浅析复高钛重矿渣混凝土长期变形性和耐久性

作者：郑晓敏

   高钛重矿渣是攀钢集团冶炼钒钛磁铁矿过程中产生的一种具有一定强度的工业固态废弃渣，其TiO2含量高达22%左右，故称高钛重矿渣。目前攀枝花西渣场等大型渣场高钛重矿渣堆积如山，面临无处排渣的局面。而将高钛重矿渣分级破碎制成粗、细骨料以及球磨成矿渣微粉取代部分水泥配制混凝土运用于建筑结构领域，是解决攀钢弃渣过量堆积的重要举措，对于响应国家打造攀西长江上游生态经济圈，合理利用工业废弃物，保护环境，降低建设成本等具有重要的意义。但高钛重矿渣的物理化学性质不同于普通砂、石，对用其制成的新型混凝土的长期变形性和耐久性怎样，国内目前尚缺乏系统的试验研究，造成在工程应用上的顾虑。

  混凝土长期变形性和耐久性问题是国内外工程界非常关注的问题，由于混凝土长期变形性和耐久性不足而引起的经济损失十分巨大，每年都会花大量费用用于混凝土修复工程。若能进一步重视混凝土工程的长期变形性能和耐久性能，将会大大提高工程质量，延长其使用寿命，节约资源，带来良好的经济效益和社会效益。

  在矿渣混凝土耐久性研究方面，李俊等从耐磨性、干缩、抗裂性等方面，研究了矿渣等矿物掺合料对道路高性能混凝土性能的影响和机理，结果表明，掺入质量分数为20%- 40%粉煤灰和矿渣的道路高性能混凝土具有工作性好、后期强度高、耐磨、低收缩以及抗裂性好等特点。汉斯Beushausen研究了钢铁渣复合粉做混凝土掺合料时混凝土的耐久性。通过对混凝土试块碳化试验、自然电位和液相碱度等的测定，来评价钢铁渣复合粉对混凝土耐久性的影响效果，得出其最优的复合比例和掺量范围。李爱美、李兵等利用高钛重矿渣做粗骨料配制C20混凝土，对其进行耐久性研究，结果表明，高钛重矿渣混凝土的抗渗性、碳化深度、氯离子扩散系数等耐久性能优于或同于普通混凝土，但研究仍具有局限性。对于CHTHSC混凝土更缺少较全面和深入的研究，为此，本文对CHTHSC混凝土的长期变形性能和耐久性能进行试验研究，并从实际工程进行调查取样试验，为该种混凝土的推广应用提供参考依据。

1  CHTHSC试验原材料选用及配合比设计

1.1  材料选用

  粗骨料：选用攀钢环业公司生产的高钛重矿渣碎石，通过筛分析试验，得到该粗骨料为6. 2mm -32. 6mm的连续级配碎石，符合级配要求；并测得其表观密度为2840kg/m3，堆积密度为1460kg/m3，含水率2. 8%。

  细骨料：选用攀钢环业生产的高钛重矿渣砂，细度模数2.9-3.3，渣粉含量11%-13%，并测得表观密度为3250kg/m3，堆积密度为1790kg/m3，含水率5. 2%。

  水泥：选用攀钢环业生产的P．0 42. SR (fce=49. 8MPa)普通硅酸盐水泥，并测其表观密度为3100kg/m3。

  复合微粉掺合料：攀钢环业生产的复合微粉，45μm筛余17%，需水比96%，采用超量系数法20%取代水泥。

  水：自来水。

1.2  设计配合比

  为使研究具有典型性和代表性，配制实际工程中最为常用的C30等级混凝土进行试验研究，根据《普通混凝土配合比设计规程》( JCJ 55-2011)681进行试验配合比设计，混凝土配合比各材料用量见表1。

2  CHTHSC的变形性能

2.1  服役期稳定性

  采用热水法对CHTHSC服役期的体积安定性进行评价，测量尺寸为75mm×75mm×285mm的混凝土试件的体积变形量和观察分析混凝土微观结构，从而确定CHTHSC是否处于长期稳定。试样分别在50℃、80℃的热水及常温养护28d后处于150℃蒸汽压力下三种试验条件进行测量，测试不同时间的试件在水热条件下的线膨胀率，结果见表2。

