高钛重矿渣粗骨料在抗冲耐磨混凝土中的应用研究

叶 新，李朝政，张 虹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

高钛重矿渣是攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿时产生的一种无机材料，主要成分有钛辉石、钙钛矿等矿物。攀钢高钛重矿渣水化活性低，不适合作为矿物掺和料进行资源化利用。攀钢公司有大量的高钛重矿渣未得到有效利用，迫切需要研究开发攀钢高钛重矿渣规模化、资源化的高效利用技术[1-4]。

某水电站是金沙江中游河段规划的8个梯级电站的最末一个梯级，坝高159 m，泄洪建筑物过流面最大流速43 m/s，工程拟采用较高强度等级的C9050混凝土作为主要的抗冲耐磨层[5]。该水电站工程离攀钢高钛重矿渣堆的直线距离较近，针对高钛重矿渣结构稳定性好、多孔高强、比重大的物理特质，开展了采用攀钢高钛重矿渣做为抗冲耐磨混凝土粗骨料的相关试验研究工作。

1 试验原材料

1.1 攀钢高钛重矿渣粗骨料

攀钢高钛重矿渣粗骨料颜色为深咖啡色，有大量孔洞，饱和面干吸水率大，堆积密度较小，空隙率大。攀钢高钛重矿渣粗骨料检测结果列于表1、表2。

试验结果表明高钛重矿渣粗骨料表观密度、超逊径含量、坚固性、有机质含量、硫化物及硫酸盐含量均满足规范对粗骨料的品质要求[6]，由于存在孔洞，饱和面干吸水率和压碎指标偏大。

表1 攀钢高钛重矿渣粗骨料性能(一)

表2 攀钢高钛重矿渣粗骨料性能(二)

1.2 其它原材料

其它试验原材料包括：42.5级中热硅酸盐水泥，分选Ⅰ级粉煤灰，胶凝材料主要化学性能见表3[7-8]；采用石灰岩人工骨料进行对比试验，灰岩骨料性能符合一般规律，表观密度为2 720 kg/m3，压碎指标为7.1% ；采用缓凝高效减水剂和高效型引气剂；抗冲磨材料采用PVA纤维，主要性能见表4。

表3 胶凝材料化学成分

2 抗冲耐磨混凝土配合比设计

该水电站采用较高强度等级的C9050混凝土作为主要的抗冲耐磨层，抗冲耐磨混凝土配合比设计技术要求见表5。

表4 PVA纤维性能

本次试验采用单掺粉煤灰以及复掺PVA纤维和粉煤灰两种抗冲耐磨混凝土，分别采用灰岩粗骨料和高钛重矿渣粗骨料开展对比试验研究。根据常态基准混凝土试验结果，经过试拌调整和回归分析[9-10]，得到满足技术要求的抗冲耐磨混凝土配合比列于表6。

表5 混凝土设计技术要求

表6 C9050W8F100二级配常态抗冲耐磨混凝土配合比

采用灰岩粗骨料单掺粉煤灰时，用水量为108 kg/m3，掺入PVA纤维时，用水量增加为115 kg/m3；粗骨料采用攀钢高钛重矿渣时，由于矿渣有较多孔，不用掺引气剂，且砂率由37%增加到43%，单掺粉煤灰时用水量为120 kg/m3，掺入PVA纤维时用水量为130 kg/m3。

3 高钛重矿渣粗骨料对抗冲耐磨混凝土性能的影响

3.1 力学性能

采用高钛重矿渣粗骨料和灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土强度均能满足设计要求，90 d龄期抗压强度均可达60.0 MPa，轴拉强度可达4.0 MPa，静压弹模和轴拉弹模均达到40 GPa，采用两种粗骨料的混凝土强度龄期发展系数相差不大，采用灰岩粗骨料的混凝土弹性模量略大于采用高钛重矿渣粗骨料的混凝土弹性模量，可能跟高钛重矿渣粗骨料孔隙率较大有关[11]。

相同条件下，采用高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土强度明显高于采用灰岩粗骨料的混凝土强度，分析原因为多孔的矿渣碎石表面导致浆体接触面积变大，形成销栓效应[12]，增强了界面的粘结力，同时造成骨料含水率高，锁水性能提升，后期水化过程中不断释放加强了混凝土的内养护[13]。具体试验成果见表7、表8。

