鋼纖維對鐵尾礦砂再生混凝土力學性能影響

孫夏令 朱倩 陳記豪 彭湃

摘 要：通過6組共54個鐵尾礦砂再生混凝土試塊試驗，研究了水灰比對不同取代率再生混凝土力學性能的影響，試驗結果表明：水灰比為0.3的鐵尾礦砂再生混凝土（再生粗骨料取代率50%）的綜合力學性能較好;鐵尾礦砂和鋼纖維的共同作用下，抗壓強度提升16.4%，劈裂抗拉強度提高69.5%;級配良好的鐵尾礦砂（中砂）可以在強度等級C45的混凝土中完全替代天然砂。

關鍵詞：鋼纖維;鐵尾礦砂;力學性能

中圖分類號：TU528 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.016

Effect of Steel Fiber on the Mechanical Properties of Iron Tailings

Recycled Concrete

SUN Xialing1 ? ?ZHU Qian2 ? ?CHEN Jihao1 ? ?PENG Pai1

（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;

2.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Through 6 groups of 54 iron tailings recycled concrete test blocks，the effect of water-cement ratio on the mechanical properties of recycled concrete with different replacement rates was studied.The experimental results showed that iron tailings recycled concrete with a water-cement ratio of 0.3（recycled coarse aggregate）Replacement rate of 50%）has better comprehensive mechanical properties;under the combined action of iron tailings sand and steel fiber，the compressive strength is increased by 16.4%，and the splitting tensile strength is increased by 69.5%;the well-graded iron tailings（medium sand）It can completely replace natural sand in concrete with strength grade C45.

Keywords：steel fiber; iron tailings; mechanical properties

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發展，工業與民用建筑的數量越來越多，對混凝土的需求量也迅猛增加?；炷恋闹饕牧蠟樯?。天然砂是指自然生成的、經人工開采和篩分的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括軟質、風化的巖石顆粒[1]。河砂指河水中自然石經自然力的作用（河水的沖擊和侵蝕）形成的有一定質量標準的建筑材料[2]。湖砂和河砂相似。由風化巖石經開挖、爆破篩分而成的砂稱之為山砂，也是天然砂的一種，目前已經不多見。海砂由于本身帶有腐蝕性的氯離子等堿性物質會腐蝕鋼筋，降低建筑使用年限，所以不能被直接應用在工程建筑上[3]。通過海砂淡化設備進行加工后的海砂，氯離子含量降低到符合建筑要求標準后，可以被使用，但加工的成本較高，不易大量推廣。其中河砂是現在建筑行業用得最多的。河砂中的砂是最常用的細度模數。隨著現在經濟的發展，建造大量建筑，對河砂的需求增多，出現開采過度的現象，亟須研制一種材料來部分替代或全部替代天然砂。

1 研究背景

據百年建筑網調研，2020年全國砂石產量為190.3億 t，同比增長1.17%，2021年上半全國砂石產量約82億 t，同比上漲18.8%[4]。河砂的大量開采導致生態環境惡化，多個地區已禁止開采河砂[5]。2018—2020年全國范圍內嚴打非法采砂，加上長江、洞庭湖、鄱陽湖合法開采量減少，天然砂供應持續走緊，導致天然砂價格居高不下[6]。同時，我國各地礦山產生了大量的廢棄的尾礦，不僅占用大量耕地，并且國內外都曾發生過特別重大的尾礦庫潰壩事故。近年來，持續開采石子，不僅使得山體被挖空，也破壞了當地生態環境，若遇到極端天氣，極易發生泥石流、山體滑坡等自然災害。另外建筑垃圾的日益增加，占用大量的城市用地，不僅對環境造成影響，也造成土地資源的浪費。目前建筑垃圾總體資源化率不足10%，遠低于歐美國家的90%和日韓的95%[7]。若用鐵尾礦砂、再生骨料分別代替天然河砂、天然骨料配制混凝土，則既能夠解決天然河砂、天然骨料短缺的問題，又可以解決尾礦與建筑垃圾帶來的一系列問題[5]。

