高钛高炉渣在混凝土材料中的应用

摘要：高钛高炉渣是攀钢公司炼铁后产生的特有矿渣，由于TiO2 含量较高，矿渣的综合利用率低，近年来不断开发高钛矿渣在混凝土中的应用。从高钛矿渣的物理力学性能、高钛渣混凝土的配合比设计和使用性能等方面，对高钛矿渣混凝土的应用进行介绍。实践表明，高钛矿渣混凝土性能优良，综合经济指标好。

关键词：高钛矿渣；高炉渣；混凝土；应用

中图分类号：TQ172.4+4 文献标识码：B 文章编号：1001- 702X11- 0071- 03

　　攀钢高炉冶炼使用的钒钛磁铁矿冶炼后形成的高炉渣，其化学成分见表1。

　　由于矿物成分中含一定量的TiO2，给矿渣的后序加工处理带来了困难, 一直采取露天堆置存放。攀钢自投入生产以来，已存放了6 000 万t 的高炉渣，占用了大量土地，污染环境，且每年新增300 万t 高炉渣，因此高炉渣的利用已成为政府和企业关注的重点问题。

　　攀钢高炉渣中的化学成分，其中TiO2 含量约占22%，故称高钛高炉渣。将其作为提炼钛金属原料，品相太低，经济性差，目前仍在试验室研究阶段。根据JC 418—91《用于水泥中的粒化高炉渣》的规定，TiO2 含量超过10%的高炉渣只能作为水泥中非活性材料，因而攀钢高炉渣不能像其他炼钢厂的矿渣一样生产矿渣硅酸盐水泥。20 世纪70 年代后，有关单位进行了试验研究，将高炉渣破碎后作为混凝土粗骨料。2002 年后，高钛高炉渣大规模应用于建筑材料中，主要应用项目有混凝土矿渣粗细骨料、矿渣砌块、矿渣商品混凝土、矿渣陶瓷、矿渣复合微粉等，其中混凝土粗细骨料年消耗量达200 万t 左右，加上其他项目应用，高钛高炉渣达到产销平衡。

1 高钛矿渣骨料基本物理力学性能

1.1 高钛矿渣粒径与密度关系

　　高钛高炉渣出炉后在高温状态下，经水淬急冷，再经破碎形成渣石、渣砂。因其含钛量高，也称为高钛重矿渣。高钛重矿渣的粒径与表观密度、堆积密度关系见表2。

1.2 高钛重矿渣砂的性能指标

　　高钛重矿渣砂压碎指标与抗压强度、表观密度、堆积密度、孔隙率没有太大关系，压碎指标波动较小，均在碎石压碎指标Ⅱ类范围内。试验测得高钛重矿渣冲击强度为2.0～5.0MPa，具有良好的抗冲击韧性；高钛重矿渣碎石的磨耗率为16.1%，韧度为76.5，接近天然石灰岩碎石的性能指标。

2 高钛重矿渣混凝土性能

2.1 全高钛重矿渣混凝土

　　部分或全部采用高钛重矿渣碎石或砂作为骨料配置的混凝土中，粗细骨料均为高钛矿渣的称为全高钛重矿渣混凝土。在相同配比条件下，采用全高钛重矿渣与天然骨料配制的混凝土对比试验发现，全高钛重矿渣混凝土的强度比采用天然骨料的高，试验结果见表4。

　　分析全矿渣混凝土强度较普通骨料混凝土强度高的主要原因：一是矿渣碎石表面粗糙、多孔，与浆体接触面积增大，浆体注入骨料孔中，形成销栓效应，增强了骨料和胶体界面的粘结力。二是矿渣骨料含水率较高，这些水分在胶体材料硬化过程中逐渐释放出来，促进了水泥胶体向结晶体的转化，加强了混凝土的养护。三是矿渣骨料中无针片状颗粒，骨料受力性能好。

　　矿渣砂混凝土的强度较天然砂混凝土的强度也有较大幅度提高，一般提高5 MPa 左右，这是因为渣砂与天然砂相比没有含泥量，且渣砂中的渣粉有活性，对混凝土强度增长有益。

