淺析復(fù)高鈦重礦渣混凝土長期變形性和耐久性
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作者：鄭曉敏
高鈦重礦渣是攀鋼集團(tuán)冶煉釩鈦磁鐵礦過程中產(chǎn)生的一種具有一定強度的工業(yè)固態(tài)廢棄渣，其TiO2含量高達(dá)22%左右，故稱高鈦重礦渣。目前攀枝花西渣場等大型渣場高鈦重礦渣堆積如山，面臨無處排渣的局面。而將高鈦重礦渣分級破碎制成粗、細(xì)骨料以及球磨成礦渣微粉取代部分水泥配制混凝土運用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，是解決攀鋼棄渣過量堆積的重要舉措，對于響應(yīng)國家打造攀西長江上游生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈，合理利用工業(yè)廢棄物，保護(hù)環(huán)境，降低建設(shè)成本等具有重要的意義。但高鈦重礦渣的物理化學(xué)性質(zhì)不同于普通砂、石，對用其制成的新型混凝土的長期變形性和耐久性怎樣，國內(nèi)目前尚缺乏系統(tǒng)的試驗研究，造成在工程應(yīng)用上的顧慮。
混凝土長期變形性和耐久性問題是國內(nèi)外工程界非常關(guān)注的問題，由于混凝土長期變形性和耐久性不足而引起的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，每年都會花大量費用用于混凝土修復(fù)工程。若能進(jìn)一步重視混凝土工程的長期變形性能和耐久性能，將會大大提高工程質(zhì)量，延長其使用壽命，節(jié)約資源，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
在礦渣混凝土耐久性研究方面，李俊等從耐磨性、干縮、抗裂性等方面，研究了礦渣等礦物摻合料對道路高性能混凝土性能的影響和機理，結(jié)果表明，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%- 40%粉煤灰和礦渣的道路高性能混凝土具有工作性好、后期強度高、耐磨、低收縮以及抗裂性好等特點。漢斯Beushausen研究了鋼鐵渣復(fù)合粉做混凝土摻合料時混凝土的耐久性。通過對混凝土試塊碳化試驗、自然電位和液相堿度等的測定，來評價鋼鐵渣復(fù)合粉對混凝土耐久性的影響效果，得出其最優(yōu)的復(fù)合比例和摻量范圍。李愛美、李兵等利用高鈦重礦渣做粗骨料配制C20混凝土，對其進(jìn)行耐久性研究，結(jié)果表明，高鈦重礦渣混凝土的抗?jié)B性、碳化深度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等耐久性能優(yōu)于或同于普通混凝土，但研究仍具有局限性。對于CHTHSC混凝土更缺少較全面和深入的研究，為此，本文對CHTHSC混凝土的長期變形性能和耐久性能進(jìn)行試驗研究，并從實際工程進(jìn)行調(diào)查取樣試驗，為該種混凝土的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1 CHTHSC試驗原材料選用及配合比設(shè)計
1.1 材料選用
粗骨料：選用攀鋼環(huán)業(yè)公司生產(chǎn)的高鈦重礦渣碎石，通過篩分析試驗，得到該粗骨料為6. 2mm -32. 6mm的連續(xù)級配碎石，符合級配要求；并測得其表觀密度為2840kg/m3，堆積密度為1460kg/m3，含水率2. 8%。
細(xì)骨料：選用攀鋼環(huán)業(yè)生產(chǎn)的高鈦重礦渣砂，細(xì)度模數(shù)2.9-3.3，渣粉含量11%-13%，并測得表觀密度為3250kg/m3，堆積密度為1790kg/m3，含水率5. 2%。
水泥：選用攀鋼環(huán)業(yè)生產(chǎn)的P．0 42. SR (fce=49. 8MPa)普通硅酸鹽水泥，并測其表觀密度為3100kg/m3。
復(fù)合微粉摻合料：攀鋼環(huán)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)合微粉，45μm篩余17%，需水比96%，采用超量系數(shù)法20%取代水泥。
