（材料学专业论文）高钛重矿渣混凝土应用技术研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 由于至今还没有哪项高钛型高炉渣提钛技术能兼顾提钛及渣的大量利用并实现工业化生 产，因此建筑材料资源化仍是当前攀钢解决生产和环境问题的= l 三要途径之一。而目前攀铜高 炉渣在建筑材料中的应用研究深度、广度及系统性都十分缺乏。本文系统研究了高钛重矿渣 碎石、渣砂作为混凝土集料代替天然砂石的可行性。并在此基础上，依据国家现行的混凝土 配合比设计规范，采用高钛重矿渣碎石、渣砂集料，研究配制了c 1 0 c 5 5 普通矿渣混凝土和 c 2 0 c 6 0 泵送矿渣混凝土。并对混凝土的物理及力学性能、耐久性以及回弹规律进行了系统 研究。研究结果表明： 高钛型重矿渣集料在水热条件下，混凝土最大线膨胀率为1 2 3 x 1 0 n 蜘，无爆裂现象发 生，不存在体积安定性问题；高钛重矿渣集料碱活性反应表明，试样最大线膨胀率为0 0 4 6 ， 远远小于国家标准规定的0 1 0 的要求，耐久性符合国家相关规定要求。 在坍落度基本相同、胶凝材料用量大致相等的情况下，矿渣混凝土2 8 d 和6 0 d 强度比天 然砂石混凝土强度有较大幅度的提高，一般高5 l o m p a ，二者弹性模量相当。 c 2 0 矿渣混凝土抗渗等级为p 8 ，2 8 d 碳化深度为o 2 m m ，c i 。离子扩散系数为1 4 2 1x1 0 0 2 m 2 s ，硫酸盐侵蚀抗折系数为o 9 7 ，抗冻等级为f l o o ，满足混凝土耐久性设计要求。 矿渣混凝土回弹曲线与攀枝花地区专用回弹曲线有显著差异，为保证建筑结构安全，在 实际建筑安全评价中用专用的回弹曲线。 关键词：高钛重矿渣混凝土；理化性能；应用；耐久性；回弹曲线 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e r ed o e s n th a sa n yt e c h n o l o g yw h i c hc o u l dr e c o v e r yt i t a n i u mf r o mh i g h t i t a n i u m b e a r i n gb fs l a ga n dm a k ef u l lu s eo ft h er e s i d u ea tt h es a m et i m e e v e ni m p l e m e n t s i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，u s i n gt h eh i g ht i t a n i u m b e a r i n gb fs l a ga st h eb u i l d i n gm a t e r i a l si s am a j o rr o u t ef o rp a n z h i h u ai r o n & s t e e lc o 。p r e s e n t l y , t h er e s e a r c ho fu s i n gb fs l a gi nt h e b u i l d i n gm a t e r i a l si s n te n o u 曲t h i st h e s i ss t u d i e so nt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gh i g ht i t a n i u m b e a t i n g b fs l a gs u b s t i t u t ef o rt h en a t u r a ls a n d s t o n e sa st h ec o n c r e t ea g g r e g a t e o nt h eb a s i so fp r e v i o u s w o r k c 1 0 c 5 5o fc o m m o nc o n c r e t ea n dc 2 0 c 6 0o f p u m pc o n c r e t ea r ep r o d u c e db yt h i ss l a ga s t h ec o n c r e t ea g g r e g a t ea c c o r d i n gt ot h es t a t e se x i s t i n gd e s i g nn o r mo fc o n c r e t em i x t u r er a t i o t h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , d u r a b i l i t ya n dr e b o u n dr e g u l a r i t yo f c o n c r e t eh a v eb e e ns t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： u n d e rt h ec o n d i t i o no fh y d r o - t h e r m a l t h el a r g e s tl i n e a re x p a n s i o nr a t eo fs l a gc o n c r e t ei s 1 2 3 x 1 0 。