高钛重矿渣混凝土基础力学性能试验分析

梁 贺 之， 李 超， 闵 凌 飞， 张 伟

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高钛重矿渣是钛精矿冶炼提取钛金属形成的多孔型块状废渣，攀钢集团冶炼取钛金属产生的高钛重矿渣具有含钛量高、力学性能良好、抗冲击韧性、耐久性能好、无碱集料反应、抗渗性和干燥收缩小等特点[1，2]。高钛重矿渣骨料可替代天然骨料配制泵送混凝土，其拌和性、力学性、耐久性和结构性均满足相关规范要求[3]。徐春生等[4]研究了干燥与饱水状态下高钛重矿渣对混凝土力学性能的影响，并与天然砂石混凝土进行对比，发现其拥有更好的混凝土性能。王伟[5]将再生高钛重矿渣粗、细骨料按三个取代率取代高钛重矿渣粗、细骨料制备高钛重矿渣再生混凝土并测定其28 d强度，得到其耐腐蚀性能良好的结论。虽然高钛重矿渣混凝土得到不少学者的研究，但对于其基本力学性能进行的研究还是相对较少[6]。介绍了对高钛重矿渣混凝土基础力学性能进行的试验与分析。

2 试 验

2.1 试验材料

(1) 高钛重矿渣。高钛重矿渣取自攀枝花市环业冶金渣有限公司。由于高钛重矿渣碎石的多孔结构，其吸水率较高，因此，在进行试验前需提前浸泡24 h以使其达到饱水状态，表观密度为2 840 kg/m3，堆积密度为1 350 kg/m3，吸水率为6.2%，压碎指标为8%，高钛重矿渣主要化学成分见表1。采用方孔筛筛分出粒径为5～31.5 mm、连续级配的高钛重矿渣碎石作为粗骨料， 细骨料则采用细度模数为2.8的高钛重矿渣砂。

表1 高钛重矿渣主要化学成分表 /%

(2)水泥。采用攀枝花攀煤水泥制品有限公司生产的P.O.42.5 R普通硅酸盐水泥，其水泥各项品质指标见表2。

(3)粉煤灰。采用攀枝花某公司出售的I级粉煤灰，该粉煤灰的细度为10%，需水量比为90%，烧失量为4%，粉煤灰主要化学成分见表3。

表2 水泥各项品质指标表

表3 粉煤灰主要化学成分表 /%

(4)外加剂。采用陕西某公司生产的液体均衡性聚羧酸减水剂，其为无色透明液体，减水率为30%，泌水率比为42%，含气量为2.5%。

(5)水。试验用水采用攀枝花市的自来水。

2.2 试验方法

参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)，试验得到的高钛重矿渣混凝土的设计强度等级为C30，砂率为38%，水胶比为0.5、0.55、0.6、粉煤灰掺量为0、10%、20%，采用A、B两个因素进行试验，高钛重矿渣混凝土配合比见表4。

表4 高钛重矿渣混凝土配合比表 /kg·m-3

为开展力学性能抗压强度试验制作了尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试块9组，每组9块(7 d、14 d、28 d)，共81块。为开展力学性能抗折强度试验制作了尺寸为100 mm×100 mm×400 mm试块9组，每组9块(7 d、14 d、28 d)，共81块。为开展力学性能劈裂抗拉强度试验制作了尺寸为150 mm×150 mm×150 mm试块9组，每组9块(7 d、14 d、28 d)，共81块。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度试验

抗压试块破坏形态见图1。高钛重矿渣混凝土受压破坏后出现局部整体块状掉落，试件表面出现许多纵向裂缝，边角处的混凝土呈压碎破坏状态。在试件受压破坏过程中，能够听见清晰的压碎破坏声。高钛重矿渣混凝土7 d、28 d不同龄期试件的抗压强度见表5。

由表5可知：在有养护的条件下，每一种水胶比、粉煤灰掺量的高钛重矿渣混凝土的抗压强度随龄期延长而增长。单一影响因素下，水胶比越低，高钛重矿渣混凝土抗压强度越高；当粉煤灰采用内掺的做法等量取代试验中的水泥时，其高钛重矿渣混凝土抗压强度有所降低。高钛重矿渣混凝土7 d抗压强度普遍达到28 d抗压强度的70%左右，28 d抗压强度均超过《混凝土强度检验评定标准》(GB/T 50107-2010)所规定的C30混凝土强度值。