水：自來水。
1.2 設(shè)計配合比
為使研究具有典型性和代表性，配制實際工程中最為常用的C30等級混凝土進(jìn)行試驗研究，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》( JCJ 55-2011)681進(jìn)行試驗配合比設(shè)計，混凝土配合比各材料用量見表1。
2 CHTHSC的變形性能
2.1 服役期穩(wěn)定性
采用熱水法對CHTHSC服役期的體積安定性進(jìn)行評價，測量尺寸為75mm×75mm×285mm的混凝土試件的體積變形量和觀察分析混凝土微觀結(jié)構(gòu)，從而確定CHTHSC是否處于長期穩(wěn)定。試樣分別在50℃、80℃的熱水及常溫養(yǎng)護(hù)28d后處于150℃蒸汽壓力下三種試驗條件進(jìn)行測量，測試不同時間的試件在水熱條件下的線膨脹率，結(jié)果見表2。
從表2中的試驗數(shù)據(jù)可以看出：試樣在50℃、80℃的熱水中養(yǎng)護(hù)時，試樣體積先有較小幅度的收縮后膨脹，但是體積變形量不大，60d后慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在常溫養(yǎng)護(hù)28d后處于150℃蒸汽壓力下的試樣，在Sh后開始測量其線膨脹率，總體變化不大，說明在此條件下該試樣的體積基本是不變的，所以該混凝土不存在較大的體積安定性問題。同時，在顯微鏡下沒有觀測到試樣發(fā)生開裂的現(xiàn)象，如圖1所示。
為了更好地觀測混凝土試樣的內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)，將試樣制作成光片，觀察各種溫度條件下養(yǎng)護(hù)60d后混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)圖中所示，試樣內(nèi)部的粗細(xì)骨料與水泥漿體粘貼程度較好，沒有出現(xiàn)明顯的細(xì)小裂紋，從而進(jìn)一步說明了CHTHSC服役期的穩(wěn)定性。
2.2收縮變形及影響因素分析
CHTHSC收縮變形試驗在《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上進(jìn)行，采用改進(jìn)的實時量測方法，取消了在100mm×100mm×515mm的棱柱體混凝土兩邊埋設(shè)的測頭，取而代之的是粘貼在兩側(cè)的平板，混凝土上部支撐1根與混凝土熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)慕饘僦睏U，且與千分表相連，測定繪出試件收縮連續(xù)光滑曲線，見圖3。從收縮曲線可以看出：CHTHSC的干燥收縮主要發(fā)生在14d之前，之后混凝土收縮仍在繼續(xù)發(fā)生，但是收縮幅度逐漸減小，到90d左右，其收縮變化基本趨于穩(wěn)定，總體而言CHTHSC的收縮量較小。
制作如圖4高鈦重礦渣骨料SEM圖像，對CHTHSC的結(jié)構(gòu)界面特征和混凝土收縮機制分析：高鈦重礦渣骨料能夠吸收混凝土中的部分拌合水，降低早期實際水灰比，有助于降低混凝土塑性階段的水分蒸發(fā)速率和內(nèi)部濕度的變化。在絕對濕度或干燥條件下，高鈦重礦渣骨料多孔的結(jié)構(gòu)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了釋水或吸水一釋水效應(yīng)，改善了體系中的濕環(huán)境，降低了內(nèi)部的毛細(xì)管負(fù)壓，從而有效抑制了該種混凝土的收縮變形。
2.3徐變及影響因素分析
根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，制作150mm×150mm×550mm的試件，共3組，每組3個試樣，與普通混凝土進(jìn)行同時制作和試驗對比。試件在28d齡期開始加荷，試驗結(jié)果見表3，CHTHSC徐變度滿足規(guī)范要求。