o m m mw i t h o u tb u r s t i n g s ot h ep r o b l e mo fv o l u m ev a r i a b l ed o e sn o te x i s t t h e a l k a l i - a g g r e g a t er e a c t i o no fs l a ga g g r e g a t ei n d i c a t e st h a tt h el a r g e s tl i n e a re x p a n s i o nr a t eo fs a m p l e s i s0 0 4 6 w h i c hj sf a rl e s st h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r d s0 10 d u r a b i l i t yc a nh es a t i s f i e dw i t ht h e r e q u i r e m e n t so fr e l e v a n tn a t i o n a lr u l e s w h e nt h es l u m pc o n s t a n ta n dt h ea m o u n to fc e m e n t i n gm a t e r i a l sa r et h es a m e 。t h ei n t e n s i t yo f s l a gc o n c r e t eo f2 8 d a y sa n d6 0 d a y sa r em u c hh i g h e rt h a nt h a to fn a t u r a ls a n d s t o n ec o n c r e t e t h e s l a gc o n c r e t ea n dt h en a t u r a ls a n d s t o n ec o n c r e t eh a v et h es a m ey o u n g sm o d u l u s t h eg r a d eo f i m p e r v i o u so f c 2 0s l a gc o n c r e t ei sp 8 t h ed e p t ho f c a r b o n i z a t i o ni s0 2m m t h e d i m s i o nc o e 佑c i e n to f e li s1 4 2 1 x 1 0 1 2m 锪t h ef l e x u r ec o e f n c i e n ta f t e rc o r r o s i o nb ys u l p h a t ei s o 9 7 t h eg r a d eo ff r o s tr e s i s t a n c ei sf 1 0 0 a l lo ft h e s ef a c t o r sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e d u r a b i l i t yd e s i g no f c o n c r e t e t h es p e c i a lr e b o u n ds t r e n g t hc u i v eo fh i g ht i t a n i u mb fs l a ga n dt h er e b o u n ds t r e n g t hc u r v eo f t h ea r e ao f p a n z h i h u ah a ss i g n i f i c a n td i f i e r e n c e i ti sb e t t e rt ou s et h es p e c i a lr e b o u n ds t r e n g t hc u r v e t nt h es a f e t ye v a l u a t i o no f a c t u a lc o n s t r u c t i o nt oa s s u r et h e s a f e t yo f t h eb u i l d i n gs t r u c t u r e k e yw o r d s ：h i g ht i t a n i u m b e a r i n gb fs l a gc o n c r e t e ；p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t y ；a p p l i c a t i o n ； d u r a b i l i t y ；r e b o u n ds t r e n g t hc u i n e 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 i 引言 第一章文献综述 高炉重矿渣是冶炼时产生的熔融矿渣在空气中自然冷却或热泼形成的一种具有一定强度 的石质材料攀钢高炉重矿渣由于含有2 阶2 6 的t i 0 2 ，理化性能与普通高炉重矿渣有显 著差异，因此，被称作高钛型高炉渣 关于高钛型高炉渣中有价元素提取利用问题目前仍然是一个亟待解决的重大技术难题， 尽管国家在“六五”、“七五”、“八五”组织了国家级大规模的科技攻关，近年来地方政府和攀钢 也投入大量人力物力，研究试验了多种工艺技术，但至今还没有哪项技术兼顾提钛及渣的大 量利用并实现工业化生产i l ，高钛型高炉渣建筑材料资源化仍是当前攀钢解决生产和环境问 题的主要途径。 