高钛重矿渣混凝土的力学性能与自生体积变形.pdf

2 0 1 5 年 第 1期 (总 第 3 0 3 期 J N u mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 MATERI A L AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 ， 0 1 0 2 8 高钛重矿渣混凝土的力学性能与 自生体积变形 徐春生 。 娄元涛 ， 邓敏 。 黄蓓 ( 1 南京工业大学 材料科学与工程学院 材料化学工程国家重点实验室 ， 江苏 南京 2 1 0 0 0 9 2 钢城集团凉山瑞海实业有限公司 冶金渣综合利用分公司，四川 西昌 6 1 5 0 0 0 ) 摘要 ： 研究了干燥状态和饱水状态下高钛重矿渣对混凝土力学性能与自生体积变形 的影 响， 并与天然砂石混凝土进行对比。 结果表明： 在水灰比为 0 5 3时 ， 干燥高钛重矿渣混凝土和饱水高钛重矿渣混凝土的强度 和弹性模量相近， 但高钛重矿渣混凝土 与天然砂石混凝土相比具有较高的强度和弹性模量 ； 高钛重矿渣混凝土的 自生体积变形要远小于天然砂石混凝土 ， 由饱水高钛 重矿渣配制的混凝土呈微膨胀状态。 关键词： 高钛重矿渣 ； 混凝土； 力学性能； 体积变形 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - O 1 l 1 0 4 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d a u t o g e n o u s v o l u me d e f or ma t ion o f h i g h t i t a n i u m h e a v y s l a g c o n c r e t e s XU Ch u n s he n g ，LOU Yu a ntao ，DENG Mi n ， HUANG Be i ( 1 ， S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ma t e r i a l s Or i e n t e d C h e mi c a l E n g i n e e r i n g， C o l l e g e o f Ma t e ri als S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g ， N a n j i n g T e c h U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ； 2 Me t a l l u r g i c a l S l a g U t i l i z a t i o n B r a n c h o f L i ang s h a n R u i h a i I n d u s t r y C o ， L t d ， Ga n g c h e n g Gr o u p， X i c h a n g 6 1 5 0 0 0， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e me c h a n i c al p r o p e r t i e s a n d a u t o g e n o u s v o l u me d e f o r ma t i o n s o f c o n c r e t e s p r e p a r e d wi t h n a t u r a l a g g r e g a t e s a n d d r y o r wa - t c rs a t u r a t e d h i g h t i t a n i u m h e a v y s l a g s We re s t u di e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t wh e n t h e W C i s O 5 3 t h e s t r e n g th an d the e l a s t i c mo d u his o f c o n c r e t e wi th d r y h i g h ti t a n i um h e a v y s l a g s wa s s i mi l a r t O tha t wi t h wa t e rs a t u r a t e d s l a g s ， a n d wa s h i g h e r than that wi th na t u r e a gg r e g a t e s Th e a u t o g e n o u s vo l u me d e f o rm a t i o ns o f c o n c r e t e s wi th h i g h ti t a n i u m h e a v y s l a gs we r e mu c h s ma l l e r tha n that wi t h n a t u r a l a g gre g a t e s A s l i g ht e x p an s i o n wa s o bs e r v e d f o r the c o n c r e t e p r e p a r e d wi th wa t e rs a t u r a t e d hi g h ti t a ni u m h e a v y s l a g s K e y wo r d s： h i【 g h ti tan i u m h e a v y s l a g； c o n c r e t e ； me c h a n i c al p r o p e r t i e s ； v o l u me d e f o rm a ti o n 0 引言 高钛重矿渣是冶炼钒钛磁 铁矿时产生 的一种 以钛 辉 石 、 钙钛矿等矿物为主 的具有多孔 、 高强 、 稳定等特点的高 炉渣 。 