高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用

高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用李青洋(四川川交路桥有限责任公司,四川广汉618300)【摘要】：高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用，是充分利用被攀枝花钢铁公司废弃，并面临无处堆放的大量高钛重矿渣，通过掺加一定量含有阴离子表面活性剂的引气组分，使砼在拌和过程中产生大量相同电荷并能均匀分布的微气泡，这些微气泡起到“滚珠”效应，有效提高砼初始扩展度。现实将废弃的高钛重矿渣配制成等级为C65高强高性能砼，并且能满足垂直100m，水平100m的高远程泵送施工要求。【关键词】：利用废矿渣、配制高性能砼1技术背景高钛重矿渣，是攀钢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无机材料。攀钢高钛重矿渣的化学成分中Ti02含量大于18%,在性能上与普通矿渣有很大差别,水化活性低,不适合作为生产水泥的外掺料以及砼的矿物掺合料,很大程度上限制了高钛重矿渣的资源化利用。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。高钛重矿渣高强高性能砼的生产、施工在我集团公司尚属首次，我集团公司承建的倮果金沙江特大桥是攀枝花市的重点工程，其中的主桥箱梁砼强度等级设计为C65，最大墩高100m。在大桥的施工中，通过大量的研究和试验，通过洒水预湿的高钛重矿渣成功配制了C65高强砼，砼相关指标满足设计及施工要求，并成功实施了垂直100m，水平100m的泵送施工。通过进行试配砼配合比和现场浇灌模拟试验的科研攻关，并结合国内外高钛重矿渣砼施工的成功经验，依据国家现行规范，总结了一套行之有效的施工方法。2技术目的高钛重矿渣高性能砼，是通过在高钛重矿渣掺加一定量含有阴离子表面活性剂的引气组分，使砼在拌和过程中产生大量相同电荷并能均匀分布的微气泡，这些微气泡起到“滚珠”效应，有效提高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用高砼初始扩展度。达到将高钛重矿渣配制成等级为C65高强高性能砼，并且能满足垂直100m，水平100m的泵送施工要求的目的。3技术特点及适用范围3.1技术特点3.1.1按照该技术施工的高钛重矿渣砼可以保证砼的和易性、流动性、可泵性，最高强度可达C65，其徐变性能与普通河砂配制的砼相比，没有根本性差别。3.1.2该技术施工工艺条件与普通河砂配制的砼相比，除了施工之前对高钛重矿渣提前做饱水处理外，没有特殊要求。3.1.3为高钛重矿渣高强高性能砼研制了一种外加剂。通过调整外加剂中消泡组分、引气组分、内养护组分及增粘组分的含量，成功研制出降低用水量、增大流动性、改善和易性，改善泌水性能，改善因水胶比降低而增加的砼黏度以降低拌合物摩擦阻力，延长凝结时间以适应施工操作时间的外加剂。达到将高钛重矿渣配制高强高性能砼的目的。3.1.4根据该技术提供的砼配合比设计原则及施工质量控制措施，可实现高钛重矿渣配制高强度等级砼，并顺利实施大高程泵送施工。图1倮果金沙江特大桥施工实景照片3.2适用范围该技术适用于四川、云南等缺少河砂的地区公路、桥梁预应力高强度等级砼、大高程泵送施工的砼施工。4工艺原理及实施方法4.1工艺原理4.1.1经机械破碎后的高钛重矿渣，与普通河砂比较，不存在泥块、云母、贝壳等有害物质，且可以调整颗粒级配。所以，采用高钛重矿渣，做好对高钛重矿渣的预湿、混均、及时测量含水率，恰当地应用减水剂技术和粉煤灰砼技术，适当调整砼配合比，在相对较低的水灰比条件下，完全可以配制出和易性好、坍落度损失小、泵送性好、强度高和耐久性好的砼，不仅满足了砼的强度及耐久性等设计要求，同时也满足了砼的大高程泵送等施工工艺要求。