当前，现代建筑物的高层化、大跨化、轻量化和使用环境的严酷化，以及城市建设的发 展和施工水平的提高，对混凝土的品质指标提出了更高要求，高强混凝土已经成为混凝土的 一个重要发展方向。同时由于环境污染，混凝土使用条件日益严酷，混凝土长期耐久性和建 筑结构安全也是当前混凝土材料学科需要研究的重要问题 采用高钛型高炉重矿渣作混凝土集料以前曾经有过研究和应用，但都是浅尝则止，上世 纪7 0 年代以来，十九冶和攀钢进行了用高钛重矿渣作混凝土粗集料的一系列试验研究，并在 攀钢部分工业厂房应用中，试验研究和工程应用表明：攀钢高钛重矿渣作为混凝土粗骨料是 可行的，能满足一般工程的需要但对全部采用高钛重矿渣作混凝土集料生产高强混凝土的 可行性、矿渣集料对混凝土工作性，耐久性等影响，以及其对建筑结构安全的问题影响等方 面的研究尚无文献报道 本课题旨在研究矿渣集料配制矿渣混凝土方法以及其在建筑工程中应用的可行性，通过 探索掌握高钛型重矿渣混凝土的配制技术，以及其对混凝土工作性、耐久性的影响规律，同 时通过回弹曲线的建立，为地方建立高钛重矿渣混凝土建筑结构安全测试提供技术依据，为 高钛型高炉渣的综合利用开拓一条新途径。 1 2 国外普通高炉渣的利用与发展 高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。每生产一吨生铁时，高炉矿渣的排放量， 依矿石的品位和冶炼方法不同而变化。就世界范围来看，排渣量占生铁产量的2 0 之5 ，若 按2 3 计算，全世界每年排出的高炉渣一亿一千万吨左右 国外高炉渣的大规模利用是从二十世纪中期开始发展起来的美国在1 9 1 5 年就颁布了 i c c 条例，禁止把高炉渣作为废料装运，鼓励钢铁企业把高炉渣运到渣处理公司进行加工： 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 进入二十世纪二十年代后，高炉渣在美国的各种建筑现场的旌工中得到了广泛使用，主要用 作地基垫层及道路基层材料；到二十世纪五十年代，美国高炉渣的利用就已达到了排用平衡， 历史积存的渣堆得到了逐步消除。日本和美国在二十世纪八十年代以前，高炉渣主要用于路 基材料，在趋于饱和之后，才逐渐把高炉渣作硅酸盐水泥的掺和料和混凝上土骨料。到二十 世纪末，美、日及欧洲等主要工业化国家都基本实现了高炉渣的当年排渣，当年用完，全部 实现了高炉渣资源化【引。从表1 1 中可看出国外一些主要国家高炉渣的利用情况【峋。 表1 1 国外高炉渣主要利用情况 注 ：表示一般用途：表示主要用途 近年来，在日本高炉渣的需求随建设项目的减少而减少，为解决每年产生的达3 4 0 万t 粒状高炉渣的回收利用问题，n 】( k 公司成功开发粒状高炉渣回收利用新方法，即使用粒状高 炉渣作为原料，覆盖并绝缘海床上产生的胶态沉淀物，新增需求1 5 0 万印，有效开发了高炉 渣的综合利用新途径。新日铁为解决国内需求不足的矛盾，1 9 9 8 年开始向中国台湾省、新加 坡和澳大利亚等地出口，用作水泥生产原料后来又积极开拓西非和北美市场，1 9 9 9 年向埃 及出口4 5 万t ，向美国出口4 万t ，加上其它用户预计出口总量可达9 0 9 5 万一 以上例证表明：国外钢铁厂在高炉渣利用初期均经历了利用高炉重矿渣取代天然原料做 混凝土骨料的阶段，随着研究深入，目前要真正解决高炉渣的综合利用问题，必须已经开始 走多元化的道路，并随着传统市场的变化，积极探索新的途径。 1 3 我国普通高炉渣利用现状及发展趋势 二十世纪五十年代以前，我国高炉产生的炉渣作为铁厂的废弃物之一，均堆存于渣场 据中国环境公报统计1 9 9 5 年固体工业废渣累计堆积达6 6 4 1 亿吨，占地5 5 万公顷，每年我 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 国固体工业废渣的排放量达6 亿吨以上，其中，排在前五位的分别是尾矿、煤矸石，粉煤灰、 炉渣、冶金废渣。1 9 9 5 年我国固体工业废渣分布情况见图1 1 【9 】我国普通高炉渣利用途径与 国外基本一致。除重矿渣的利用外，水淬高炉渣的利用获得长足发展，成为高炉渣利用的主 要渠道【1 m 1 2 1 圈1 1 工业固体废弃物总量分布情况( 1 5 年) 水淬高炉渣属于硅酸盐质材料，经研磨后有胶凝性，是一种潜在的活性水硬性物质。基 于高炉渣的这一特性，我国从二十世纪七十年代初，就把高炉水淬渣列为统配资源，作为矿 渣硅酸盐水泥的重要原料，正式纳入产品销售计划，并制订了用于水泥中的粒化高炉矿渣 的国家标准( g b 2 0 - - - 7 8 ) 将高炉渣用作水泥的活性掺和料时，在保证水泥基本性能的前提 下，一般掺入量为4 0 5 0 ，最高时可达7 0 。掺入2 0 的高炉渣可生产4 2 5 k 普通硅酸盐 水泥，掺入3 5 0 ，可生产4 2 5 r 和3 2 5 r 矿渣硅酸盐水泥，这对于迅速提高水泥厂产量和 降低产品成本十分有利。 我国普通高炉渣在上个世纪末基本实现了废渣资源化和产品化，利用途径主要是作为活 性材料加入水泥或混凝土中，而作为混凝土骨料应用于工业及民用建筑中未见报道没有得 到利用的是特殊高炉渣：如包钢的含t h 高炉渣、承钢的中钛型高炉渣和攀钢的高钛型高炉渣。 