尾礦砂聚合物鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能*

黃志強(qiáng)， 徐向新， 楊 光， 楊圣晨， 楊 璐， 盛怡琴

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) a. 建筑與土木工程學(xué)院， b. 經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、政治和軍事等方面的發(fā)展，興建了大批的房屋建筑、跨海工程、地鐵工程和高速鐵路公路，對(duì)于建筑物的安全等級(jí)要求也越來(lái)越高.因此，對(duì)新型混凝土的研究以適應(yīng)日益擴(kuò)大的混凝土需求量刻不容緩.根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，將聚合物乳液摻入新拌混凝土后，其變形能力和防水性能等都有很大提升，熊劍平及王培銘等[1-2]分別對(duì)聚合物混凝土改性機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步研究.

鋼纖維混凝土最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的軍事設(shè)施和橋梁等領(lǐng)域得以推廣并應(yīng)用.由于鋼纖維混凝土克服了很多素混凝土的缺點(diǎn)，具有較好的抗疲勞、抗開裂特性[3]，所以被大量應(yīng)用于水利水電工程，公路和橋梁路面等鋪面工程[4].

鐵尾礦砂組成成分復(fù)雜，除含有少量的金屬組分之外，主要礦物成分是脈石礦物，其化學(xué)成分以Fe、Mg、Si、Ca和Al的氧化物為主，另外含有少量的P和S等.徐國(guó)強(qiáng)等[5]通過(guò)試驗(yàn)得出，尾礦砂對(duì)混凝土工作性能無(wú)影響，無(wú)離析和泌水等現(xiàn)象，并且能滿足工程塑性土的要求.此外，截止2013年底，中國(guó)尾礦廢渣存量接近146億噸，認(rèn)為尾礦砂對(duì)周圍環(huán)境有很大的危害[6-7].為了將這種不良的影響降到最低，我國(guó)政府在出臺(tái)的法律中明確說(shuō)明鐵尾礦砂的綜合利用問(wèn)題[8].本文在綜合各摻料性能的基礎(chǔ)上，研究尾礦砂聚合物鋼纖維混凝土的基本力學(xué)性能.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括：粗骨料為碎石，粒徑小于20 mm，級(jí)配良好；細(xì)骨料為天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5；尾礦砂的細(xì)度模數(shù)為1.078；水泥為工源牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間大于等于45 min，終凝時(shí)間小于等于600 min；粉煤灰為由沈海熱電廠提供的I級(jí)粉煤灰(JGJ28-86)；減水劑采用大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸系減水劑SikaViscoCrete3301E，最高減水率達(dá)40%；試驗(yàn)室用水，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ63-1989)的規(guī)定進(jìn)行選用.

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括：

1) JW400型強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，如圖1所示.

圖1 強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)Fig.1 Forced concrete mixer

2) YES-2000型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī).

3) J(P/C)N-500K電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示.

圖2 J(P/C)N-500K電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of J(P/C) N-500K electro hydraulic servo structure

1.3 混凝土基本配料比

混凝土基本配料比如表1所示.

表1 混凝土基本配料比Tab.1 Basic mix proportion of concrete

1.4 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)主要研究尾礦砂、聚合物和鋼纖維三種材料對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的影響.因此，設(shè)計(jì)了四組尾礦砂代替天然砂的比例，分別為0%、25%、50%、75%；摻入的鋼纖維比例有四組，分別為0%、1%、1.5%、2%；對(duì)摻入聚合物后的聚灰比設(shè)置三種比例，分別為0%、10%、20%.

1.5 試件制備工藝與養(yǎng)護(hù)

按照試驗(yàn)配比稱取各種配料，將石子、尾礦砂、天然砂、水泥和粉煤灰放入強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行5 min干拌，加入三分之二的水，并將環(huán)氧樹脂溶液加入其中，再將減水劑倒入剩余水中，緩慢加入到攪拌機(jī)里，再攪拌2 min，加入鋼纖維，攪拌5 min.測(cè)試混凝土塌落度，然后放回混凝土攪拌機(jī)中，再次測(cè)量塌落度，得出各配比的塌落度約在180～210 mm之間，滿足要求，并且發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維的增加，塌落度會(huì)隨之減小.

比較兩組數(shù)據(jù)可以看出,觀察組新生兒的出生體重與1min Apgar評(píng)分均顯著低于對(duì)照組新生兒;并且早產(chǎn)兒發(fā)生率與窒息發(fā)生率顯著高于對(duì)照組新生兒,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,P<0.05,或P<0.01。

試件分3層澆筑，使用振搗機(jī)振搗，將試件表面抹平，然后在上面蓋上塑料薄膜以防止水分散失，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7和28 d.

1.6 試件抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)

首先將試件清理干凈并放入試驗(yàn)機(jī)下壓板，兩者的中心點(diǎn)位置相同，然后開始使用試驗(yàn)機(jī)并調(diào)整試驗(yàn)機(jī)速度，記錄試件破壞時(shí)負(fù)荷量，但是在試件形狀有變化時(shí)，需要將油門停止.

混凝土被壓碎的形態(tài)如圖3所示.素混凝土屬于錐形破壞，破壞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嘶嘶的撕裂聲，尾礦砂聚合物鋼纖維混凝土內(nèi)部沒有過(guò)大變化，只是表面有些掉落，而且所堅(jiān)持的時(shí)間更長(zhǎng)，試件完整度很高，其主要原因是出現(xiàn)了三維網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，聚合物膜可以控制混凝土結(jié)構(gòu)，而且還擁有超強(qiáng)粘合力，這使抗壓能力更強(qiáng).表2為不同材料配比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鋼纖維的加入可以使試件抗壓強(qiáng)度顯著提高，但是隨著摻量的繼續(xù)提高，混凝土抗壓強(qiáng)度有所下降.