  从表2中的试验数据可以看出：试样在50℃、80℃的热水中养护时，试样体积先有较小幅度的收缩后膨胀，但是体积变形量不大，60d后慢慢趋于稳定状态；在常温养护28d后处于150℃蒸汽压力下的试样，在Sh后开始测量其线膨胀率，总体变化不大，说明在此条件下该试样的体积基本是不变的，所以该混凝土不存在较大的体积安定性问题。同时，在显微镜下没有观测到试样发生开裂的现象，如图1所示。

  为了更好地观测混凝土试样的内部细微结构，将试样制作成光片，观察各种温度条件下养护60d后混凝土的内部结构，如图2所示。根据图中所示，试样内部的粗细骨料与水泥浆体粘贴程度较好，没有出现明显的细小裂纹，从而进一步说明了CHTHSC服役期的稳定性。

2.2收缩变形及影响因素分析

  CHTHSC收缩变形试验在《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的基础上进行，采用改进的实时量测方法，取消了在100mm×100mm×515mm的棱柱体混凝土两边埋设的测头，取而代之的是粘贴在两侧的平板，混凝土上部支撑1根与混凝土热膨胀系数相当的金属直杆，且与千分表相连，测定绘出试件收缩连续光滑曲线，见图3。从收缩曲线可以看出：CHTHSC的干燥收缩主要发生在14d之前，之后混凝土收缩仍在继续发生，但是收缩幅度逐渐减小，到90d左右，其收缩变化基本趋于稳定，总体而言CHTHSC的收缩量较小。

  制作如图4高钛重矿渣骨料SEM图像，对CHTHSC的结构界面特征和混凝土收缩机制分析：高钛重矿渣骨料能够吸收混凝土中的部分拌合水，降低早期实际水灰比，有助于降低混凝土塑性阶段的水分蒸发速率和内部湿度的变化。在绝对湿度或干燥条件下，高钛重矿渣骨料多孔的结构在混凝土内部产生了释水或吸水一释水效应，改善了体系中的湿环境，降低了内部的毛细管负压，从而有效抑制了该种混凝土的收缩变形。

2.3徐变及影响因素分析

  根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，制作150mm×150mm×550mm的试件，共3组，每组3个试样，与普通混凝土进行同时制作和试验对比。试件在28d龄期开始加荷，试验结果见表3，CHTHSC徐变度满足规范要求。

从表3可以看出，CHTHSC和普通混凝土随着龄期增长，其徐变度都逐渐增大；CHTHSC不同龄期徐变度低于普通混凝土。运用扫描电子显微镜对CHTHSC进行界面微观形貌分析，结果见图5，能够看到CHTHSC内部结构更加密实，界面过渡区基本没有裂纹产生。分析其原理，由于高钛重矿渣的细小空隙结构使粉料（粉料除复合微粉外还来自于矿渣破碎、筛分产生的矿渣微粉）易于进入，反应生成的水化产物能够较好地与高钛重矿渣粗、细骨料结合，增强了混凝土的结构致密性，武汉理工大学丁庆军等称之为产生“销钉效应”。

3  CHTHSC的耐久性能研究

  在对CHTHSC的变形性能研究的基础上，进一步研究混凝土的耐久性。混凝土的耐久性取决于多种复杂的因素，诸方面的因素达200项之多。除设计、施工与环境方面的因素以外，针对目前CHTHSC主要用于攀西地区工程，攀西地区工业众多，环境中C02、酸、碱等易对混凝土耐久性影响较大的几个指标进行试验研究。

3.1碳化性能

  混凝土的碳化会加剧高钛矿渣类混凝土的收缩而开裂，主要还会降低混凝土的碱度，使钢筋易锈蚀，因此试验CHTHSC的碳化性能尤为必要。

  根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》( GB/T 50082-2009)在攀枝花市建设工程质监站进行试验，采用标准试件，3个试件为1组，在28d龄期时将试件放入标定C02的浓度和湿度的碳化箱内进行试验。在3d、7d、14d和28d时分别取出试件，破型以测定碳化深度，结果见表4。

  CHTHSC的抗碳化性适中，各龄期混凝土的碳化深度满足规范要求。

3.2碱-骨料反应

  硬化混凝土中所含的碱（Na20和K20）与骨料中的活性成分发生反应，生成具有吸水膨胀性的产物，在有水的条件下吸水膨胀，导致混凝土开裂，对矿渣类混凝土尤为不利。

  根据《混凝土碱含量限值标准》测得高钛重矿渣骨料、拌合水的碱含量，记为：Aaw，粉煤灰提供的碱含量，记为Ama以及水泥提供的碱含量，记为Ac，计算出CHTHSC的碱含量，记为A，则A=Aaw+Ama+Ac=1.95kg/m3，该值满足各类级别工程结构在各种环境下的碱含量限值，不会发生碱一骨料反应破坏。事实上，攀钢环业公司也在高钛重矿渣基本材性试验中测得该种骨料属非碱活性骨料。

