摻聚苯乙烯顆粒的高鈦渣混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

潘宏青， 孫金坤， 李 奎， 田文狀

(1. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610039; 2. 攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000)

高鈦渣混凝土是使用攀西地區(qū)攀鋼集團(tuán)冶煉釩鈦磁鐵礦石后產(chǎn)生的一種TiO2的含量高達(dá)22 %的高鈦型高爐渣代替普通混凝土中的骨料而制成的一種高鈦型高爐渣混凝土[1](簡(jiǎn)稱(chēng)高鈦渣混凝土)。將攀鋼集團(tuán)冶煉礦石后形成的渣石破碎成大小不均的顆粒，其中粒徑大于4.5 mm的顆粒可以用于作混凝土的粗骨料，小于4.5 mm的顆粒可以用做混凝土的細(xì)骨料，。孫金坤[1-2]等人的研究表明這種經(jīng)過(guò)破碎后形成的大小不均的顆粒完全可以代替普通混凝土中粗、細(xì)骨料用于生產(chǎn)高鈦渣混凝土。丁慶軍[3-4]等人用高鈦重礦渣制備出C30自密實(shí)混凝土，并發(fā)出保水性能較好的高鈦重礦渣基料混凝土專(zhuān)用外加劑；在高鈦渣混凝土添加一種經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的鋼纖維制備出耐磨、抗收縮的用于橋面鋪裝的C40高鈦渣混凝土。李林澤[5]等人用高鈦渣混凝土制備出自密實(shí)混凝土，根據(jù)高鈦渣吸水率的大的特點(diǎn)提出高鈦渣自密實(shí)混凝土的合理用水量的計(jì)算方法。以上的相關(guān)研究表明高鈦渣完全可以替代普通混凝土中的粗骨料和細(xì)骨料制備出滿(mǎn)足實(shí)際工程需要的的混凝土。

高鈦渣的堆積密度較普通碎石的密度大，這也就導(dǎo)致制備出的高鈦渣混凝土的質(zhì)量超過(guò)了相同體積普通混凝土的質(zhì)量，本研究的目的是在盡量保證混凝土強(qiáng)度不受影響的情況下減輕高鈦渣混凝土的自重，為高鈦渣混凝土在輕型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供依據(jù)。本試驗(yàn)通過(guò)在高鈦渣混凝土中加入聚苯乙烯顆粒、聚丙烯纖維等摻合料以達(dá)到改變混凝土性能的目的。

1 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

(1)骨料：試驗(yàn)所用的粗骨料為攀枝花市東區(qū)秀清建材經(jīng)營(yíng)部提供的高鈦渣碎石，與普通碎石相比高鈦渣為內(nèi)部含有大量氣孔類(lèi)似于蜂窩狀，其吸水率高達(dá)6.4 %，表觀密度為2 740 kg/m3。試驗(yàn)將連續(xù)級(jí)配的粗骨料用4.5～19 mm方孔篩篩選出用于制備混凝土。細(xì)骨料同樣是采用攀枝花市東區(qū)秀清建材經(jīng)營(yíng)部提供的山沙，沙子為粗砂其細(xì)度模數(shù)為3.31。

(2)水泥：水泥使用的是P.O.42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥和P.C.32.5R級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。

(3)外加劑：早強(qiáng)劑使用上海順存建材材料有限公司生產(chǎn)的早強(qiáng)劑。

(4)水：實(shí)驗(yàn)室清潔的自來(lái)水。

(5)聚苯乙烯顆粒：聚苯乙顆粒采用粒徑為2～3 mm的碎散堆放的顆粒。

(6)聚丙烯纖維：試驗(yàn)采用的聚丙烯纖維由長(zhǎng)沙正德建材科技有限公司提供，其直徑為13 μm, 斷裂伸長(zhǎng)率為36.4 %，抗拉強(qiáng)度為586 MPa。