1 4 含钛高炉渣利用情况及存在的问题 1 4 1 含钛高炉渣资源分布及利用状况 世界上把钒钛磁铁矿作为铁矿资源，粗略估计为4 0 1 - 7 亿吨，其中低钛型钒钛磁铁矿类矿 床主要存在于前苏联卡契卡纳尔( 储量1 2 肛1 4 0 亿吨) ，古谢沃戈尔( 储量3 6 亿吨) 以及维 亚姆、沃尔科夫、第一乌拉尔、捷宾布拉克等地。 从二十世纪三十年代初开始，前苏联丘索夫冶金公司和下塔吉尔钢铁公司成功地进行了 低钛型钒钛磁铁矿的高炉炼铁，渣中t 0 2 含量在1 6 以下，一般维持在9 l o 。日本铁矿储 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 量少，但钛铁矿较为丰富，曾进行了高炉使用钛铁矿砂的试验研究，渣中t i 0 2 含量只维持在 3 以下。对高钛型钒钛矿国外主要是采取回转窑还原电炉炼铁的工艺。 我国河北承德钢铁公司生产的含t i 0 2 约1 5 的中钛型高炉渣，除部分用作碎石和渣砂外， 还有少量用作高炉护炉料，其余堆存。而攀钢高钛型高炉渣中的t i 0 2 含量则在2 2 2 6 左 右，出炉后的处理方法主要有两种：一种是自然缓冷生产重矿渣，另一种是水池浸泡生产的 水淬渣，数量较少，因无法利用而堆存在渣场。因此，攀钢目前正在大力进行高钛型高炉渣 综合利用研究，正在开发的项目及进行的研究主要集中在以下两个方面： 1 ) 提取渣中有益元素技术研究； 2 ) 直接应用高钛型高炉渣制作建筑材料。 在钛元素提取研究方面，国家在“六五”，“七五”、“八五”组织了大规模的科技攻关，近年 来地方政府和攀钢也投入大量人力物力，研究试验了多种工艺技术，主要技术方案有： 1 ) 高温碳化低温氯化制取t i c l 4 残渣制水泥工艺【协1 7 】； 高温碳化碳化渣分选碳化钛工艺【1 矧h ； 3 ) 硅热法还原高炉渣直流电炉冶炼硅钛铁合金工艺【2 1 甾】； 4 ) 熔融电解法制取硅钛铝合金工艺 2 6 - 2 7 ； 5 ) 硫酸法制取t i 0 2 工艺( 包括以改性高炉渣为原料) 【搏3 3 】； 6 1 高炉渣高温改性处理选择性富集含钛矿物选矿分离技术 3 4 - 3 8 1 ； 7 ) 直接选矿富集钙钛矿【3 9 。删； 8 ) 其它还有一些用盐酸处理高炉渣提取t i 0 2 的研究等等p i 卅 在以上众多研究方案中至今还没有哪项技术兼顾提钛及渣的大量利用并实现工业化生产 【1 2 】，从技术、经济、环保、市场等多方面对以上典型提钛技术进行综合评价后认为，没有哪 一种方法能够有效解决攀钢高炉渣的合理、经济、规模提钛问题，由此可见，今后对攀钢高 炉渣利用问题的研究开发应该遵循三条原则：合理、经济、多途径利用高炉渣资源，且要求 环境友好，处理量大 1 4 2 攀钢高钛型高炉渣在建筑材料中的应用研究情况 在含钛高炉渣用作水泥混合材方面，国内外做了大量研究。j o c k e n s 等人1 4 5 拍l 研究发现， 含钛高炉渣不能直接用于生产水泥的主要原因是其结晶能力太强，只有当渣中t i 0 2 含量低于 l o 时，才能用于生产水泥；德国专家h gs m o i c z y k 在1 9 8 0 年第七界国际水泥化学会议上 指出：若矿渣中含有大于4 的t i 0 2 ，则明显降低水泥的水化强度【4 刀前苏联专家 y a s h s h k o l n i c k 等在1 9 8 9 年中国攀枝花召开的钒钛磁铁矿开发利用国际学术会议上指出，当 渣中t i 0 2 在4 以下时，可用作生产水泥的矿物添加剂( 即活性掺和料) ，当渣中t i 0 2 在5 1 1 时，可用于生产水泥熟料( 即用作水泥配料入水泥窑煅烧) 【勰】敖进清等【4 9 】的研究表明：普 通高炉渣水化指数为1 0 5 ，同等条件下，攀钢水淬高炉渣水化指数仅为7 7 5 。重庆大学、 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 攀钢、建材院水泥所和重庆水泥厂曾对钛矿渣和钛矿渣硅酸盐水泥进行研究，试生产了8 0 0 余吨掺3 0 _ 4 0 的钛矿渣硅酸盐水泥并在工民用建筑工程中的应用 舡s 3 l ，表明钛矿渣可作为 非活性材料使用。1 9 9 1 年1 1 月国家颁布了“用于水泥中的粒化高炉钛矿渣”的中华人民共和 国行业标准( j c 4 1 8 9 1 ) ，该标准适用于n 0 2 2 5 的钛矿渣同时，国家又颁布了“复合硅 酸盐”国标。该标准指出可使用非活性混合材，如钛矿渣等，其掺入量在1 5 以内，从而恢 复了高钛型高炉渣作水泥混合材料的合法生产地位。但是在生产中并没有得到应用。 攀钢高钛重矿渣碎石、渣砂作为混凝土粗骨料的试验研究和实际工程应用工作始于上世 纪7 0 年代，十九冶和攀钢进行了用高钛重矿渣作混凝土粗集料的一系列试验研究，试验研究 和工程应用表明，攀钢高钛重矿渣作为混凝土租骨料是可行的，能满足一般工程的需要。”。 1 9 8 4 年，攀钢建安公司对攀钢高炉高钛水淬渣代替天然砂配制混凝土及砂浆的技术性能进行 了试验研究和应用【5 6 1 ，结果表明配制的各种3 0 皑标号混凝土和砂浆与普通混凝土与普通砂浆 相比，具有容重轻、强度高、隔热性好、抗裂纹收缩等优点，对建筑结构自重减轻效果显著， 同时降低了工程成本，但都没有推广应用主要原因在于：高钛重矿渣是一种特殊炉渣， 其矿物组成对混凝土工作性能的影响缺乏系统研究；建材行业是一个法规性很强的行业， 矿渣混凝土在工业与民用建筑中应用耐久性如何也缺乏科学定论；新材料的应用对建筑安 全评价是否有影喃也无明确的结论 1 5 混凝土耐久性 通常的情况下，混凝土设计都以强度为标准，但随混凝土抗压强度的提高，混凝土的耐 久性同样面临挑战。