高钛重矿渣中的 T i O ， 含量明显高于普通高炉 渣。 由于T i O ： 使得高钛重矿渣形成钛辉石、 钙钛矿等结晶 相为主的矿物 ， 活性低 ， 不适合用作水 泥混合材 。 此外 ， 提钛技术 的相关理论 还不完善 不能 同时兼顾技术和经济 的可行性 ， 有些方法会不 同程度地带来新 “ 三废” ， 致使 该技术未 能广泛应用。 高钛 重矿渣的使用 面临巨大挑战 ， 以攀钢为例 ， 目前仍有 5 5 0 0多万 t 未被利用 ， 制约 了生 态和社会的可持续发展。 高钛重矿渣石、 砂代替天然碎石、 砂作混凝土骨料 是高钛重矿渣综合利用的有效途经之一。 在利用高钛重矿 渣作为混凝土集料进行研究与应用中发现 ： 它可用作 混凝土集料并具有良好性能。 但是高钛重矿渣作为一种多 孔骨料， 其预吸水后能否在混凝土内部起到“ 内养护” 作 用 ， 现阶段仍缺 乏研究 。 本试 验研究 天然砂 石 、 干燥 或饱 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 6 水高钛重矿渣砂石 对混凝土力学性能 和 自生体积 变形 的 影响。 1 试 验 1 1原材料 试验用原材料包括 ： 中国水泥厂生产 的 P O 4 2 5级 水泥 ； 华能 电厂 I 级粉煤 灰 ； 四川西 昌钢 城集 团凉 山瑞海 实业有限公司冶金渣综合利用分公 司提供 的 5 3 1 5 mm 高钛重矿 渣石 ； 5 3 1 5 n l l T l 连续 级配 石灰 岩碎 石 ； 凉 山 瑞海实业 有 限公 司冶 金 渣综 合利 用 分公 司提 供 的渣 粉 含量为 1 3 的高钛 重 矿渣 砂 ， 表 观 密度 为 3 1 9 2 k g m ， 细度模数为2 6 8 ； 天然河砂， 表观密度为2 6 2 2 k g ， m ， 细度 模数为2 6 5 ； 攀枝花吉源科技有限公司提供的 J Y P C聚 羧酸高效减水剂。 高钛重矿渣石和高钛重矿渣砂表面粗 糙多孑 L ， 呈灰褐色， 如 图 1所示。 高钛重矿渣石和高钛 重矿渣砂的主要 化学组 成如表 1所示 。 高钛 重矿渣 的矿 物组成如 图 2所示 ， 主 要 矿物 为钙 钛 矿、 钛 辉石 和镁 黄 长石 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 高钛重矿渣的化学组成 图 1 高钛重矿渣石和砂 A ： 镁 黄长石T 端 l l G GI T QT粉 G 状矿渣 砂 G G I T T T T 个 T T T 9 矿 渣 甓 T l F T G G G 4 0 5 0 6 O 7 0 8 0 2 0， ( 。 ) 图 2离钛重 矿渣 的 X一射 线衍 射 图谱 1 2配合 比 分别 以天然碎 石或 高钛重矿 渣石为粗 骨料 、 天然河 砂或高钛重矿渣砂 为细骨 料成 型混凝 土试件 ， 水胶 比为 0 5 3 ， 拌合物坍落度控制在 1 5 0 1 6 0 mm， 配合 比如表 2所 示。 高钛重矿渣混凝土工 作性较差 ， 在配制时通过调节 减 水剂用量保证高钛重矿渣混凝土拌合物与天然砂石混凝 土拌合物的坍落度基本一致。 表 2混凝 土配 合 比 注 ： 饱水状态为矿渣骨料泡水 2 4 h ， 于试验前 2 h 取出， 并在其表面铺上湿布， 以保证骨料出于饱水状态。 饱水高钛矿渣砂的含水率为 9 5 ， 饱水高钛重矿渣石的含水率为 2 。 1 3试 验 方 法 1 3 1 力学性能 根据 G B T 5 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方 法标准 测量 昆 凝土抗压、 轴心抗压 、 抗折 和劈裂抗拉强度 和弹性模量 。 1 3 2 混凝 土 自生体积变形 混凝 土 自生体 积变 形试验采用如 图 3 所 示 的 自制 模 具 。 试模采用外径 2 0 0 m m、 高 3 0 0 m m 的 P V C管， 底部 为 1 0 m m厚木板。 将木板与 P V C管用环氧树脂固定 ， 试 模 内壁及底层各 贴一层泡沫塑料薄膜 ， 最后再垫一层塑料 l 1 2 传输线 环氧树脂涂层 P V C 管 发泡 塑料 薄膜 应变 计 外层 混凝 土 图3 自生体积变形混凝土试件示意图 薄膜 。 按表 2 所示 的混凝土配合 比， 将新拌混凝 土装入试 模 ， 并预埋入 V WS一1 0型振弦式应变计 。 试件完成 以后 ， 立即用双层 塑料薄膜 以及环氧树脂密封试 件表面， 保证试 件处于绝湿状态。 将成型好 的试件放置在 ( 2 0 2 ) o c的环 境中养护。 用应变计数据采集装置 MC U测量混凝土 内部 温度及应变计 的输出频率模数 。 按照式 ( 1 ) 得 出不 同时 间 的混凝土应变量 ， 直至混凝土的变形值稳定。 占 =k ( F )+( b ) ( 一 ) ( 1 ) 式中 ： s 混凝土应变量 ， 1 0 ； 应变计的测量灵敏度 ， 1 0 F ； F 、 应变计的实时测量值 、 基准值 ， F ； 易 应变计的温度修正系数， 厂家测定 b=1 3 5 ， 1 0一 ： 混凝土线膨胀系数 ， 1 0 ； 、 混凝土内部温度的实时测量值 、 基准值 ， 。 