高钛重矿渣混凝土在倮果金沙江特大桥工程中的应用研究

高钛重矿渣高性能混凝土在倮果金沙江特大桥的应用四川川交路桥有限责任公司2014年11月高钛重矿渣作为混凝土集料可行性研究二高钛重矿渣混凝土配合比优化设计方法三高钛重矿渣混凝土制备与工程应用四提纲工程概况及研究背景和意义一丽攀高速公路攀枝花段的倮果金沙江特大桥，主桥采用(120+230+120)m的连续刚构方案。主桥箱梁C65砼设计为，采用泵送施工。共完成浇筑强度等级为C65的高钛重矿渣砼5000m3。1、工程概况采用高钛重矿渣替代天然砂、石，制备高性能混凝土，是其资源综合利用的最有效途径，对降低工程成本，节约自然资源，保护长江上游的生态平衡等均具有重要的意义。目前攀钢至今有5000多万吨的高钛重矿渣未被利用，而且每年还以300万吨的排渣量增加。攀钢已面临着无处堆放高钛重矿渣的局面；另一方面，攀枝花市每年需消耗大量砂，过度的开发破坏了自然植被，造成水土流失。因此，高钛重矿渣能否被综合利用，不仅影响到攀钢、攀枝花社会经济的可持续发展，而且对节约自然资源，降低工程成本，保护长江上游生态环境等均具有重要的意义。2、背景高钛重矿渣作为混凝土集料可行性研究二高钛重矿渣混凝土配合比优化设计方法三高钛重矿渣混凝土制备与工程应用四提纲工程概况及研究背景和意义一高钛重矿渣是高炉冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣在空气中自然冷却或水冷形成的一种由钛辉石、钙钛矿等矿物为主的石质材料，具有多孔、高强、化学稳定性好等特点。图1混凝土用高钛矿渣形貌二、高钛重矿渣作为混凝土集料可行性研究可行性研究1.1高钛重矿渣化学成分1.2高钛重矿渣物相分析高钛重矿渣主要化学成分为CaO、TiO2,从XRD图谱中可以看出高钛重矿渣的主要物相为钙钛矿、钛辉石。Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2SiO2Al2O3MnOSrOZrO2BaOCl烧失量1.2727.048.250.90.8618.9527.213.70.540.0370.0330.0950.0260.27可行性研究图2高钛重矿渣XRD图谱•1.3高钛重矿渣集料的物理性能检验项目主要包括：吸水率、粉尘含量、表观密度、堆积密度、级配、压碎值指标、坚固性以及砂的细度模数等。大石小石砂石灰石碎石吸水率/%8.858.0810.25/粉尘含量/%1.153.5610.81/表观密度/kg/m3255726392725堆积密度/kg/m31518125817391628压碎值/%17.310.2坚固性无坚固性损失，无开裂、剥落/石灰石分解2h无石灰分解、无颗粒涨裂/石灰石分解试验坚固性试验可行性研究1.4高钛重矿渣碱活性评价（1）试验按照《砂、石碱活性快速试验方法》（CECS48：96）中关于砂的碱活性试验有关规定执行。小于0.1%高钛重矿渣砂的碱活性测定小于0.05%类别龄期膨胀率%最大膨胀率%膨胀率允许值%结论高钛重矿渣砂140.0160.0440.05无潜在危害300.025600.037900.044（2）砂浆长度法检测碱活性集料150℃压蒸膨胀率/%6h12h高钛重矿渣砂0.0100.023高钛重矿渣砂属于非碱活性集料。可行性研究1.5高钛重矿渣集料的级配曲线图3高钛重矿渣碎石级配曲线图4高钛重矿渣砂级配曲线通过图3、4，可以看出高钛重矿渣碎石满足普通混凝土碎石级配要求，高钛重矿渣砂级配曲线在Ⅱ区，可以应用于桥梁高性能混凝土。可行性研究高钛重矿渣作为混凝土集料可行性研究二高钛重矿渣混凝土配合比优化设计方法三高钛重矿渣混凝土制备与工程应用四提纲工程概况及研究背景和意义一三、高钛重矿渣混凝土配合比优化设计方法配合比设计设定单方砼高钛重矿渣松堆体积单方高钛重矿渣料用量测高钛重矿渣堆积密度单方砼高钛重矿渣密实体积渣砂砂浆密实体积胶凝材料浆体体积积测高钛重矿渣表观密度设定砂浆中渣砂体积含量渣砂体积单方砼用渣砂量测渣砂表观密度设定掺合料体积掺量胶凝材料密度设定水胶比胶凝材料用量单方砼水泥用量单方砼掺合料用量单方砼用水量水体积胶凝材料体积jbbbVGbwG1000gogosgaggogaGgGgVgggGV/jsVgjsVV1sasjssoaVVsoVsosjjVVVjVsososVGsGbwbFAGcGbGbVFAFAFAVGcccVG)1(kVVcbk)1(kkcfbbwGGbwwGbbbGVkVVbf1、体积法本试验研究设计正交试验，以坍落度、扩展度、倒坍时间、7天强度作为控制指标。