鐵尾礦砂混凝土指以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、鐵尾礦砂、石子，必要時摻入化學外加劑和礦物摻合料，按適當比例配合，經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的混凝土。尾礦就是選礦廠在特定的技術條件下，將礦石磨碎、選取“有用組分”后所排放的廢棄物，也是礦石經選別出精礦后剩余的固體廢料，是工業固體廢物的主要組成部分，其中含有一定數量的有用金屬、非金屬礦物，可視為一種“復合”的硅酸鹽、碳酸鹽等礦物材料，并具有粒度細、數量大、污染和危害環境的特點，但同時又是一種潛在的二次資源[8]。粒徑小于4.75 mm的尾礦被稱為尾礦砂。鐵尾礦砂指的是鐵礦石經磨細、分選后產生的粒徑小于4.75 mm的顆粒[9-10]。其細度模數多為中砂和細砂。

2 研究綜述

材料的力學性能達到要求，才能更深入地研究其他性能。目前，國內外對再生混凝土（簡稱RAC）[11-13]與鐵尾礦砂混凝土[14-16]的力學性能進行了較多研究，而對鐵尾礦砂-再生混凝土（簡稱IT-RPC）的研究與報道較少。

王嘉暉等人[11]的研究表明水灰比和再生粗骨料（簡稱RCA）替代率對RAC的力學性能影響很大，RCA改性會對RAC的力學性能產生積極影響，纖維對RAC力學性能的提升最顯著。BAI等人[12]的研究指出，通過剝離舊砂漿來提高再生集料的性能并不是促進再生集料應用的唯一途徑，還可以通過控制水灰比、調整骨料含水率和不同攪拌方式等簡單經濟的方法來提高再生混凝土的性能，以滿足混凝土質量的要求。張婷[13]的試驗表明，再生混凝土的抗壓強度等級隨著再生粗骨料的取代率增大而逐漸減小，但是基本滿足C35以下的混凝土強度要求。用再生粗骨料制備再生混凝土，其配合比設計方法與普通混凝土配合比設計方法基本相同。但是再生粗骨料有較大的吸水性，而且表面水泥砂漿成分也比較高，在配制時需要通過附加用水的方法來處理。

ZHEN等人[14]的研究表明鐵尾礦砂混凝土的棱鏡抗壓強度與立方體抗壓強度之比約為0.8～0.9，鐵尾礦砂混凝土的彈性模量隨其強度等級的增加而增加。程和平等人[15]的研究指出，鐵尾礦砂摻量為10%時抗壓強度最大，鐵尾礦砂摻量為20%時抗折強度、沖擊功及斷裂吸收能量最大且抗碳化性能及抗滲性能最佳;鐵尾礦砂摻量增加，同一水化時間下混凝土的水化放熱量越小。李壯[16]的試驗表明，鐵尾礦砂和混合砂（混合砂使用50%鐵尾礦砂和50%篩分后的粗河砂顆粒混合而成）混凝土平均強度較河砂混凝土分別提高24.1%和9.5%;鐵尾礦砂和混合砂混凝土彈性模量較河砂混凝土分別降低13.7%和4.9%;鐵尾礦砂和混合砂混凝土峰值應變較河砂混凝土分別提高13.4%和6.4%。

褚玲妹[17]的研究表明，當水灰比相同時，再生骨料取代率為50%，混凝土的強度達到最大。仝宵等人[18]的研究指出，在水灰比為0.35的條件下，當再生粗骨料摻量為30%時，再生混凝土抗壓強度達到最大值，其值為38.34 MPa。

在此背景下，本研究采用再生粗骨料部分（取代率50%）代替天然骨料拌制鐵尾礦砂混凝土，通過試驗得到水灰比和鋼纖維對鐵尾礦砂再生混凝土力學性能的影響，以便為IT-RPC的工程應用提供理論依據。