2结果与讨论 2 1 力学性能 - 天然碎石混凝土( N G C) 、 干燥 高钛重矿渣混凝土 T T 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( T S C) 和饱水高钛重矿渣混凝土 ( S T S C) 7 、 2 8 d的力学性 能如表 3所示。 7 d时 ， T S C和 S T S C 的抗压 强度 比 N G C 分别高 4 1 、 3 5 MP a ， T S C和 S T S C的轴心抗压强度 比 N G C分别高 2 7 、 3 3 MP a ， T S C和 S T S C的抗折强度 比 N G C分别增大 2 6 9 和 1 9 2 ， T S C和 S T S C的劈裂抗拉 强度 比 N G C分 别 增大 1 1 2 和 1 3 2 。 2 8 d时 ， T S C和 S T S C的抗压强度比 N G c分别高 4 5 、 5 8 MP a ， T S C和 S T S C的轴心抗压强度 比 N G C分别 高 3 1 、 3 6 MP fl ， T S C 和 S T S C的抗折强度 比 N G C分别增大 1 0 9 和 6 5 ， T S C 和 S T S C的劈裂抗拉强度比 N G C分别增大 1 9 0 和2 1 8 。 这可能是由于高钛重矿渣的多孔结构 ， 不仅增大浆体与 高钛重矿渣的接触面积 ， 而且浆体灌入高钛重矿渣骨料孑 L 隙内形成“ 销栓 效 应” ， 提 高两 者之 间 的黏 结力 ， 从 而 提高混凝土强度和弹性模量。 由干燥和饱水高钛重矿渣 砂石配制的混凝土 强度 和弹性模量 相近 。 这可 能是 由于 饱水高钛重 矿渣 预 吸 收 的水分 在水 泥 水化 过程 中逐 渐 释放出来， 从而加强了混凝土的养护； 而干燥高钛重矿渣 在混凝土拌合物 的搅拌 过程 中持续 吸收拌 和水 ， 后 期对 混凝土 的硬化及养护 同样有利 。 此外 ， 本试验采用较 高 水灰 比和标准养护 ， 使得饱水 高钛重矿渣骨料的“ 内养护” 作用没有得 到有 效发 挥 ， 因而 两者在 强度 和弹性模 量 上 相近。 表 3 7 、 2 8 d的混凝土力学性能 2 2混凝土 自生体积 变形 2 2 1 混凝土自生体积变形基准点和热膨胀系数的确定 本试验采用 MC U采集混凝土内部温度 以及应变计输 出频率模数 ， 并根据其变化规律作为确定基准点的依 据 ， 从而得出混凝土的变形值。 图4 、 5分别为混凝土成 型后4 8 h内部温度和应变计输出频率模数的变化。 由图4 可以看出， 混凝土内部温度在 1 4 8 h呈先升高后降低的 趋势， 其中在 1 2 4 h因为水泥水化反应放热剧烈而使混 凝土 内部温度升高 ， 之后开始缓慢下降。 由图 5可 以看 出， 混凝土内应变 计 的输 出频 率模数 在 1 - 2 4 h内波动性 较 大， 但在 2 4 h以后应变计的输出频率模数稳定性较好。 此 外 ， 我国混凝土试验 规程一般 以成 型后 2 4 h应变计 测量 值 为基准 ” 。 因此， 综合考虑混凝土内部温度和频率模数 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 O 龄期， h 图4早龄期混凝土 内部温度的变化 4 6 0 0 4 5 0 0 4 4 0 0 鬃 4 3 0 0 4 2 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 龄 期 h 图 5 早龄期混凝土内部应变计频率模数的变化 的变化规律以及相关标准 ， 将 2 4 h定为测量 自生体积变形 基准点 。 将养护 1 1 3 d的混凝土从( 2 0 2 ) 的恒温环境中移 至( 3 8 2 ) ， 利用应变计 输出测 量装置测量应变计 的输 出频率模数 F 、 和与之对 应的温度 、 ， 根 据式 ( 1 ) 计算混凝土在 和 时对应的应变量 。 1 = k ( F 一 ) +( b a ) ( 一 r o ) ( 2 ) ： = k ( 一 ) +( b a ) ( 一 T o ) ( 3 ) 而混凝土的热膨胀 为 ： s 2一占 =a ( 一 ) ( 4) 根据式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 和( 4 ) 得 ： g = k ( F ) 2 ( r l 一 )+ b 2 ( 5 ) 根据式 ( 5 ) 计算得到的混凝土热膨胀系数见表 4 。 2 4 h 时( 基准点) 混凝土内部温度及应变计输出频率模数也列 于表 4中。 表 4 混凝土自生体积变形基准点及热膨胀系数 2 2 2 混凝土 自生体积变形 将混凝土 自生体 积变形基准 点、 热膨胀 系数 、 实时采 集的混凝土内部温度和应变计输出频率模数代入式( 1 ) 可 得出混凝土 的应变量 ， 结果见 图 6 O 由图 6可知， N G C的 自 生体积变形在 6 0 d内快速收缩 ， 其应变量为 一5 0 7 6 8 ， 后期收缩变缓 ， 至 1 2 2 d时 ， 应变量为 一 5 6 6 5 。 T S C的 自 生体积变形在总体上呈收缩趋势， 在 6 0 d的应变量为 一 1 5 5 ， 1 2 2 d的应变量为 一 5 5 1 。 S T S C的 自生体积 变形基本处于微膨胀状态 ， 在 6 0 d的应 变量 为 1 5 5 2 8 ， 1 2 2 d的应变量为2 0 9 0 8 ， 其原因尚有待进一步研究。 