1.2 試件制備

試驗(yàn)用高鈦渣先淋水潤(rùn)濕后再按照試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)的質(zhì)量秤取一定量的高鈦渣。山沙采用粗砂，在其干燥狀態(tài)下按照試驗(yàn)用配合比的質(zhì)量秤取一定量的山沙，將秤出的高鈦渣和沙子倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻后再倒入試驗(yàn)用的水泥，試驗(yàn)用的聚苯乙烯顆粒表面與水不容，為了改善聚苯乙烯顆粒與水分子的結(jié)合性能的特點(diǎn)通過(guò)查閱相關(guān)資料[5]采用聚醋酸乙烯—乙烯乳液(VAE)CW40-907改變聚苯乙烯顆粒表面的性質(zhì)。聚苯乙烯顆粒按單位體積摻量秤取后，將其放置于聚醋酸乙烯—乙烯乳液∶水為1∶1.5的混合溶液中攪拌使聚苯乙烯顆粒表面都有溶液潤(rùn)濕，然后將聚苯乙烯顆粒從溶液中撈出倒入攪拌機(jī)中。把高鈦渣、沙子、聚苯乙烯顆粒和水泥倒入攪拌機(jī)后再把稱(chēng)取的聚丙烯纖維的均勻的灑在混合料中，然后再把秤出的早強(qiáng)劑倒水制備混凝土用的水中。最后將混有早強(qiáng)劑的水倒入攪拌均勻的混合料中，攪拌90 s后，將制備好的水泥漿料裝入模具中，然后在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)，振搗時(shí)間嚴(yán)格控制在90 s內(nèi)。振搗密實(shí)后將試件試塊連帶模具放置于常溫下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，并將其放置于常溫水中養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)均采用標(biāo)準(zhǔn)的150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用攀枝花學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的STYE-3000B型壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速度控制在4-5 kN/s。劈裂試驗(yàn)采用攀枝花學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的CSS-WAW1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速度控制在0.8～1.5 kN/s。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 正交試驗(yàn)影響因素及變量確定

減輕高鈦混凝土質(zhì)量的常用方法就是使用輕質(zhì)骨料或者盡量少用高鈦渣骨料。本試驗(yàn)通過(guò)在混凝土中摻入大量的表觀密度較低的聚苯乙烯顆粒，以達(dá)到減輕高鈦渣混凝土的自重。通過(guò)前期的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土在振搗的時(shí)候混凝土中的聚苯乙烯顆粒會(huì)逐漸上浮。當(dāng)采用粒徑相對(duì)較大的4～5 mm粒徑的聚苯乙烯顆粒，在混凝土表面浮起的聚苯乙烯顆粒由于粒徑較大、體積大，容易使得混凝土表面在10 mm的范圍內(nèi)都大量分布著聚苯乙烯顆粒這改變了混凝土作為均質(zhì)材料的特點(diǎn)。試驗(yàn)采用粒徑相對(duì)較小的2～3 mm的聚苯乙烯顆粒。聚苯乙烯顆粒作為抗壓強(qiáng)度很低的骨料摻入到混凝土中將導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低，相關(guān)學(xué)者[7]的研究表明混凝土的強(qiáng)度隨水膠比的增加而降低，本試驗(yàn)將水膠比設(shè)定為變量因素，通過(guò)前期的相關(guān)試驗(yàn)表明，水膠比過(guò)大的混凝土塌落度相對(duì)較大，混凝土的流動(dòng)性較好，這將導(dǎo)致混凝土在振搗時(shí)混凝土中的聚苯乙烯顆粒能夠迅速上浮，容易造成混凝土的分層，破壞了混凝土做為均質(zhì)材料的特點(diǎn)。在混凝土中摻入聚丙烯纖維提高其抗裂性能。在試驗(yàn)加入了大量的聚苯乙烯顆粒，其粒徑近似于沙子。故本試驗(yàn)有必要分析在既定聚苯乙烯顆粒摻量的情況下混凝土的最優(yōu)砂率。將水泥標(biāo)號(hào)做為影響混凝土強(qiáng)度一個(gè)影響因素。綜上所述本試驗(yàn)選定水膠比、砂率、聚丙烯纖維摻量、聚苯乙烯顆粒摻量和水泥標(biāo)號(hào)做為變量因素，結(jié)合前期的試驗(yàn)研究確定各因素變量水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)各變量因素水平