3 試驗概況

3.1 試驗材料

水泥（秀建牌P·O 42.5級水泥），鐵尾礦砂（來源于河南省洛陽市嵩縣的鐵礦廠，細度模數為2.3），天然粗骨料（采用級配良好的天然碎石），天然砂（來源唐河天然河砂，細度模數為2.2），再生粗骨料（來自本?？蒲惺褂猛甑膹U棄梁，經過破碎、篩分制備的再生粗骨料），粗骨料的基本物理指標均符合《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）[19]及《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）[20]的要求，其性能見表1。

3.2 試驗配合比設計

本試驗是基于細骨料為鐵尾礦砂的情況，水灰比對IT-RPC力學性能研究，其試驗配合比如表2所示，表中C45-R0-HS配合比中，砂為天然河砂，其余均為鐵尾礦砂，F1表示鋼纖維摻量為1%。

3.3 試塊制作與養護

本試驗對6組共54個IT-RPC試塊的基本力學性能進行試驗?；炷涟韬衔锊捎肧JD-100型強制式單臥軸混凝土攪拌機攪拌。試塊進行標準條件養護，齡期達到后，再按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）[21]，分別采用TYE-1000E型壓力試驗機、WDW-100M型微機控制電子式萬能試驗機以加載速度0.6 MPa/s、0.18kN/s測定28 d的立方體抗壓、劈裂抗拉強度值。

4 試驗結果與分析

4.1 水灰比對IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的抗壓和劈裂抗拉強度的影響

水灰比對IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）抗壓、劈裂抗拉強度的影響曲線如圖1所示。從圖1可看出，抗壓強度隨著水灰比的減小呈增加的趨勢，劈裂抗拉強度隨著水灰比的降低呈現先下降后增加的趨勢。

不同水灰比的增幅（增幅是相對于同等級的立方體混凝土抗壓強度標準值）不同，水灰比0.55的增幅為20.3%，水灰比0.40的增幅為18.0%，水灰比0.30的增幅為7.3%。隨著水灰比降低，抗壓強度的增幅越來越小，這主要是由于水灰比變小，水泥用量增加，再生骨料的自由水抵消水泥用量增加所需要的自由水的能力逐漸削弱。

與水灰比為0.55相比，水灰比為0.40時，混凝土劈裂抗拉強度降低7.3%，當水灰比為0.30時，混凝土劈裂抗拉強度增加2.2%。隨著水灰比降低，劈裂抗拉強度呈現先下降后增加的現象，這主要是由于水灰比較大或者較小時，混凝土拌合料更易充分搗實，故劈裂抗拉強度出現“兩頭大中間小”的現象。

4.2 鐵尾礦砂和鋼纖維對普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度的影響

鐵尾礦砂和鋼纖維對普通混凝土抗壓、劈裂抗拉強度的影響曲線如圖2所示。從圖2可看出，鐵尾礦砂和鋼纖維對抗壓強度都具有提升作用，鐵尾礦砂對劈裂抗拉強度有輕微削弱作用，鋼纖維對劈裂抗拉強度有明顯增強作用。

鐵尾礦砂使抗壓強度的提升效果更明顯，提升11.4%;在鋼纖維和鐵尾礦砂的共同作用下抗拉強度提升16.4%。鐵尾礦砂使抗壓強度降低5.2%;在鋼纖維和鐵尾礦砂的共同作用下增加69.5%。鋼纖維可以完全消除鐵尾礦砂對混凝土劈裂抗拉強度帶來的輕微不利影響，并可大幅增強劈裂抗拉強度。

5 結語

①水灰比為0.3的IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的綜合力學性能較好。

②鐵尾礦砂和鋼纖維的共同作用對抗壓強度和劈裂抗拉強度均有明顯提高，抗壓強度提升16.4%，劈裂抗拉強度提高69.5%。

③級配良好的鐵尾礦砂（中砂）可以在強度等級C45的混凝土中完全替代天然砂。

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