從表3可以看出，CHTHSC和普通混凝土隨著齡期增長，其徐變度都逐漸增大；CHTHSC不同齡期徐變度低于普通混凝土。運用掃描電子顯微鏡對CHTHSC進(jìn)行界面微觀形貌分析，結(jié)果見圖5，能夠看到CHTHSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，界面過渡區(qū)基本沒有裂紋產(chǎn)生。分析其原理，由于高鈦重礦渣的細(xì)小空隙結(jié)構(gòu)使粉料（粉料除復(fù)合微粉外還來自于礦渣破碎、篩分產(chǎn)生的礦渣微粉）易于進(jìn)入，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物能夠較好地與高鈦重礦渣粗、細(xì)骨料結(jié)合，增強了混凝土的結(jié)構(gòu)致密性，武漢理工大學(xué)丁慶軍等稱之為產(chǎn)生“銷釘效應(yīng)”。
3 CHTHSC的耐久性能研究
在對CHTHSC的變形性能研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究混凝土的耐久性�；炷恋哪途眯匀Q于多種復(fù)雜的因素，諸方面的因素達(dá)200項之多。除設(shè)計、施工與環(huán)境方面的因素以外，針對目前CHTHSC主要用于攀西地區(qū)工程，攀西地區(qū)工業(yè)眾多，環(huán)境中C02、酸、堿等易對混凝土耐久性影響較大的幾個指標(biāo)進(jìn)行試驗研究。
3.1碳化性能
混凝土的碳化會加劇高鈦礦渣類混凝土的收縮而開裂，主要還會降低混凝土的堿度，使鋼筋易銹蝕，因此試驗CHTHSC的碳化性能尤為必要。
根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T 50082-2009)在攀枝花市建設(shè)工程質(zhì)監(jiān)站進(jìn)行試驗，采用標(biāo)準(zhǔn)試件，3個試件為1組，在28d齡期時將試件放入標(biāo)定C02的濃度和濕度的碳化箱內(nèi)進(jìn)行試驗。在3d、7d、14d和28d時分別取出試件，破型以測定碳化深度，結(jié)果見表4。
CHTHSC的抗碳化性適中，各齡期混凝土的碳化深度滿足規(guī)范要求。
3.2堿-骨料反應(yīng)
硬化混凝土中所含的堿（Na20和K20）與骨料中的活性成分發(fā)生反應(yīng)，生成具有吸水膨脹性的產(chǎn)物，在有水的條件下吸水膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂，對礦渣類混凝土尤為不利。
根據(jù)《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》測得高鈦重礦渣骨料、拌合水的堿含量，記為：Aaw，粉煤灰提供的堿含量，記為Ama以及水泥提供的堿含量，記為Ac，計算出CHTHSC的堿含量，記為A，則A=Aaw+Ama+Ac=1.95kg/m3，該值滿足各類級別工程結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境下的堿含量限值，不會發(fā)生堿一骨料反應(yīng)破壞。事實上，攀鋼環(huán)業(yè)公司也在高鈦重礦渣基本材性試驗中測得該種骨料屬非堿活性骨料。
3.3 抗硫酸鹽侵蝕性能
試驗根據(jù)《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》(GB／T 749-2008)進(jìn)行，試件為100mm×100mm×400mm的混凝土試塊。通過測量該混凝土的體積膨脹情況及在硫酸鹽侵蝕后的抗折強度，得出其抗蝕系數(shù)和膨脹率。測量數(shù)據(jù)見表5，該混凝土的抗蝕系數(shù)為0. 97，可知該混凝土具有良好的抗蝕性能。在3.0%硫酸鈉溶液中養(yǎng)護(hù)的混凝土的體積膨脹值也較小，同在20℃淡水中養(yǎng)護(hù)時的混凝土體積膨脹情況幾乎接近，說明該混凝土受硫酸鹽侵蝕程度較輕。
3.4氯離子擴(kuò)散系數(shù)
由于試驗條件有限，加之CHTHSC這種特定的混凝土組成材料，采用趙鐵軍等研究的一種無須進(jìn)行試驗就能迅速計算得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)，記為Dc估計值的方法。該方法的預(yù)測計算公式如下：