高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用4.1.2专为高钛重矿渣使用的外加剂的研制。由于高强及泵送工艺的需要，在严格控制用水量前提下，为了满足适当的浆体含量和适宜的流动性，同时，具有早期强度好、收缩低、后期强度好的性能。通过调整外加剂中不同组分来开发一种专为高钛重矿渣高强高性能砼外加剂。4.2实施方法4.2.1由于高钛重矿渣的比表面积较大，一方面摩擦阻力大，另一方面对外加剂吸附较严重，导致砼初始工作状态不佳，扩展度偏低，无法满足砼施工过程的要求。为此本课题组通过掺加一定量含有阴离子表面活性剂的引气组分。使砼在拌和过程中产生大量相同电荷并能均匀分布的微气泡。这些微气泡起到“滚珠”效应，有效提高砼初始扩展度。4.2.2砼外加剂的加入会在砼内部引入大气泡，不仅不利于改善砼的初始状态，而且对砼的物理力学性能及长期耐久性有害。通过引入一种能改变体系的界面状态破坏或抑制泡沫的物质可消除大气泡。该消泡剂具有较高的表面活性，能形成新的表面膜或改变原表面膜，降低泡沫的强度，进而有效的减少砼中大气泡的生成量。图2倮果金沙江特大桥高钛重矿渣砼照片图3高钛重矿渣砼实现高远程泵送施工4.2.3为避免砼在泵送过程中因离析而堵管现象的发生，在外加剂中掺加一定量具有保水和增稠作用的增黏组分，使其高分子长链可以在水泥颗粒、水泥和骨料之间形成稳定的空间柔性网络结构，提高新拌砼的粘聚力，且其所含有的化学基团如羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键，使游离水变成结合水，以保证水泥水化时具有足够的水，故使水泥浆体黏度上升，有效的避免在泵送过程中因离析而堵管现象的发生。4.2.4为减少砼的收缩量，在外加剂中增加一种使砼毛细孔溶液表面张力显著降低的减缩增韧组分，从根本上减小了砼产生自收缩，孔隙细化，没有明显的原生裂纹产生，砼结构更加致密，减小砼的收缩，提高抗裂性能。增韧机理的实质是在基体材料中引入一种具有超长分子链的聚合物，利高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用用这种聚合物的超长分子链在基体中相互缠结形成的网络状骨架结构，为材料提供机械强度；当材料受到外力作用时，通过这种网络状骨架结构的形变、吸收和传递来自基体的冲击能量，起到增韧作用。4.2.5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。5工艺流程与操作要点5.1工艺流程高钛重矿渣拌制砼施工工艺流程图高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用5.2操作要点5.2.1在配制重钛矿渣砂砼前，至少提前24h对重钛矿渣砂进行饱水处理，由于重钛矿渣砂是多孔材料，如果不提前做饱水处理，在砼泵送过程中，在泵送压力的作用下重钛矿渣砂会吸附水泥浆体，对砼的工作性能产生不利影响。5.2.2在配制重钛矿渣砂砼前2h～3h，用铲车将料场中做过饱水处理的重钛矿渣砂进行混匀操作，让砂堆上部与砂堆下部不同含水率的砂混合均匀，然后静置1h～2h，目的是使测出的含水率更接近实际含水率。5.2.3在配制重钛矿渣砂砼前0.5h，测量经过混匀操作的重钛矿渣砂的含水率，取3～6个砂堆中不同部位且有代表性的位置进行砂的含水率测量，然后计算出这3～6个含水率的平均值。5.2.4砂的含水率宜控制在7%～10%之间，如果含水率小于6%在泵送压力的做用下重钛矿渣砂会吸附水泥浆体，对砼的工作性能产生不利影响。如果含水率大于11%在泵送压力的做用下，重钛矿渣砂孔隙中自由水会释放出，导致泵送后的砼多浮浆。5.2.5在装载机装重钛矿渣砂时，应尽量从料堆的中上部取料，可有效防止料堆下部的砂含水率波动过大，对配制的砼工作性能及强度产生不利影响。