2.2 掺和料对混凝土强度的影响

　　复合微粉是指将粒化高炉钛矿渣、钢渣、粉煤灰等磨细后复配而成的矿渣粉，其技术指标应符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉渣粉》。掺和料可选取粉煤灰和复合微粉。经试验配制C30 混凝土，分别以15%、20%、25%的掺量取代等量水泥，结果表明，掺和料比例越高的混凝土，工作性能越好。在掺入适量掺和料的情况下，混凝土的强度较基准混凝土略有提高。因此，为了改善混凝土工作性能，应掺入15%~20%的复合掺合料。

2.3 混凝土碱集料反应

　　试验采用快速压蒸法，按CECS 48—93《砂、石碱性活性快速试验方法》进行，试验结果见表5。

2.4 矿渣道路混凝土

　　道路混凝土不配置钢筋，其控制指标是抗折强度，其次是坍落度控制在10 mm 内，面层应考虑耐磨性。选取水胶比、砂率及复合微粉取代率的3 因素4 水平试验方案，设计了16 组高钛重矿渣道路混凝道路试块，进行抗折强度正交试验，试验方案见表6。

　　各因素、水平对7 d、28 d 混凝土抗折强度的影响试验见图1、图2。由图1、图2 可见，对道路混凝土7 d 抗折强度影响的大小依次是水胶比>复合微粉取代率>砂率；对28 d 抗折强度影响的大小依次是水胶比>砂率>复合微粉取代率。

　　综合结果表明，影响混凝土抗折强度的决定因素是水胶比，因此，应严格控制。

3 工程应用

　　自20 世纪70 年代以来，已有数10 万m3 的高钛矿渣混凝土在工业建筑的基础、柱、梁、预制屋面板，住宅和办公楼基础、柱、地梁等结构构件，城区道路，构筑物中的水池、人防领域等的工程项目中应用。经过20 多年使用，至今完好无损，说明高钛重矿渣混凝土结构是稳定的。

　　近年来，全高钛重矿渣混凝土已应用于高层框架结构和剪力墙结构，在城市道路的路面混凝土和稳定层部分也有使用。无论是建筑工程还是道路工程都未发现工程质量问题，技术指标、经济指标都优于同级天然骨料普通混凝土。

4 需要进一步研究的问题

　　高钛重矿渣混凝土作为一种新型建筑材料，理论研究和施工技术经验还有待积累，尤其以下方面要引起足够重视。

4.1 施工工艺

　　为了保证混凝土拌合料的和易性，须加入掺和料，砂率比普通混凝土增大4%～7%。应采用机械强制性搅拌，拌制前，对矿渣骨料充分湿水，控制振捣时间，避免过振，发现骨料上浮时，应立即拍平。

4.2 理论和试验研究

　　目前仅开展骨料的材料性质和混凝土试块强度研究，要尽快研究钢筋和矿渣混凝土共同工作性能，为结构设计提供依据。高炉渣混凝土的徐变性能、抗渗性能、耐久性以及高炉渣混凝土与钢筋的握裹性能等有待深入研究。

4.3 在水工混凝土和高速公路中的开发应用研究

　　水利工程和高速公路的混凝土用量巨大，若能在该领域中推广应用，对于高钛矿渣混凝土是很有意义的。

5 结束语

　　高钛重矿渣混凝土是技术指标合格，经济指标优良的新型建筑材料，在土木工程中作为普通混凝土和钢筋混凝土均有广泛的推广价值，同时高钛重矿渣混凝土的成功应用，对于保护环境，废渣利用，发展循环经济均有重大意义。

参考文献:

　　[1] 王怀斌，范付忠，郝建璋，等.高钛高炉渣在混凝土中的作用机理.钢铁钒钛，2004，9(3)：48- 53.

　　[2] 李兵，陈加耘，陈栋.掺有磨细矿物质增强材料的高性能混凝土.四川建筑，2003，10：82- 84.

　　[3] 罗松林，杨秀云.攀钢高钛重矿渣混凝土的试验及在工程中的应用.四川建筑，2005，9：177- 180.