图1 抗压试块破坏形态图

表5 高钛重矿渣混凝土抗压强度表

由极差时的值可以看出，影响高钛重矿渣混凝土抗压强度的因素为：水胶比大于粉煤灰掺量。为了更直观地观察、分析试验结果，将表5中测得的高钛重矿渣混凝土的抗压强度数据分别以水胶比、粉煤灰掺量为变量绘制成抗压强度曲线，不同水胶比抗压强度示意图见图2，不同粉煤灰掺量抗压强度示意图见图3。

由图2可知：水胶比是影响高钛重矿渣混凝土抗压强度的显著因素。由28 d抗压强度可以看出：当水胶比为0.5时，抗压强度最高；而相对于水胶比为0.6时，抗压强度提升了27%左右。由图3可知：粉煤灰的掺入对抗压强度不利。虽然粉煤灰的掺入改善了高钛重矿渣混凝土的和易性，使其流动性得到提升，但当粉煤灰掺量为10%时，抗压强度下降3.5%左右；当粉煤灰掺量为20%时，抗压强度下降了4.5%左右。综合分析可知：28 d龄期时，高钛重矿渣混凝土的抗压强度以第1-1组为最高，第1-9组为最低，第1-1组比第1-9组的抗压强度高36%。

图2 不同水胶比抗压强度示意图

图3 不同粉煤灰掺量抗压强度示意图

3.2 抗折强度试验

试验过程中，在加载初期，试块表面并未发现有裂缝出现；随着荷载的增加，试块底面开始出现微小的细缝且裂缝全部集中在所施加的两个集中荷载之间的区域；随着荷载继续增大，裂缝开始沿着垂直方向扩展，宽度进一步增大，最终导致试块折断且试件基本是沿着试件的中部位置发生断裂。当试件表面开裂时，裂缝会迅速断裂并发出脆响，试件的断面较多为粗骨料发生断裂，仅有少部分粗骨料发生脱落，抗折试块的破坏形态见图4。高钛重矿渣混凝土不同龄期试件的抗折强度见表6。

由表6可知：随着水胶比的增大，高钛重矿渣混凝土的抗折强度呈下降趋势，且随着粉煤灰掺量的增大，抗折强度亦有所下降；但在同一水胶比下，高钛重矿渣混凝土的抗折强度前期下降较多，而后期反而相差不大。由此可见：粉煤灰的掺入导致高钛重矿渣混凝土的抗折强度前期有所下降，但在28 d龄期后，由于粉煤灰的填充效应使高钛重矿渣混凝土的密实性提升，从而表现出其抗折强度与不掺粉煤灰组相差不大。总体来说，抗折强度基本上为抗压强度的1/10左右。

图4 抗折试块破坏形态图

表6 高钛重矿渣混凝土不同龄期试件的抗折强度表

从极差强度可以看出，影响高钛重矿渣混凝土抗折强度的因素为：水胶比大于粉煤灰掺量。为了更直观地观察与分析试验结果，将表6中测得的高钛重矿渣混凝土的抗折强度数据分别以水胶比、粉煤灰掺量为变量绘制成抗折强度曲线，不同水胶比抗折强度示意图见图5，不同粉煤灰掺量抗折强度示意图见图6。

图5 不同水胶比抗折强度示意图

图6 不同粉煤灰掺量抗折强度示意图

由图5可知：当水胶比为0.5时，28 d抗折强度比水胶比为0.55时的抗折强度提升了19.5%，比水胶比为0.6时的抗折强度提升了34.2%。由图6可知：当粉煤灰掺量为20%时，其7 d抗折强度比粉煤灰掺量为10%时的抗折强度下降了3.3%，比粉煤灰掺量为0时的抗折强度下降了7.6%。但是，通过与28 d抗折强度进行比较，得知其分别下降了2.5%、5.8%。综合分析得知：28 d龄期时，2-1组高钛重矿渣混凝土的抗折强度最高，2-9组的抗折强度最低，2-1组比2-9组抗折强度高41%。