3.3  抗硫酸盐侵蚀性能

  试验根据《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB／T 749-2008)进行，试件为100mm×100mm×400mm的混凝土试块。通过测量该混凝土的体积膨胀情况及在硫酸盐侵蚀后的抗折强度，得出其抗蚀系数和膨胀率。测量数据见表5，该混凝土的抗蚀系数为0. 97，可知该混凝土具有良好的抗蚀性能。在3.0%硫酸钠溶液中养护的混凝土的体积膨胀值也较小，同在20℃淡水中养护时的混凝土体积膨胀情况几乎接近，说明该混凝土受硫酸盐侵蚀程度较轻。

3.4氯离子扩散系数

  由于试验条件有限，加之CHTHSC这种特定的混凝土组成材料，采用赵铁军等研究的一种无须进行试验就能迅速计算得到氯离子扩散系数，记为Dc估计值的方法。该方法的预测计算公式如下：

  式(1)中，X1- X8代表混凝土配比中各影响因素，是在大量试验和对试验结果及参数进行统计分析的基础上得出的适用范围和标准值，见文献[13]中表1，根据复高钛重矿渣混凝土的配制，具体取值后算出Dp，然后得到保守的Dc：

  按上述方法算得高钛重矿渣混凝土氯离子扩散系数Dc= 96mm2/a，满足规范要求。

3.5  抗渗性能和抗冻性能

  实验室还对CHTHSC的抗渗性能和抗冻性能进行了试验，以便更多地掌握该种混凝土的耐久性指标。

  试验得到CHTHSC的抗渗等级为P6，抗冻等级为F100，满足混凝土耐久性设计要求。

4  高钛重矿渣混凝土类工程的耐久性调查试验

  为验证CHTHSC在实际工程中的耐久性，对以前利用高钛重矿渣作混凝土（仅用作粗骨料，英文简写为“HTHSC”）施工的工程以及用CHTHSC的工程进行调查和钻芯取样试验。

  原攀矿二公司的高钛重矿渣混凝土类工程，距今已有37年，其仓库处的预制柱、吊车梁常处于吊车的动荷载作用下，其构件工作正常，外观变形不明显，符合耐久性设计要求。对该工程柱子钻芯取样，观察芯样结构密实，有铁样颗粒存在但无锈蚀，测试芯样混凝土强度均高于设计强度。攀钢环业公司办公楼工程，修建于2003年，主体框架以及室外公路均用的高钛重矿渣混凝土，观察其混凝土外观变平整密实。对其进行钻芯取样，观察到芯样混凝土结构密实，测试芯样的强度均高于设计强度值。各工程调查情况详见表6。

5  结论

  1) CHTHSC服役期间没有体积安定性问题；总体上收缩值不大，60d收缩应变为190×10 -6mm，后趋于稳定；60d徐变度为33.9×10 -6MPa，满足建设工程标准。

  2) CHTHSC的碱含量为1.95kg/m3，不会发生碱一骨料反应；28d后的碳化深度为3.47mm，抗渗等级为P6，氯离子扩散系数为96mm2/a，硫酸盐侵蚀抗折系数为0. 97，抗冻等级为F100，各项指标均满足混凝土耐久性要求。

  3)经历较长年限，高钛重矿渣类混凝土工程结构外观没有变异，钻芯取样测得的高钛重矿渣类混凝土抗压强度均高于原设计强度。

4) CHTHSC的长期变形性和耐久性达到甚至高于普通混凝土标准，这与高钛重矿渣骨料的释水或吸水一释水效应和“销钉效应”在混凝土中的作用有关。

6[摘  要]对复高钛重矿渣混凝土的长期变形性和耐久性能进行研究，结果表明：复高钛重矿渣混凝土没有体积安定性问题，收缩变形和徐变均符合设计标准；复高钛重矿渣混凝土没有碱一骨料反应，其碳化性能、抗渗等级、氯离子扩散系数、硫酸盐抗蚀性能和抗冻等级均满足混凝土耐久性设计规范。对主要指标收缩和徐变性能进行机理研究和分析，并对原高钛渣混凝土工程进行耐久性抽样调查，其芯样混凝土抗压强度均高于设计强度，外观没有变异。试验成果对该种骨料混凝土的推广应用提供了重要参考依据。