高钛重矿渣混凝土在倮果金沙江特大桥工程中的应用

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月当前1页，总共41页。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当前2页，总共41页。

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、工程概况当前3页，总共41页。

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、背景当前4页，总共41页。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当前5页，总共41页。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当前6页，总共41页。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。

可行性研究图2高钛重矿渣XRD图谱当前7页，总共41页。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。石灰石分解试验坚固性试验可行性研究当前8页，总共41页。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%（2）砂浆长度法检测碱活性高钛重矿渣砂属于非碱活性集料。可行性研究当前9页，总共41页。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。可行性研究当前10页，总共41页。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当前11页，总共41页。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1、体积法当前12页，总共41页。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当前13页，总共41页。3预湿时间对混凝土物理性能和体积稳定性能的影响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%。配合比设计当前14页，总共41页。4渣粉含量对混凝土物理性能及体积稳定性的影响

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。配合比设计当前15页，总共41页。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。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。配合比设计当前16页，总共41页。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当前17页，总共41页。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。当前18页，总共41页。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当前19页，总共41页。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

制备与工程应用当前20页，总共41页。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

图11内养护材料分子结构图

当前21页，总共41页。

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。制备与工程应用当前22页，总共41页。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2710

kg/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。制备与工程应用当前23页，总共41页。制备与工程应用2.2高钛重矿渣砂混凝土最优配合比注：水胶比为砂石中的含水量与外部加水量总质量与胶材质量比。当前24页，总共41页。制备与工程应用2.3高钛重矿渣砂混凝土物理力学及长期性能当前25页，总共41页。混凝土早期自收缩试验

混凝土内部相对湿度试验

(1)相同强度等级的混凝土，采用高钛重矿渣砂配制的较普通天然河砂配制的自收缩率明显减小;(2)高钛重矿渣砂混凝土内部相对湿度在3d左右有一个小幅的提升，而普通天然河砂混凝土内部相对湿度一直降低.制备与工程应用当前26页，总共41页。2.4高钛重矿渣混凝土界面微观分析矿渣砂混凝土28d普通砂混凝土28d

C40混凝土SEM图片矿渣砂混凝土500d普通砂混凝土500d

高钛重矿渣砂混凝土没有明显的界面过渡区，无Ca(OH)2晶体富集的现象，内部结构致密，水泥水化产物进入高钛重矿渣砂内部的孔隙，形成致密的“嵌套”结构，改善了高钛重矿渣集料的界面结构，增强集料界面的结合力。制备与工程应用当前27页，总共41页。制备与工程应用三、高钛重矿渣碎石混凝土制备3.1原材料水泥：瑞丰P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度（0.08mm筛余）2.6%；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%。普通砂：细度模数2.5～3.0。高钛重矿渣碎石：环业冶金渣公司生产高钛重矿渣碎石，快冷多孔，粒径为5~25mm的连续级配。当前28页，总共41页。制备与工程应用3.2高钛重矿渣碎石混凝土最优配合比注：水胶比为砂石中的含水量与外部加水量总质量与胶材质量比。当前29页，总共41页。制备与工程应用3.3高钛重矿渣碎石混凝土物理力学及长期性能当前30页，总共41页。制备与工程应用高钛重矿渣混凝土制备工艺检验混凝土坍落度、和易性混凝土输送泵泵送入模混凝土振捣混凝土养护混凝土运输至施工现场混凝土检验出厂输入混凝土搅拌车运输水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂搅拌60～90s高效减水剂水泥、粉煤灰、重钛矿渣砂、碎石混合干拌30s水泥、粉煤灰、重钛矿渣砂、碎石混合物和水搅拌30s供水设备给水装载机送料电子称计量装载机送料电子称计量螺旋输送机送料电子称计量测量集料的含水率高钛重矿渣砂碎石水泥、粉煤灰储存对矿渣集料进行预湿处理水源供应高钛重矿渣堆料场铲车对砂进行匀质化处理当前31页，总共41页。制备与工程应用高钛重矿渣砂混凝土在倮果金沙江特大桥中的工程应用原材料水泥：攀枝花市钢城集团瑞丰P.042.5水泥。云南红河P.052.5水泥。拌合用水：饮用水。砂：环业公司湿磨生产高钛重矿渣砂，细度模数2.4～3.1。碎石：马店河厂普通天然碎石，粒径为5~25mm的连续级配碎石。粉煤灰：攀枝花宝利源Ⅱ级粉煤灰。外加剂：成都合力高效聚羧酸减水剂。硅灰：攀枝花攀煤电冶工业有限公司生产硅灰。施工配合比当前32页，总共41页。制备与工程应用当前33页，总共41页。8.6性能指标：

强度等级：C65，塌落度≥220mm，扩展度≥500mm，保塑性90min内，可泵送施工，5天抗压强度≥55MPa。制备与工程应用当前