因素水平A高钛重矿渣碎石松堆体积B渣砂体积含量C粉煤灰体积掺量（％）10.80.451020.750.52030.70.553040.650.640因素水平表得到高钛重矿渣混凝土配合比关键控制参数的范围：粉煤灰体积掺量为20%~30%，高钛重矿渣碎石松堆体积0.7～0.75m3，渣砂体积含量为0.5~0.55m3。2配合比设计关键控制参数试验研究水泥粉煤灰渣砂渣石水减水剂24012084711921503.9正交试验得到的C30高钛重矿渣混凝土基本配合比配合比设计3预湿时间对混凝土物理性能和体积稳定性能的影响编号预湿时间(h)碎石含水率(%)初始坍落度/扩展度(mm)2h坍落度/扩展度(mm)28d强度（MPa）100200/450100/30037.2212.1200/460120/34038.1332.9210/480180/43040.5453.7220/530200/50041.8574.2220/550210/51042.56124.3220/550210/52040.2高钛重矿渣集料配制高性能混凝土时要采取预湿措施，随着预处理时间的延长，集料的吸水率变大，内养护水分增加，混凝土的收缩减小，预湿处理时间为7h，混凝土的工作性能和力学性能有利。混凝土的收缩率降低20%。配合比设计4渣粉含量对混凝土物理性能及体积稳定性的影响编号渣粉含量（%）初始坍落度/扩展度(mm)2h坍落度/扩展度(mm)28d强度（MPa）10200/450170/39039.325210/490190/43038.9310230/540200/51042.5415220/530200/50041.0520200/500170/45040.4随着高钛重矿渣砂渣粉含量的增加，混凝土的工作性能和力学强度有所改善，当渣粉含量为10%时，混凝土的工作性能和力学强度最佳。渣粉含量小于15%，对高钛重矿渣混凝土的影响不大，120d的混凝土收缩率基本稳定在3.0×10-4~3.2×10-4之间。配合比设计5外加剂对高钛重矿渣混凝土工作性能的影响高钛重矿渣是多孔形貌，渣砂粉尘含量高，对于水和外加剂的吸附量很大，混凝土流动性能差，因此需要对外加剂进行调整。编号掺量（%）倒坍时间（s）0h坍落度(mm)1h坍落度(mm)2h坍落度(mm)102617015010020.012120018017030.031023021019040.051821019017050.0736190170150外加剂掺量为0.03%时，混凝土的工作性能达到最佳，倒坍时间为10s，初始坍落度为230mm，2h坍落度为190mm，混凝土泵送性能最佳，利于泵送施工。配合比设计高钛重矿渣作为混凝土集料可行性研究二高钛重矿渣混凝土配合比优化设计方法三高钛重矿渣混凝土制备与工程应用四提纲工程概况及研究背景和意义一四、高钛重矿渣混凝土制备与倮果金沙江特大桥工程应用制备与工程应用高钛重矿渣集料是多孔材料且具有较多的棱角，为了满足工程中泵送、防止开裂等性能的要求，采用聚羧酸减水剂、消泡剂、减缩增韧剂、增粘剂、引气剂、内养护材料等复合技术制备专门适应高钛重矿渣混凝土的外加剂。此外在混凝土制备工艺上进行设计，通过对高钛重矿渣集料提前预湿、均质、投料制度等设计，制备出不仅各项性能完全满足工程要求的高钛重矿渣混凝土，而且高钛重矿渣混凝土经济性较普通混凝土有较大提高。一、专用外加剂的开发减水剂A：成都合力高效聚羧酸减水剂，减水率30%。减水剂B：C30、C40高钛重矿渣混凝土中所掺胶凝材料较少，对集料的粘集力不足，针对以上问题，通过在减水剂A的基础上掺加纤维素醚（图5），制备出适应于C30、C40高钛重矿渣混凝土的减水剂B。