由 高钛重矿渣砂石配制 的混凝 土的 自生体积变形要 明显 小 1 1 3 加 ： 2 、 赠箍长 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 于由天然砂石配 制 的混凝 土 ； 与干 燥高钛 重矿 渣砂 石相 比， 饱水高钛重矿渣砂石能进一步减小混凝土的自生体积 收缩。 制 3 结 论 龄期 d 图6 不同骨料混凝土的自生体积变形 ( 1 ) 高钛重矿渣混凝土 比天然砂石混凝 土具有更高 的 强度和弹性模量 。 ( 2 ) 高钛重矿渣混凝 土具有 比天然 砂石混凝 土更 小 的 自生体 积 变 形 ， 饱 水 高 钛 重 矿渣 混 凝 土处 于微 膨 胀 状态 。 参考文献 ： 1 何小龙 全高钛矿渣混凝土的研究与应用 D 重庆： 重庆大 学， 2 0 0 6 2 江海民 高钛重矿渣混凝土的工作性能研究 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 2 5 1 2 7 上接第 1 1 O页 a s h a n d m i c r o p o l y v i n y l a l c o h o l fi b e r r J C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 01 2， 3 4： 1 5 61 6 5 9 O Z B A Y E， e t a 1 D u a l e ff e c ti v e n e s s o f f r e e z i n gt h a w i n g a n d s u l f a t a t m c k o n h i g hv o l u m e s l a gi n c o r p o r a t e d E C C J C o m p o s i t e s P a r t B： E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 4 5 ( 1 ) ： 1 3 8 41 3 9 0 1 0 S A H MA R A N M， L I V C D u r a b i l i t y o f m e c h ani c al l y l o a d e d e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mpo s i t e s u n d e r hig h l y a l ka l i n e e n v i r o n me n t s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 8 ， 3 0 ： 7 2 8 1 1 1 S A H MA R A N M， L I V C D u r a b i l i t y p r o p e r t i e s o f mic r o c r a c k e d E C C c o n t a i n i n g hi g h v o l u m e s fl y a s h J C e me n t and C o n c ret e Co mpo s i t e s， 2 0 0 9， 3 9： 1 0 3 31 04 3 1 2 Z H A N G Z h i g ang ， Q I A N S h u n z h i ， MA H u i I n v e s ti g a t i n g me c h a n i - c a l p r o p e r t i e s an d s e l f- - h e a l i n g b e h a v i o r o f mi c a o - e r a e k e d ECC w l t h d i ff e r e n t v o l u m e o f fl y a s h J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ria l s ， 2 0 1 4， 5 2： 1 72 3 1 3 S A H MA R A N M， L A C H E MI M， H O S S A I N K M A， e t a 1 I n fl u - e n c e o f a g g r e g a t et y p ean d s i z e o n d u c t il i t y a n dme c ha n i c al p r o p - e r t i e s o f e n g i n e e red c e m e n t i t i o u s c o m pos i t e s J A C I Ma t e r i al s J o u r n a l ， 2 0 0 9 ， 1 0 6 ( 3 ) ： 3 0 8 3 1 6 1 4 田砾 ， 王飞， 赵铁军， 等 骨料级配对应变 硬化水泥基材料力学 性能的影响 J 青岛理工大学学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 8一l 1 1 5 杜志芹， 孙伟 纤维和引气剂对现代水泥基材料抗渗性的影 1 1 4 3 WA N G A i g u o ， D E NG Mi n ， S U N D a o s h e n g ， e t a 1 P h y s i c al p r o p e r t i e s o f c r us hed a