1.4.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)各個(gè)變量因素組合如表2所示；單位體積混凝土配合比的材料用量及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各變量因素對(duì)混凝土28 d劈裂強(qiáng)度的影響分析

由表3計(jì)算各因素不同水平下的混凝土28 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析見(jiàn)表4，各因素水平變動(dòng)對(duì)混凝土28 d的劈裂強(qiáng)度的影響見(jiàn)如圖1所示，各因素水平變量對(duì)混凝土混凝土28 d劈裂強(qiáng)度影響的方差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 各因素水平變化對(duì)混凝土28 d劈裂強(qiáng)度影響

由表4、表5和圖1可得出如下結(jié)論：

由表4的極差分析可以看出對(duì)混凝土28 d劈裂強(qiáng)度影響由大到小依次是：聚苯乙烯顆粒的體積摻量>聚丙烯纖維摻量>水膠比>水泥標(biāo)號(hào)>砂率。

由表5的方差分析可以看出對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度影響具有顯著水平的是聚苯乙烯顆粒的體積摻量，其它因素的變化對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度的影響具備顯著性。

由圖1可以看出混凝土的28 d劈裂強(qiáng)度隨著聚苯乙烯顆粒的體積摻量的增加快速下降。當(dāng)聚苯乙烯顆粒的體積摻量為10 %時(shí)混凝土的28 d劈裂強(qiáng)度為2.85 MPa,當(dāng)聚苯乙烯顆粒的體積摻量超過(guò)20 %時(shí)，混凝土的28 d劈裂強(qiáng)度隨著聚苯乙烯顆粒體積摻量程的增加迅速下降。從劈裂試件破壞的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)聚苯乙烯顆粒的體積摻量超過(guò)20 %時(shí)，試件的劈裂面便不再保持在混凝土中間的一個(gè)平整的劈裂面，劈裂的斷面幾乎沒(méi)有看到粗骨料高鈦渣被劈開(kāi)的斷裂面。而聚苯乙烯顆粒的體積摻量為10 %的試件劈裂面基本保持在試件中間且劈裂面相對(duì)比較平整，大量的高鈦渣碎石被劈開(kāi)。當(dāng)聚丙烯纖維的單位體積摻量小于1.5 kg時(shí)，混凝土28 d的劈裂強(qiáng)度隨其摻量的增加呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這一結(jié)果與王志釗[8]的研究結(jié)果相類(lèi)似。當(dāng)聚丙烯纖維的單位體積的摻量超過(guò)1.5 kg時(shí)，混凝土28 d的劈裂強(qiáng)度隨其摻量的增加而降低。結(jié)合在攪拌混凝土?xí)r摻入的聚丙烯纖維容易結(jié)成團(tuán)的特點(diǎn)，故不推薦經(jīng)聚丙烯纖維用于混凝土，推薦將聚丙烯纖維用于具有抗裂要求的水泥砂漿中，但使用時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制其摻量，在攪拌時(shí)嚴(yán)防其抱結(jié)成團(tuán)，從而降低其性能的發(fā)揮。

表3 混凝土配合比用量及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表4 混凝土28 d劈裂強(qiáng)度極差分析

表5 混凝土28 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.2 各變量因素對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響分析

由表3計(jì)算各因素不同水平下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果的極差分析見(jiàn)表6，各因素水平變量對(duì)混凝土混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響的方差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，各因素水平變動(dòng)對(duì)混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。

表6 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度極差分析

表7 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析

圖2 各因素水平變化對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響

由表6、表7和圖2可得出如下結(jié)論：

由表6的極差分析可以很直觀的看出對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響由大到小依次為：聚苯乙烯顆粒摻量>水膠比>聚丙烯纖維摻量>砂率>水泥標(biāo)。