图6增韧材料分子规整性调节图减水剂C：C50高钛重矿渣混凝土中针对混凝土收缩及抗裂性能较差的问题，通过在减水剂A的基础上掺加复合减水剂用量的30%～45%减缩增韧剂（图6），制备出适应于C50高钛重矿渣混凝土的减水剂C。图5纤维素醚分子结构图制备与工程应用减水剂D：用减水剂A制备的C65高钛重矿渣混凝土在混凝土表面有很多大气泡，同时伴有轻微的离析扒底现象的出现。针对以上问题，通过在减水剂A的基础上掺加消泡剂（图7）、引气剂（图8）、减缩增韧组分（图9）、增粘剂（图10）、内养护材料（图11）制备成减水剂D。其中分别占减水剂D：消泡剂5～10%、引气剂1～2%、增粘剂2.5～5%、减缩增韧组分7.5～15%、内养护材料2～5%，其余部分为高效聚羧酸减水剂A。图8引气剂主要组分松香酸脂分子结构图图7消泡剂主要组分分子结构图制备与工程应用制备与工程应用图9减缩增韧主要组分分子结构图图10甲基羟乙基纤维素醚的分子结构图nCONHCCH2SO3OHCH3CH3CH2CHCOONH2CH2CHHOHHOOCH2OHOHCHCOH图11内养护材料分子结构图消泡剂选用一种有机硅油5～10%、引气剂选用松香热聚物1～2%、增粘剂选用纤维素醚2.5～5%、减缩组分选用低级醇的环氧化合物与烷基聚氧乙烯醚为主要组分。通过调整以上各成分占外加剂量的含量与减水剂复合而成一种适用于高钛重矿渣砼的外加剂，其中：消泡剂5～10%、引气剂1～2%、增粘剂2.5～5%、减缩增韧组分7.5～15%，其余部分为高效聚羧酸减水剂。通过对以上几种不同组分掺量进行调整，成功研制出一种适用于高钛重矿渣砼的外加剂。并用此外加剂成功制备出用水量低、和易性良好，满足长距离泵送施工的高钛重矿渣砼。制备与工程应用二、高钛重矿渣砂混凝土制备2.1原材料水泥：红河P.O52.5普通硅酸盐水泥，细度（0.08mm筛余）2.9%；瑞丰P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度（0.08mm筛余）2.6%；丽江P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度（0.08mm筛余）2.0%。粉煤灰：攀枝花宝利源Ⅱ级粉煤灰，需水量比98%，细度（0.045mm筛余）16.1%。减水剂：成都合力高效聚羧酸减水剂，减水率30%。增粘组分：羟丙基甲基纤维素醚，减缩增韧组分：低级醇的环氧化合物与烷基聚氧乙烯醚；消泡组分：有机硅油；引气组分：松香热聚物。硅灰：攀枝花攀煤电冶工业有限公司硅灰，需水量比120%，烧失量4.3%。高钛重矿渣砂：粉尘含量宜在5%～15%，细度模数2.3～2.8，表观密度3300kg/m3，堆积密度1700kg/m3。普通碎石：马店河厂普通碎石，小石5～16mm，连续粒级，表观密度2710kg/m3，堆积密度1660kg/m3。大石10～20mm，表观密度2690kg/m3，堆积密度1610kg/m3，单粒级。制备与工程应用制备与工程应用2.2高钛重矿渣砂混凝土最优配合比强度等级水泥品种适用部位水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石纤维素醚/×10-4减水剂减水剂/%水胶比坍落度/mm抗压强度/Mpa0h1h7d28dC30瑞丰承台230160426：41.0B1.30.4120018026.541.2C30瑞丰桩基280100426：40.4B1.30.4022020032.039.0C40瑞丰桥墩34080436：40.5B1.60.3822020045.850.4C50丽江T梁45048436：4/C1.30.3218016053.265.1强度等级水泥品种适用部位水泥/kg粉煤灰/kg砂率/%大石：小石硅灰/kg减水剂减水剂/%水胶比坍落度/mm抗压强度/Mpa0h1h7d28dC65-1瑞丰主梁46020416：435D1.70.3323021063.078.0C65-2红