76.5，接近天然石灰?guī)r碎石的性能指標。

2 高鈦重礦渣混凝土性能

2.1 全高鈦重礦渣混凝土

　　部分或全部采用高鈦重礦渣碎石或砂作為骨料配置的混凝土中，粗細骨料均為高鈦礦渣的稱為全高鈦重礦渣混凝土。在相同配比條件下，采用全高鈦重礦渣與天然骨料配制的混凝土對比試驗發(fā)現，全高鈦重礦渣混凝土的強度比采用天然骨料的高，試驗結果見表4。

　　分析全礦渣混凝土強度較普通骨料混凝土強度高的主要原因：一是礦渣碎石表面粗糙、多孔，與漿體接觸面積增大，漿體注入骨料孔中，形成銷栓效應，增強了骨料和膠體界面的粘結力。二是礦渣骨料含水率較高，這些水分在膠體材料硬化過程中逐漸釋放出來，促進了水泥膠體向結晶體的轉化，加強了混凝土的養(yǎng)護。三是礦渣骨料中無針片狀顆粒，骨料受力性能好。

　　礦渣砂混凝土的強度較天然砂混凝土的強度也有較大幅度提高，一般提高5 MPa 左右，這是因為渣砂與天然砂相比沒有含泥量，且渣砂中的渣粉有活性，對混凝土強度增長有益。

2.2 摻和料對混凝土強度的影響

　　復合微粉是指將粒化高爐鈦礦渣、鋼渣、粉煤灰等磨細后復配而成的礦渣粉，其技術指標應符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的?；郀t渣粉》。摻和料可選取粉煤灰和復合微粉。經試驗配制C30 混凝土，分別以15%、20%、25%的摻量取代等量水泥，結果表明，摻和料比例越高的混凝土，工作性能越好。在摻入適量摻和料的情況下，混凝土的強度較基準混凝土略有提高。因此，為了改善混凝土工作性能，應摻入15%~20%的復合摻合料。

2.3 混凝土堿集料反應

　　試驗采用快速壓蒸法，按CECS 48—93《砂、石堿性活性快速試驗方法》進行，試驗結果見表5。

2.4 礦渣道路混凝土

　　道路混凝土不配置鋼筋，其控制指標是抗折強度，其次是坍落度控制在10 mm 內，面層應考慮耐磨性。選取水膠比、砂率及復合微粉取代率的3 因素4 水平試驗方案，設計了16 組高鈦重礦渣道路混凝道路試塊，進行抗折強度正交試驗，試驗方案見表6。

　　各因素、水平對7 d、28 d 混凝土抗折強度的影響試驗見圖1、圖2。由圖1、圖2 可見，對道路混凝土7 d 抗折強度影響的大小依次是水膠比>復合微粉取代率>砂率；對28 d 抗折強度影響的大小依次是水膠比>砂率>復合微粉取代率。

　　綜合結果表明，影響混凝土抗折強度的決定因素是水膠比，因此，應嚴格控制。

3 工程應用

　　自20 世紀70 年代以來，已有數10 萬m3 的高鈦礦渣混凝土在工業(yè)建筑的基礎、柱、梁、預制屋面板，住宅和辦公樓基礎、柱、地梁等結構構件，城區(qū)道路，構筑物中的水池、人防領域等的工程項目中應用。經過20 多年使用，至今完好無損，說明高鈦重礦渣混凝土結構是穩(wěn)定的。

　　近年來，全高鈦重礦渣混凝土已應用于高層框架結構和剪力墻結構，在城市道路的路面混凝土和穩(wěn)定層部分也有使用。無論是建筑工程還是道路工程都未發(fā)現工程質量問題，技術指標、經濟指標都優(yōu)于同級天然骨料普通混凝土。

4 需要進一步研究的問題

　　高鈦重礦渣混凝土作為一種新型建筑材料，理論研究和施工技術經驗還有待積累，尤其以下方面要引起足夠重視。

4.1 施工工藝

　　為了保證混凝土拌合料的和易性，須加入摻和料，砂率比普通混凝土增大4%～7%。應采用機械強制性攪拌，拌制前，對礦渣骨料充分濕水，控制振搗時間，避免過振，發(fā)現骨料上浮時，應立即拍平。

4.2 理論和試驗研究

　　目前僅開展骨料的材料性質和混凝土試塊強度研究，要盡快研究鋼筋和礦渣混凝土共同工作性能，為結構設計提供依據。高爐渣混凝土的徐變性能、抗?jié)B性能、耐久性以及高爐渣混凝土與鋼筋的握裹性能等有待深入研究。

4.3 在水工混凝土和高速公路中的開發(fā)應用研究

　　水利工程和高速公路的混凝土用量巨大，若能在該領域中推廣應用，對于高鈦礦渣混凝土是很有意義的。

5 結束語

　　高鈦重礦渣混凝土是技術指標合格，經濟指標優(yōu)良的新型建筑材料，在土木工程中作為普通混凝土和鋼筋混凝土均有廣泛的推廣價值，同時高鈦重礦渣混凝土的成功應用，對于保護環(huán)境，廢渣利用，發(fā)展循環(huán)經濟均有重大意義。

參考文獻:

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　　[3] 羅松林，楊秀云.攀鋼高鈦重礦渣混凝土的試驗及在工程中的應用.四川建筑，2005，9：177- 180.