5.2.6砼有效水胶比不宜大于0.32，一般在0.28～0.30之间。重钛矿渣砂是多孔材料，其孔隙中含有约3.5%的饱和面干含水率，这部分水将不参于水泥水化，不属于外部加水，因此有效水胶比，是将重钛矿渣砂饱和面干3.5%的水量除去后所得的水胶比。5.2.7砼搅拌运输车在运输途中，拌筒以1～3转/min速度不停地进行搅动，运到现场卸料前应使拌筒搅拌1～2min后再卸料。5.2.8砼的泵送初始时，应慢速泵送，待泵送顺利时，在用正常速度泵送；砼泵送速度要均匀连续，必要时可降低砼的泵送速度，若停泵时间过长，应每隔15min反泵一次，防止料斗内的砼沉淀离析，若预计等待时间过长，应将管中砼清除，用水清洗管道，等待重新泵送。5.2.9浇筑过程中，必须由专人对砼的质量进行监控，及时作好塌落度检测，保证砼不离析、不泌水，具有可泵性为原则，对有和易性、塌落度不达标等现象的砼坚决不准使用，每台班砼取样不少于2组。6材料使用与质量控制6.1材料使用6.1.1胶凝材料：高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。水泥应具有较低的需水性，同时还应考虑其与高效减水剂的相容性。综合考虑后宜采用强度等级为52.5的硅酸盐水泥。6.1.2骨料：骨料的粒径、尺寸和级配对高钛重矿渣砼拌合物的施工性，尤其拌合物通过的间隙影响很大。高钛重矿渣砼的骨料采用粒径5mm~25mm的石子、粒径5mm~16mm的小石子，细度模数为2.4～3.0的高钛重矿渣。粗骨料的最大粒径，当使用卵石时为25mm，使用碎石时为20mm。施工过程中严格控制石子的含泥量，石子的含泥量一般不宜大于1%。6.1.3外加剂：对高钛重矿渣砼外加剂性能的要求为：有优质的流化性能，保持拌合物的流动性、合适的凝结时间与泌水率、良好的泵送性；对硬化砼的力学性质、干缩和徐变无不良影响，耐久性（抗冻、抗渗、抗碳化、抗盐浸）好。外加剂的技术指标应符合《砼减水剂质量标准和试验方法》（JGJ56-84）。在采购外加剂时应与生产厂家具体洽商技术指标，专项配制。6.1.4掺合料：粉煤灰质量指标应符合《用于水泥和砼中的粉煤灰》（GB1596-2005）中Ⅱ级灰要求，掺量由试验确定。6.1.5配合比：高钛重矿渣砼的配合比应满足拌合物施工性能的要求。因此，与相同强度等级的普通砼相比，它具有砂率较大，细掺料用量多。为了保证强度，水胶比一般不宜大于0.32。采用如下配合比设计。等级有效水灰比砂率（％）有效用水(kg/m3)水泥（kg/m3)砂(kg/m3)C650.3240170445736大石(kg/m3)(5~25mm)小石(kg/m3)(5~16mm)外加剂(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)外加剂(％)4446668.0851.56.1.6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。高钛重矿渣高性能砼在倮果金沙江特大桥的应用6.2质量控制6.2.1水、粗细骨料必须有试验检测报告，经检测满足规范标准要求后才能进场使用。6.2.2水泥、粉煤灰、外加剂必须有出厂合格证，进场后试验人员要复检，满足规范要求后才能使用。6.2.3水泥在出厂前，要进行水泥与外加剂的相容性试验，只有相容性试验合格的水泥才能出厂。6.2.4砼搅拌站控制系统即自动计量系统要定期进行标定，每班在使用前要检查一次，确保计量准确，计量最大偏差不得超过：水泥、粉煤灰、水为±1%，粗细骨料±2%，减水剂±0.5%。6.2.5砼在出站前，必须检查砼的和易性和坍落度，检查合格后才能签发出站，并且搅拌站随机取样5组试件，分别检测砼的3天、7天、14天、28天的抗压强度，其中1组试件备用。6.2.6砼运输到施工现场卸料前，必须检测砼的和易性和坍落度是否满足要求，若不能满足要求，则该车砼退回搅拌站。搅拌站可以通过加入同水胶比的净将或加入一定