由表7方差分析可以看出聚苯乙烯顆粒的單位體積摻量對(duì)混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度的影響是非常顯著，其次是砂率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響也是顯著的。

由圖2可以看出，當(dāng)混凝土中聚苯乙烯顆粒的體積摻量小于10 %時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度能夠保持在40 MPa左右，可見(jiàn)小摻量的聚苯乙烯顆粒對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大。聚苯乙烯顆粒單位體積的摻量每增加10 %，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度下降8 MPa左右，同時(shí)由表7的方差計(jì)算結(jié)果的分析表可以看出聚苯乙烯顆粒的體積摻量對(duì)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度的影響也是非常顯著的。由試件抗壓試驗(yàn)的破壞狀態(tài)可以看出，摻入聚苯乙烯顆粒的高鈦渣混凝土的抗壓試驗(yàn)破壞已經(jīng)不具備普通混凝土抗壓試驗(yàn)破壞的典型特征，即混凝土抗壓破壞后表面的裂縫開(kāi)展相對(duì)比較雜亂，究其原因在于混凝土摻入大量的聚苯乙烯顆粒，這些顆粒在混凝土中的間斷或連續(xù)分布導(dǎo)致在混凝土的內(nèi)部存在抗剪薄弱層，混凝土在受壓時(shí)這些薄弱層首先發(fā)生滑移破壞。由表7的方差分析可以看出在10 %的顯著性水平下也是可以認(rèn)為高鈦渣混凝土砂率的變化對(duì)其28 d的抗壓強(qiáng)度也是有影響的，但表6的極差分析結(jié)果表明砂率的變化混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度的影響最小的，結(jié)合圖2可以看出混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度隨砂率的變動(dòng)出現(xiàn)了不規(guī)則波動(dòng)，由此可以得出導(dǎo)致方差分析中影響因素砂率的方差的數(shù)值超過(guò)10 %的顯著性水平的的原因是混凝土強(qiáng)度隨砂率變化的不規(guī)則波動(dòng)。故可以判定高鈦渣混凝土中砂率的變化對(duì)其28 d的抗壓強(qiáng)度的影響不大。

2.3 聚苯乙烯顆粒摻量對(duì)混凝土質(zhì)量影響的分析

由表3計(jì)算得出不同聚苯乙烯顆粒摻量對(duì)單位體積混凝土的質(zhì)量變化如圖3所示，通過(guò)圖3可以看出高鈦渣混凝土中聚苯乙烯顆粒的體積摻量每增長(zhǎng)10 %，混凝土的單位體積質(zhì)量下降200 kg左右。

圖3 聚苯乙烯顆粒體積摻量與混凝土單位體積質(zhì)量的關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)結(jié)論

分析水膠比、聚丙烯纖維摻量和聚苯乙烯顆粒顆粒摻量等因素變化對(duì)混凝土28 d的劈裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和混凝土的單位體積的質(zhì)量得出如下結(jié)論：

(1)在混凝土中摻入的聚苯乙烯顆粒的粒徑不宜大于3 mm，摻入聚苯乙烯顆粒的混凝土的塌落度不宜大于30 mm。為了避免混凝土在澆筑成型時(shí)分層，一定要將振搗時(shí)間控制在90 s以?xún)?nèi)。

(2)當(dāng)混凝土中聚苯乙烯顆粒的體積摻量超過(guò)10 %時(shí)，混凝土的28 d的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低非常明顯，且該狀態(tài)下混凝土的水膠比的變化引起的混凝土強(qiáng)度的變化并不顯著。

(3)正交試驗(yàn)方差分析的結(jié)果表明：聚丙烯纖維摻量、水膠比、砂率、水泥標(biāo)號(hào)等因素的變化的變化對(duì)混凝土強(qiáng)度影響并不顯著。

(4)用高鈦渣制備質(zhì)量較輕的混凝土的配合比為是：水膠比為0.37、單位體積的用水量為160 kg、砂率為32.5 %，聚苯乙烯顆粒的單位體積摻量為0.1 m3，早強(qiáng)劑為6.6 kg/m3。

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