i rc o o l ed b l a s t f U l T l a c e s l a g a n d n ume ric al r e p rese n t a ti o n o f i t s mo r p h o l o g y c h ar a c t e r i s ti c s J J o u r n al o f Wu h a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y Ma te r ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 5 ) ：9 7 3 9 7 8 4 J C 4 1 8 -2 0 0 9 ， 用于水泥中的粒化高炉钛矿渣 s 5 游天才 高钛重矿渣混凝土应用技术研究F D 武汉： 武汉科技 大学 ， 2 0 0 7 6 孙金坤 全高钛重矿渣混凝土应用基础研究r D 重庆 ： 重庆大 学 ， 2 0 0 6 7 黄双华， 陈伟， 孙金坤， 等 高钛高炉渣在混凝土材料中的应 用 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 7 1 7 3 8 王怀斌， 程相利， 苍大强， 等 高炉钛渣提高混凝土强度的作用 机理 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 0 2 4 0 6 9 MO L i w u ， D E N G Mi n ， WA NG A i g u o E f f e c t s o f Mg Ob a s e d e x pans i v e a d diti ve o n c o mp e n s a t i ng t h e s h r i n ka g e o f c e me n t p a s t e u n d e r n o n w e t c u r i n g c o n diti o n J C e me n t and C e m e n t C o mpos i te s ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 3 ) ： 3 7 7 3 8 3 1 O 王爱国 骨料形态与孔隙对道面混凝土变形性能和力学性能 的影响 D 南京： 南京工业大学， 2 0 1 0 1 1 I S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 s 作者简介 ： 徐春生( 1 9 8 7一) ， 男， 硕士研究生， 研究方向 ： 水泥混 凝土。 联系地址： 南京市新模范马路5号 南京工业大学材料科学与工 程学院( 2 1 0 0 0 9 ) 联系电话： 1 5 8 5 0 5 9 3 5 1 2 晌 J 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 6 1 4 6 1 8 1 6 - 姜国庆， 孙伟， 刘小泉 生态型工程水泥基复合材料的制备与 性能研究 J 西安建筑科技大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 4 0 ( 1 ) ： 9 3 1 0 0 1 7 杨英姿， 姚燕 高性能 P V A纤维增强水泥基材料的制备与性 能 J 中国材料进展， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 9 2 4 1 8 姜国庆 E C OE C C的制备技术、 性能、 微观机理及仿真分 析 D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 9 1 9 李贺东 ， 徐世煨 超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评 价方法 J 土木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 3 ) ： 3 2 3 9 2 0 H U AN G X Y， I A D E R ， L I V C， e t a1 D e v e l o p m e n t o f g r e e n e n g i n e e r ed c e me n t i t i o u s c o mpo s i tes u s i n g i r o n o r e rai l ing s a s a g gre g a t e s - J C o n s t r u c ti o n and B u i l d i n g Ma t e ri al s ， 2 0 1 3 ， 4 4 ： 7 5 7 7 6 4 2 1 寇佳亮， 邓明科， 梁兴文 延性纤维增强混凝土单轴拉伸性能 试验研究 J 建筑结构， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 5 9 6 4 作者简介： 张丽辉( 1 9 8 9一) ， 女， 研究生， 研究方向： 高延性水泥 基复合材料、 纤维增强水泥基复合材料。 联系地址 ： 江苏省南京市江宁区东南大学 九龙湖校区材料科学 与工程学院( 2 1 1 1 8 9 ) 联 系电话 ： 1 5 8 5 0 6 3 7 1 6 3 O 0 O O 0 0 O O 0 O O 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m