3.3 劈裂抗拉强度试验

试块在劈裂荷载作用下在上下垫条之间出现了纵向裂缝并逐渐贯通快速破坏且伴有较大的声响，试件断裂，试验机瞬间卸载，破坏形态呈现出明显的脆性破坏。破坏面基本是两垫条中心所在的平面，破坏后的两个半块大小相当。在试件的劈裂方向其侧面形成较为曲折的断裂线，劈裂抗拉试块破坏形态示意图见图7(a)；在劈裂荷载作用的垂直方向形成拉应变，当拉应变达到高钛重矿渣混凝土极限拉应变时，试件发生断裂破坏形态，劈裂抗拉试块破坏形态示意图见图7(b)，整个过程中只出现了一条主裂缝，无次要裂缝发生。试件断面出现较多的是骨料被拉断，只有较少的砂浆骨料脱落，可以清楚地看见两者脱离后的痕迹。在拉应力作用下，其劈裂面表现为骨料的断裂。通过破坏形态图可以看出：高钛重矿渣混凝土的劈裂断面以骨料断裂为主并伴有少量的骨料脱落情况。高钛重矿渣混凝土不同龄期试件的劈裂抗拉强度见表7。

(a) (b)图7 劈裂抗拉试块破坏形态示意图

表7 高钛重矿渣混凝土不同龄期试件的劈裂抗拉强度表

由表7可知：单一因素下，水胶比越小，劈裂抗拉强度越大。粉煤灰的掺量使早期劈裂抗拉强度有所下降，但使其后期劈裂抗拉强度得到发展，基本上达到不掺粉煤灰组的劈裂抗拉强度。粉煤灰有效填充了骨料间的空隙，使孔隙率减少，改善了其内部孔隙结构，使高钛重矿渣混凝土更加密实，进而使其后期的劈裂抗折强度得到提升。总体来说，高钛重矿渣混凝土的劈裂抗拉强度基本上为其抗压强度的1/15左右。

从劈裂抗拉强度极差情况可以看出，影响高钛重矿渣混凝土劈裂抗拉强度的因素为：水胶比依然大于粉煤灰掺量。粉煤灰掺量相对来说其影响并不显著；但是，在同一水胶比情况下，反而在其后期达到了等量替代水泥的作用。为了更直观地观察、分析试验结果，试验室技术人员将表7中测得的劈裂抗拉强度数据分别以水胶比、粉煤灰掺量为变量绘制成劈裂抗拉强度曲线，不同水胶比劈裂抗拉强度示意图见图8，不同粉煤灰掺量劈裂抗拉强度示意图见图9。

图8 不同水胶比劈裂抗拉强度示意图

由图8可知其7 d的劈裂抗拉强度为：水胶比为0.6时，比水胶比为0.5时下降了19.5%；28 d的劈裂抗拉强度为：水胶比为0.6时，比水胶比为0.5时下降了21.9%。通过图9可以看出其7 d的劈裂抗拉强度为：粉煤灰掺量为20%时，比不掺粉煤灰组下降了3%；而其28 d的劈裂抗拉强度在粉煤灰掺量为20%时比不掺粉煤灰组下降了0.3%。由此可知：高钛重矿渣混凝土的劈裂抗拉强度由于不同的水胶比受到了较大的影响，粉煤灰的掺入虽然导致其前期劈裂抗拉强度有所下降，但其后期强度与不掺粉煤灰组相同。综合分析得知：28 d龄期时，3-1组高钛重矿渣混凝土的劈裂抗拉强度最高，3-8组与3-9组的劈裂抗拉强度最低，3-1组比最低组劈裂抗拉强度高22%。

图9 不同粉煤灰掺量劈裂抗拉强度示意图

4 结 语

通过对三种力学性能试验结果进行对比分析得知：水胶比是综合影响高钛重矿渣混凝土强度的显著因素，水胶比越低，高钛重矿渣混凝土强度越高。粉煤灰的掺入改善了高钛重矿渣混凝土的和易性，但亦导致其前期强度下降，而后期强度得以发展，并与不掺组强度基本相当。考虑到高钛重矿渣混凝土的实际工作性能与经济成本，经综合分析后得出C30高钛重矿渣混凝土的水胶比宜为0.5，粉煤灰掺量宜为10%，其抗压强度为45.9 MPa，抗折强度为4.7 MPa，劈裂抗拉强度为3.28 MPa，并具有较好的和易性能。