式(1)中，X1- X8代表混凝土配比中各影響因素，是在大量試驗和對試驗結(jié)果及參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上得出的適用范圍和標(biāo)準(zhǔn)值，見文獻(xiàn)[13]中表1，根據(jù)復(fù)高鈦重礦渣混凝土的配制，具體取值后算出Dp，然后得到保守的Dc：
按上述方法算得高鈦重礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dc= 96mm2/a，滿足規(guī)范要求。
3.5 抗?jié)B性能和抗凍性能
實驗室還對CHTHSC的抗?jié)B性能和抗凍性能進(jìn)行了試驗，以便更多地掌握該種混凝土的耐久性指標(biāo)。
試驗得到CHTHSC的抗?jié)B等級為P6，抗凍等級為F100，滿足混凝土耐久性設(shè)計要求。
4 高鈦重礦渣混凝土類工程的耐久性調(diào)查試驗
為驗證CHTHSC在實際工程中的耐久性，對以前利用高鈦重礦渣作混凝土（僅用作粗骨料，英文簡寫為“HTHSC”）施工的工程以及用CHTHSC的工程進(jìn)行調(diào)查和鉆芯取樣試驗。
原攀礦二公司的高鈦重礦渣混凝土類工程，距今已有37年，其倉庫處的預(yù)制柱、吊車梁常處于吊車的動荷載作用下，其構(gòu)件工作正常，外觀變形不明顯，符合耐久性設(shè)計要求。對該工程柱子鉆芯取樣，觀察芯樣結(jié)構(gòu)密實，有鐵樣顆粒存在但無銹蝕，測試芯樣混凝土強度均高于設(shè)計強度。攀鋼環(huán)業(yè)公司辦公樓工程，修建于2003年，主體框架以及室外公路均用的高鈦重礦渣混凝土，觀察其混凝土外觀變平整密實。對其進(jìn)行鉆芯取樣，觀察到芯樣混凝土結(jié)構(gòu)密實，測試芯樣的強度均高于設(shè)計強度值。各工程調(diào)查情況詳見表6。
5 結(jié)論
1) CHTHSC服役期間沒有體積安定性問題；總體上收縮值不大，60d收縮應(yīng)變?yōu)?90×10 -6mm，后趨于穩(wěn)定；60d徐變度為33.9×10 -6MPa，滿足建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)。
2) CHTHSC的堿含量為1.95kg/m3，不會發(fā)生堿一骨料反應(yīng)；28d后的碳化深度為3.47mm，抗?jié)B等級為P6，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為96mm2/a，硫酸鹽侵蝕抗折系數(shù)為0. 97，抗凍等級為F100，各項指標(biāo)均滿足混凝土耐久性要求。
3)經(jīng)歷較長年限，高鈦重礦渣類混凝土工程結(jié)構(gòu)外觀沒有變異，鉆芯取樣測得的高鈦重礦渣類混凝土抗壓強度均高于原設(shè)計強度。
4) CHTHSC的長期變形性和耐久性達(dá)到甚至高于普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)，這與高鈦重礦渣骨料的釋水或吸水一釋水效應(yīng)和“銷釘效應(yīng)”在混凝土中的作用有關(guān)。
6[摘 要]對復(fù)高鈦重礦渣混凝土的長期變形性和耐久性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：復(fù)高鈦重礦渣混凝土沒有體積安定性問題，收縮變形和徐變均符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；復(fù)高鈦重礦渣混凝土沒有堿一骨料反應(yīng)，其碳化性能、抗?jié)B等級、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、硫酸鹽抗蝕性能和抗凍等級均滿足混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范。對主要指標(biāo)收縮和徐變性能進(jìn)行機理研究和分析，并對原高鈦渣混凝土工程進(jìn)行耐久性抽樣調(diào)查，其芯樣混凝土抗壓強度均高于設(shè)計強度，外觀沒有變異。試驗成果對該種骨料混凝土的推廣應(yīng)用提供了重要參考依據(jù)。
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