许多混凝土设施的破坏，不是由于强度不够，而是耐久性不足钢筋混 凝土的耐久性问题曾给世界各国带来了巨额的经济损失，1 9 9 0 年美国首先提出“高性能混凝 土”这一概念就是基于耐久性提出的据美国标准局1 9 7 5 年调查表明：美国各种腐蚀造成的 经济损失是7 0 0 亿美元，其中混凝土钢筋腐蚀就占4 0 ( 近2 8 0 亿美元) 二十世纪8 0 年代， 美国1 9 8 6 年州际公路混凝土桥梁修补费仅为2 6 亿美元，到1 9 8 9 年，美国运输部门在给国会 的一份关于全国公路与桥梁状况的报告中指出待修补的混凝土桥梁维修费已猛涨到1 5 5 0 亿美 元，十年增长6 0 倍因此，对该问题的研究正在成为混凝土学科研究的一个重要内容，也是 混凝土应用技术中的一个主要研究内容 所谓混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用 下，保持其自身工作能力的性能耐久性及其影响因素见图1 2 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 材料层次 r 碳化机理 棍凝土碳化 鬟芝曩妻 【其他中性化困素 f 腐蚀机理 氯盐腐蚀 渗入棋型 【防护措施 f 冻窖机理 冻融破坏 影畸困素 【抗冻措施 r 反应机理 碱一集料反应 彰精园紊 【防治措施 f 锈蚀机理 壤箭锈蚀 鬈：寰茎 【检测与防护 图1 2 混凝土结构耐久性及其影响因素 在以上各种影响因素中，碱集料反应是是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。所谓碱 集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，在外观上主要 是表面裂缝、变形和渗出物；而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性集料、内部裂缝等。 混凝土结构一旦发生碱一集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，如空气、水、二氧 化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋 原来的体积，又会使裂缝扩大：若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这 样就造成了混凝土工程的综合性破坏 1 6 本论文的提出 纵观国内外高炉渣利用技术状况，以及高钛型高炉渣综合利用研究进展，高钛型高炉渣 实现合理、经济地提钛工业化还有很长的路要走，为实现攀钢生产可持续发展，高钛型高炉 渣建材资源化应该是当前合理的使用途径之一 将攀钢高炉渣应用于混凝土中是目前规模应用高炉渣的可选途径之一前期试验研究和 工程应用表明，攀钢高钛重矿渣作为混凝土粗骨料是可行的，能满足般工程的需要。但全 部用高钛重矿渣代替天然材料配制混凝土尚需进行全面研究，因为：高钛重矿渣与一般重 矿渣相比，化学成分与矿物组成不同，其t i 0 2 含量高达2 0 2 4 ，全部利用高钛重矿渣作 集料是否可行必须对其特性进行系统性研究；由于集料特性改变而引起的混凝土配合比设 计、施工等必须进行系统研究，为地方法规的建立打下提供技术保障；矿渣混凝土、矿渣 砂浆力学性能、长期耐久性等尚未进行系统的研究，缺乏科学定论 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 本论文的研究工作将在前期工作的基础上，通过对矿渣混凝土、矿渣砂浆的配制技术、 施工性能、力学性能研究，探索重矿渣混凝土系列产品的配制规律，同时对矿渣混凝土应用 过程中的耐久性问题，以及建筑安全性等进行研究，为推进攀钢高钛高炉渣在建筑混凝土中 规模化应用，为地方法规的建立打下良好的基础。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章试验研究内容及研究方案 2 1 研究内容 本工作拟围绕高钛型高炉重矿渣混凝土在工业与民用建筑中的应用问题，根据国家和行 业相关技术规范和要求，研究全矿渣混凝土的配合比设计、生产和施工过程的一般规律，为 高钛型高炉重矿渣混凝土的推广应用提供技术依据，为缓解攀钢高钛型高炉渣对攀枝花市的 环境压力提供可能的方法途径。 主要研究内容如下： ( 1 ) 高钛型高炉重矿渣用作混凝土集料的可行性研究； ( 2 ) 高钛型高炉重矿渣混凝土配合比设计研究； ( 3 ) 普通高钛型高炉重矿渣混凝土力学性能、施工性能研究； ( 4 ) 高钛型高炉重矿渣泵送混凝土的相关性能研究； ( 5 ) 高钛重矿渣混凝土回弹性能研究。 通过系统研究，掌握高钛型高炉渣在高性能混凝土中应用的一般规律，为高钛型高炉重 矿渣混凝土的推广应用打下良好基础的同时，也为建立专门的矿渣混凝土相关规程和地方法 规提供技术支撑。 