圖3 混凝土被壓碎的形態(tài)Fig.3 Morphology of crushed concrete 表2 不同材料配比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Tab.2 Effect of different material mix proportion on compressive strength of concrete

尾礦砂替代率/%鋼纖維/%聚灰比/%7d抗壓強(qiáng)度/MPa28d荷載峰值/kN28d抗壓強(qiáng)度/MPa01.51066.48945.7089.84251.51062.37910.5386.50501.51062.07877.7083.38751.51057.94806.9076.665001055.19760.2672.22501.01065.14857.0281.42502.01065.09853.8381.13501.5062.22897.7185.28501.52062.06875.5683.18

1.7 試件抗折試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)定試件的抗折強(qiáng)度，其計(jì)算公式為

(1)

式中：F為試件破壞荷載；l為支座間跨度；b為試件截面寬度；h為試件截面高度.在所得強(qiáng)度的基礎(chǔ)上乘以尺寸換算系數(shù)0.85，可計(jì)算抗折強(qiáng)度.

尾礦砂聚合物鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度相比普通混凝土要提高很多，由于粉煤灰的取代使得鋼纖維與基體之間能更好地結(jié)合，對(duì)提高混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度有明顯提高.

表3為不同材料配比對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響.通過(guò)分析數(shù)據(jù)，在一定范圍內(nèi)，該混凝土的抗折強(qiáng)度會(huì)隨著鋼纖維摻入量和尾礦砂取代率的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高約48.6%.

2 數(shù)據(jù)分析

亂向鋼纖維的摻入會(huì)阻止粗骨料由于自重下沉造成的分布不均，增大下沉阻力，使混凝土更具有完整性，從而提高抗壓強(qiáng)度[9-11].但是由于鋼纖維摻量超過(guò)2%后，其在混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象，使得總孔隙率增加，從而又使得抗壓強(qiáng)度降低.

表3 不同材料配比對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of different material mix proportion on flexural strength of concrete

圖4 不同鋼纖維摻入量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of different steel fiber content on compressive strength

圖5 不同鋼纖維摻入量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different steel fiber content on flexural strength

圖6 不同尾礦砂替代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of different replacement rate of tailing sand on compressive strength

圖7 不同尾礦砂替代率對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of different replacement rate of tailing sand on flexural strength

當(dāng)尾礦砂替代率約為50%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度基本達(dá)到最大值，提高約36.17%；當(dāng)替代率超過(guò)50%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度迅速下降；當(dāng)替代率達(dá)到75%時(shí)，抗折強(qiáng)度降低約31.40%.

與素混凝土相比，試件在發(fā)生初裂后，隨著荷載的增大，受拉區(qū)裂縫寬度隨之增大，達(dá)到極限抗折強(qiáng)度后，試件隨著裂縫寬度的擴(kuò)大而緩慢破壞，其主要原因是聚合物與水泥或水泥水化產(chǎn)物發(fā)生相互作用，當(dāng)在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫時(shí)，裂縫的擴(kuò)展使得聚合物跨越得到抑制或減緩，聚合物所形成的聚合物結(jié)構(gòu)膜的抗拉強(qiáng)度較大，從而提高了混凝土抗折強(qiáng)度，可見其改善了混凝土的宏觀抗拉性.同時(shí)，聚合物的摻入還會(huì)從內(nèi)部孔洞及混凝土硬化速度等方面對(duì)混凝土的性能加以改善.

除此之外，混凝土在抗折強(qiáng)度測(cè)試中，最主要的破壞點(diǎn)是水泥與骨料的交界處，而亂向排布的鋼纖維在穿過(guò)這些交界區(qū)時(shí)，會(huì)有效阻止裂縫的產(chǎn)生和進(jìn)一步擴(kuò)張，從而達(dá)到增強(qiáng)抗折強(qiáng)度的作用.

3 結(jié) 論

通過(guò)設(shè)置不同鋼纖維、尾礦砂和聚合物的配比，得出以下結(jié)論：

1) 鋼纖維的摻入對(duì)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所提高.隨著鋼纖維摻入量的增加，混凝土抗折強(qiáng)度呈上升趨勢(shì).綜合抗折、抗壓強(qiáng)度分析，鋼纖維摻入量不宜過(guò)高.

2) 在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，加入鋼纖維的試件能清晰聽見完全破壞前由于壓力作用使鋼纖維與骨料分離的聲音.因此，鋼纖維的加入可改變混凝土的破壞形態(tài)，使其由脆性破壞變成延性破壞.

3) 尾礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有副作用，但影響不大，但對(duì)抗折強(qiáng)度提高有一定作用.因此，在對(duì)混凝土強(qiáng)度要求等級(jí)不高的情況下，采用適量摻入尾礦砂的混凝土可以降低造價(jià)并做到環(huán)保，過(guò)多的摻入量會(huì)適得其反.

4) 環(huán)氧樹脂乳液的加入可以改善混凝土的流動(dòng)性，當(dāng)聚灰比約為10%時(shí)，其抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值.

5) 當(dāng)尾礦砂替代率為50%、鋼纖維摻入量為1.5%、聚灰比為10%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)較高的水平，適合用作商用混凝土.