表7 抗冲耐磨混凝土力学性能

表8 抗冲耐磨混凝土弹性模量

3.2 变形性能

(1) 极限拉伸值。试验成果表明采用高钛重矿渣粗骨料和灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土极限拉伸值相差不大，设计龄期和各个长龄期的抗冲耐磨混凝土极限拉伸值均大于100×10-6。

(2) 干缩。试验表明抗冲耐磨混凝土干缩率与用水量正相关，复掺粉煤灰和PVA的混凝土干缩率高于单掺粉煤灰的混凝土干缩率，采用高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土干缩率大于采用灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土干缩率，单掺粉煤灰时，180 d龄期的干缩率分别为190×10-6和313×10-6，复掺粉煤灰和PVA时，180 d龄期的干缩率分别为242×10-6和333×10-6，数据图分析来看，混凝土早龄期时干缩率增大较快，随时龄期的增加，干缩率的变化率逐渐减少，最后趋于收敛[14]，干缩率曲线见图1。

(3) 自生体积变形。采用灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土自生体积变形基本呈微收缩变形[15]，测至180 d龄期时，变形值在-5×10-6～0之间，采用高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土自生体积变形为微膨胀型，测至180 d龄期时，变形值在15×10-6～74×10-6之间，自生体积变形曲线见图2。

图1 混凝土干缩率曲线

3.3 耐久性

(1) 抗冻、抗渗性能。试验表明采用高钛重矿渣粗骨料和灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土抗渗、抗冻性能相差不大，抗渗等级均大于W8，抗冻等级均大于F100，能够满足工程的设计要求。相同条件下，采用高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土与采用灰岩粗骨料时对比，渗透试验的平均渗径略大，冻融试验的质量损失率略大和相对动弹模略小[16]。

图2 混凝土自生体积变形曲线

(2) 抗冲耐磨性能。试验成果表明采用抗冲耐磨PVA材料的混凝土抗冲磨强度高于单掺粉煤灰的混凝土，采用水下钢球法，攀钢高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土抗冲磨强度可达17.1 h/(kg/m2)，磨损率可低至1.78%，抗冲磨性能明显优于采用灰岩粗骨料的混凝土，抗冲耐磨混凝土抗冲耐磨性能试验结果列于表9。

表9 抗冲耐磨混凝土抗冲耐磨性能

3.4 热学性能

采用灰岩粗骨料复掺PVA纤维的抗冲耐磨混凝土绝热温升回归方程为：Tr=43.48(t-0.60)/(t+1.526)，28 d绝热温升为42.4℃，线膨胀系数为5.731×10-6/℃，采用攀钢高钛重矿渣粗骨料复掺PVA纤维的抗冲耐磨混凝土绝热温升回归方程为：Tr=49.50t/(t+2.035)，28 d绝热温升为46.1℃，线膨胀系数为7.302×10-6/℃。试验表明采用攀钢高钛重矿渣粗骨料的混凝土与采用灰岩粗骨料的混凝土相比，28 d绝热温升和线膨胀系数略大。

4 结 论

(1) 攀钢高钛重矿渣粗骨料干态表观密度达到2 900 kg/m3，但由于存在较多孔洞，其孔隙率、饱和面干吸水率以及压碎指标均比灰岩粗骨料大。

(2) 相同条件下，由于攀钢高钛重矿渣粗骨料孔隙率和吸水率大，采用矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土单位用水量比采用灰岩粗骨料的抗冲磨混凝土增加约10 kg/m3，砂率增加约5%。

(3) 采用攀钢高钛重矿渣粗骨料的抗冲耐磨混凝土抗压强度高于采用灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土，其它力学性能、极限拉伸值、抗冻抗渗和热学性能相差不大，前者干缩率大、自生体积变形基本呈微膨胀型，后者自生体积变形基本呈微收缩变形，前者抗冲磨强度明显高于后者。

(4) 总体来看，采用攀钢高钛重矿渣粗骨料和灰岩粗骨料的抗冲耐磨混凝土力学性能、变形性能、热学性能和耐久性能均能满足设计要求，采用攀钢高钛重矿渣粗骨料可明显提升该水电站抗冲耐磨混凝土的抗冲磨强度，并能带来一定的社会、经济和生态效益。