2 2 研究方案 高钛型高炉重矿渣碎石、渣砂的性能研究按建筑用卵石、碎石( g b 厂r 1 4 6 8 5 - 2 0 0 1 ) ， 建筑用砂( g b 厂r 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 标准进行试验 高钛重矿渣集料的矿物组成采用x 谢线衍射分析和岩相分析方法进行；集料孔结构分析 用d t 2 0 0 0 软件将显微镜采集到的图像输入计算机进行 高钛重矿渣集料在服役期的稳定性采用水热法进行评价，试验采用快速压蒸法，按砂、 石碱活性快速试验方法( c e c $ 4 8 ：9 3 ) 进行 高钛重矿渣混凝土试样制备与常规性能测试依据普通混凝土拌合物性能试验方法 ( g b 厂r 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ) ， 普通混凝土力学性能试验方法( g b 厂r 5 0 0 8 l - 2 0 0 2 ) 进行。 高钛重矿渣混凝土回弹专用测强曲线按照回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 ( j g j ，r 2 3 - 2 0 0 1 ) 的要求进行 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第三章高钛型高炉重矿渣的基本性能研究 3 1 高钛型高炉重矿渣化学及矿物组成研究 g b t 1 4 6 8 5 - 2 0 0 l 及g b t 1 4 6 8 4 - 2 0 0 1 对建筑用卵石，碎石及建筑用砂的技术标准作出了 明确规定。高钛型高炉重矿渣的技术性能指标能否达到上述标准规定的要求是高钛型高炉重 矿渣能否作为混凝土集料的关键。本章拟对高钛型高炉重矿渣的基本性能进行系统研究，以 进一步明确高钛型高炉重矿渣作为混凝土集料的可行性。 高钛型高炉重矿渣从1 9 7 6 年至2 0 0 5 年5 月的化学成分统计情况见表3 1 ，矿物的组成及 其中t i 0 2 的分布状况见表3 2 。攀钢高炉渣与普通高炉渣的矿物组成差异很大，如表3 3 所示。 表3 1 高钛型高炉重矿渣的化学成分统计表( m ) d 两1 可觅j 攀钢高炉渣中含有2 0 2 5 的t i 0 2 ，且c a o 含量低，仅2 5 - 3 0 ，属 低钙富钛渣。高钛重矿渣主要为c a o 、s i o m 、t i 0 2 、a 1 2 0 3 和m g o ，波动较小，基本稳定。 表3 2 高钛型高炉重矿渣主要矿物组成 表3 3 攀钢高炉渣与普通高炉渣矿物组成比较( ) 攀钢高钛型高炉渣普通高炉渣 钛辉石：5 0 6 0 钙钛矿：2 0 - 2 5 巴依石( 重钛酸镁) ：4 6 尖晶石：1 - 2 少量t l n ，t i c ，t i c n 固熔体 黄长石：2 0 - 4 0 假硅灰石：1 5 - 3 0 辉石：1 0 3 0 c 2 s ：5 - 5 0 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 高钛型茼炉重矿渣的微观结构及稳定性 矿渣的稳定性与其自身的化学成分、矿物组成、冷却条件等直接相关，但起决定作用的 是矿物组成。一般重矿渣可能出现的分解有硅酸盐分解，生石灰水化、铁分解和锰分解。硅 酸盐分解是由于含有大量硅酸二钙c 2 s 的热熔矿渣在缓慢冷却过程中，由p c 2 s 转变为1 ，c 2 s ， 由于密度变小，体积增大约1 0 ，致使在已凝固的矿渣中产生内应力，若矿渣中c 2 s 含量较 高，该应力超出本身的组织结合力时，就会导致矿渣开裂、破碎，这种硅酸盐分解在矿渣冷 却后几天，甚至几小时内就基本结束。生石灰水化是矿渣中游离c a o 颗粒，遇水后生成消石 灰，体积增大l 2 倍，在重矿渣中产生很大内应力而引起矿渣碎裂，即生石灰水化。铁分解 和锰分解是指矿渣中的f e s 和m n s 在水的作用下，生成f e ( o h ) 2 和m n ( o h ) 2 ，体积相应增大 3 8 和2 4 ，致使在矿渣中产生内应力，当f e s 和m n s 含量很高时，就会导致矿渣破碎，即 铁分解和锰分解。 高钛型高炉重矿渣集料的矿物组成采用x 射线衍射分析和岩相分析方法进行分析。图3 1 为高钛型高炉重矿渣租集料( 4 7 5 - 8 0 m m 颗粒) 、细集料( o 0 7 5 - 4 7 5 r a m 颗粒) 的x 射线衍 射分析结果，两者的矿物组成接近，均为钙钛矿、富钛辉石和钛辉石，未见c 2 s 、f - c a o 、f e s ， f e s 2 、m n s 等有害物质，不可能发生上述几种分解 h b t o p = ) 卜料 g t 丘j 赢j l 州如 l 三 - _ - 崎0 神 细黉s 科 拿 1 t 武l 、矗孟。w 风l 、二、。i h 乙“眩 衙射角( 2 0 ) o 钙钛矿；p 富钛辉石；t 钛辉石 图3 1 高钛重矿渣粗、细集科粉末样的煳t 线衍射分析结果 岩相分析表明，集料由钙钛矿，富钛辉石和钛辉石镶嵌构造，连通和未连通的孔交织而 成的多孔集料，与普通重矿渣有明显区别如图3 2 所示。根据砭i t o 5 7 】等人研究，形成这种特 殊结构与含钛高炉渣泡沫特性有关。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 图3 2 高钛重矿渣集料的组成与结构 矿渣集料中的孔大小不，大的可达数毫米，小的仅为数微米将显微镜采集到的图片( 图 3 3 ) 用d t 2 0 0 0 软件对集料中的孔面积进行计算，得到集料孔隙为1 1 1 9 ，平均孔隙为 1 4 3 ，结果如表3 4 所示 圈3 3 集科孔晾计算示意图 表3 4 高钛重矿渣集科的孔骧 高钛重矿渣集料在服役期的稳定性采用水热法进行评价，通过测量7 5 m m x 7 5 m m x 2 8 5 m m 混凝土试件的体积变形和分析混凝土的微观结构，确定高钛重矿渣集料是否长期稳定混凝 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 土试件分别在5 0 和8 0 水中养护，测量养护不同时间后试件的线膨胀率。部分试件在常温 养护4 5 d 后于15 0 下压蒸5 h ，试件的变形情况见表3 5 。 表3 5 混凝土试件在水热条件下的膨胀率 养护条件 ： 兰竺圭竺墅些兰竺竺1 5 h3 d 7 d1 4 d2 8 d6 0 d 5 0 水中 - 71 1 3 57 29 4 8 0 水中1 62 42 7 8 41 2 3 1 5 0 蒸气 6 9 水中养护时，试件先收缩后膨胀，但变形均比较小；1 5 0 蒸气养护时的变形也比较小， 这说明试件的体积基本上是稳定的，不会有体积安定性问题显微镜下未观测到试件发生开 裂，见图3 4 。 图3 4 水热处理后高钛重矿渣混凝土试件的外观 将试件制成光片，发现试件内部集料与浆体祜结良好，没有微裂纹等缺陷，如图3 5 所示。 这进一步说明高钛重矿渣集料是稳定的 c a ) 水中养护6 咐后混凝土试件的内部结构 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 图3 5 水热处理后高钛重矿渣混凝土试件的内部结构 3 3 高钛重矿渣碱集料反应 混凝土碱集料反应即集料中碱活性矿物与水泥、外加剂等混凝土构成物及环境中的碱在 潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应试验采用快速压蒸法，按砂、石 碱活性快速试验方法( c e c s 4 8 ：9 3 ) 进行，集料粒径为0 1 6 - 0 6 3 m m ，水泥为4 2 5 r 普通硅酸 盐水泥，水泥含碱量为o 5 7 。水泥与骨料比例为1 0 ：1 、5 ：1 、2 ：1 水灰比均为0 3 0 ，配制3 种砂浆试件检测其膨胀率，取最大值为代表值，膨胀率卸1 0 则判其为对工程有害的碱活性 集料，反之，则为非碱活性集料从表3 6 可知，高钛重矿渣属非碱活性集料。 表3 6 高钛重矿渣集料碱活性试验结果( 快速压蒸法) 当集料中s i 0 2 量较高时，由于比表面积较大，在碱离子的作用下，很容易和s i 0 2 发生反 应，形成硅胶或生成碱硅酸盐凝胶： 活性s i c h + 2 m n a o h ( k o i - i ) = i i d o ( k 2 0 ) s i 0 2 n h ：o 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 凝胶吸水后体积增加，受到周围水泥浆体的约束，结果产生内压，导致膨胀、开裂因 此集料中碱活性矿物必须控制在一个较低的水平内，从前面分析可知，高钛渣中不含有活性 s i 0 2 ，因此属于非碱活性集料 3 a 高钛重矿渣的物理及力学性能 高钛重矿渣的物理及力学性能是衡量其作为建筑材料的主要技术指标，与天然骨料相比， 性能各有优劣，按建筑用卵石、碎石( g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 ) 、建筑用砂( g b , r r l 4 6 8 4 - 2 0 0 1 ) 标准进行如下试验。 3 4 1 高钛重矿渣的密度，表观密度和堆积密度 表3 7 为不同粒径高钛重矿渣的密度、表观密度和堆积密度，从中可以看出，不同粒径高 钛重矿渣的表观密度和堆积密度相差较大，随着粒径增大，表观密度和堆积密度逐渐减小， 这主要是由于颗粒粒径越大，其中包含的气孔数量越多，气孔体积越大造成的。 表3 7 不同粒径高钛重矿渣的密度、表观密度和堆积密度 3 4 2 高钛重矿渣圆柱体抗压强度、压碎指标与其表观密度、堆积密度、孔隙率的关系 表3 8 为高钛重矿渣的表观密度、堆积密度、孔隙率与圆柱体抗压强度、压碎指标的关系， 可见碎石的压碎指标、抗压强度与其表观密度、堆积密度，孔隙率、粒状相关高钛重矿渣 由于其矿物结构复杂，其抗压强度随表观密度、堆积密度增大而提高，随孔隙率增大而降低， 且波动较大；压碎指标值与抗压强度，表观密度、堆积密度相关性不大，这是由于其特殊内 部结构和外部形状所决定的，其强度接近变质岩高钛重矿渣实测堆积密度一般为1 3 0 0 - - 1 4 0 0 k g 一，而其压碎指标值波动较小，均在碎石压碎指标值i i 类范围内 表3 8 高钛重矿渣的表观密度、堆积密度、孔隙率与圆柱体抗压强度、压碎指标的关系 3 4 3 高钛重矿渣的撞击强度 将矿渣加工成o x h = 2 5 m m 2 5 m m 圆柱体，在石材撞击机上进行测试，试件孔隙率在 1 0 - - 1 6 之间，其撞击强度2 0 - 5 o m p a ，具有良好的抗冲击韧性 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 3 4 4 高钛重矿渣碎石的韧度与磨耗率 表3 9 所示为分别采用浸杉矾磨耗机测定的高钛重矿渣碎石与天然碎石的韧度与磨耗率， 可见高钛重矿渣碎石密度在1 2 8 0k g m 3 以上时，磨耗率与天然碎石接近。 表3 9 高钛重矿渣碎石与天然碎石的韧度与磨耗率 3 4 5 高钛重矿渣集料性能 表3 1 0 给出了高钛型高炉重矿渣的技术指标从表3 1 0 种看出高钛重矿渣碎石堆积密度 一般在1 2 8 0 - 1 4 0 0l g 矗，表观密度为2 6 8 0 2 9 0 0k g m 气高钛重矿渣砂堆积密度一般在 1 6 0 0 - 1 7 4 0k g m 3 ，表观密度为2 9 6 0 - 3 1 9 0k g m 3 ；空隙率和吸水率比普通碎石大，这主要是由 于其内外面孔多造成比表面积大及孔洞内储水所致 ， 表3 1 0 高钛重矿渣集科技术指标每 3 5 本章小结 综上所述，高钛重矿渣作为混凝土，砂浆粗细集料的基本性能与天然砂石基本相近，高 钛重矿渣体积稳定性好，矿渣碎石的表观密度、堆积密度较天然碎石略小，矿渣砂的表观密 度、堆积密度比天然砂大，渣砂、渣石的空隙率、孔隙率、吸水率均比天然砂石高，集料的 抗压强度、压碎指标、抗撞击、耐磨、抗冻、坚固性良好其主要技术性能指标达到建筑 用卵石、碎石( g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 0 、建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 - 2 0 0 1 ) 的要求，可以作为混凝土 的集料使用 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章普通高钛重矿渣混凝土设计、配制及物理、力学性能研究 4 1 设计依据及原则 高钛重矿渣混凝土：部分或全部采用高钛重矿渣碎石或高钛重矿渣砂作为骨料配制的混 凝土，统称高钛重矿渣混凝土。渣粉是指粒径小于o 0 7 5 m m 的高钛重矿渣颗粒普通高钛重 矿渣混凝土的设计、配置将依据相关标准及以下原则进行。 1 ) 设计依据：普通混凝土配合比设计规程( j g j 5 5 - 2 0 0 0 ) ： 2 ) 混凝土的设计强度等级：c 1 0 , - , c 5 5 ： 3 ) 混凝土设计坍落度3 0 - - 5 0 m m ； 4 ) 掺合料采用超量系数法取代水泥，超量系数k = 1 2 1 5 ，c 1 0 4 2 4 0 取k = 1 2 ，c 5 0 、c 5 5 取k = 1 5 取代水泥百分率f 分别为l o 、1 5 、2 0 、2 5 。 4 2 试验用原材料 水泥：采用环业公司生产的e 0 3 2 5 r ( f c e 2 8 = 4 0 8 m p o 、p 0 4 2 5 r ( f c c 2 s = 4 9 8 m p a ) 水泥； 其中e 0 3 2 5 r 配制c l o - c 4 0 ，p 0 4 2 5 r 配制c 5 0 、c 5 5 ； 粗骨料：为环业公司生产5 3 1 5 m m 高钛重矿渣碎石连续级配，表观密度：2 7 2 玑m 3 ， 堆积密度：1 3 5 0 k m 3 ； 细骨料：环业产高钛重矿渣砂渣粉含量1 0 1 3 ，m ) 离 2 ，表观密度：3 1 4 c m 3 ， 堆积密度：1 6 8 0 k m 3 ；仁和产天然河砂，含泥量1 2 ，m 纾2 8 3 0 ，表观密度： 2 6 5 咖3 ； 掺合料：粉煤灰，i i 级，攀钢5 0 4 电厂，细度( 4 5 岬筛余) 1 6 ，需水比9 8 ；环业 公司生产复合微粉，3 2 5 目筛余3 5 ； 水：自来水 4 3 试验研究方法 依据普通混凝土拌合物性能试验方法( g b ，r 5 0 0 8 0 1 2 0 0 2 ) 、普通混凝土力学性能试验 方法( g b 厂r 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 对混凝土进行物理力学性能研究 4 4 试验结果及讨论 4 4 1 普通高钛型重矿渣混凝土试验结果及分析 表4 1 4 7 及图4 1 4 7 分别给出了c 1 0 ，c 1 5 ，c 2 0 ，c 3 0 ，c 4 0 ，c 5 0 及c 5 5 标号普通高钛 型重矿渣混凝土的配合比及基本性能。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 o1 5葛 复舍徽糟掺t ( ，) oj 糟煤灰掺量( ) ( ) 复合徽粉对高钛重矿渣混凝土抗压强度( b ) 粉煤灰对高钛重矿渣混凝土抗压强度及坍落度的影 响( c 1 0 )强度及坍落度的影响( c l o ) l v 嚣 基 柚 2 考 倒 疆 出 嚣 0 r t p仁和再廿量蛙燕 细集科品种 ( c ) 细集料对混凝土抗压强度及坍落度的影响 掺和辩品种 ( d ) 掺和科品种对混凝土抗压强度及坍落度的影响( 掺 量加) 圈4 1 掺和科和集料对高钛重矿渣混凝土抗压强度及坍落度的影响( c l o ) ，lv避接客 一嘶 口lv避量髯 o 伸 0 6，n量v毯强龃嚣 ，lv葛醅赛 曲 打 柚 o 喜pev趟攘睿 曲 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 对于c i o 普通高钛型重矿渣混凝土，在相同水胶比条件下，不加复合微粉或粉煤灰粉、 和易性较差，加入复合微粉或粉煤灰粉，和易性得到改善，坍落度提高，并且强度得到提高， 掺复合微粉的混凝土强度