鋼纖維堿礦渣再生骨料混凝土的制備及性能研究

陳海鵬

(新疆水利發展投資(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

礦渣：試驗過程中所需的礦渣主要化學成分及力學參數詳見表1與表2，礦渣的粒度分布見圖1。

圖1 礦渣粒度分布

表1 礦渣的化學組成成分

表2 礦渣的力學參數

試驗所用粗骨料均為再生骨料，細骨料為河砂，比重為2600 kg/m3，試驗所需水為自來水。堿激發劑用水玻璃與NaOH配置而成，鋼纖維力學性能如表3所示。

表3 鋼纖維力學參數

1.2 試件制作

本試驗考慮了鋼纖維摻入量占比與再生骨料摻入量占比兩個因素，制作了7種不同配比的堿礦渣再生混凝土試件，其具體的配合比及試件參數詳見表4。首先將再生骨料與水按照一定比例進行混合；其次將水玻璃、NaOH與水按照一定的比例進行均勻攪拌，直至NaOH全部溶解為止；然后將礦渣磨成粉末后與砂一同加入再生骨料溶液中，用攪拌機勻速攪拌5 min，隨后加入堿性激發劑，繼續攪拌5 min；最后將攪拌后的混合物放入100 mm×10 mm×100 mm模具中，靜止10 min 后進行標準養護。

表4 試件配合比及相關參數

1.3 試件測試方法

試驗過程嚴格按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)執行，其中立方體測試的荷載加載速率為0.50 MPa/s，劈裂抗拉及抗折測試時的加載速率為0.05 MPa/s。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度分析

不同摻量占比的再生骨料試件抗壓強度的測試結果如圖2所示。可以看出，當再生骨料的摻量占比為0%時，其抗壓強度為60 MPa；當再生骨料含量增加到50%時，其抗壓強度為47 MPa；隨著再生骨料含量的逐步增加，強度出現了下降的現象，當再生骨料完全替代天然骨料時，其抗壓強度減小至40 MPa。對比數據發現，再生骨料摻量為50%和100%時試件抗壓強度分別比天然骨料低22%和33%。分析原因一方面是由于天然骨料的強度本身就高于再生骨料，隨著天然骨料逐步被再生骨料代替，試件強度會出現明顯降低的現象；另一方面是由于再生骨料在成模時，材料會在荷載的作用下出現裂縫，隨著壓力的持續增大，裂縫處有應力集中的現象出現，從而使試件立方體抗壓強度下降。

不同摻量的鋼纖維試件抗壓強度測試結果如圖3所示，抗壓強度隨鋼纖維的摻量的增加先升高后降低。數據分析表明，當鋼纖維的摻量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時，相比于未摻鋼纖維的試件，其抗壓強度分別提高了14%、24%、54%、26%，雖然后期摻量的增加抗壓強度提高值會下降，但整體高于未添加鋼纖維的試件。結果表明，適量的鋼纖維摻量會提高混凝土抗壓強度，主要是由于鋼纖維具有良好的抗壓性能，能抑制混凝土內部裂縫的發育；但是鋼纖維摻入超過0.6%時，強度不再繼續升高，主要是混凝土其余骨料含量的降低，導致試件抗壓強度有所下降[1-4]。

圖3 鋼纖維對試件抗壓強度的影響

2.2 劈裂抗拉強度分析

再生骨料摻量對試件的劈裂抗拉強度影響如圖4所示，可以看出，隨著再生骨料的摻入，其劈裂抗壓強度出現一定的下降，但整體的下降幅度未出現突變的情況，其變化范圍較小。當再生骨料摻量占比為試件的一半時，劈裂抗拉強度為8.5 MPa；當再生骨料完全替代天然骨料時，劈裂抗拉強度為8.1 MPa。通過與天然骨料對比可以看出，試件抗拉強度值分別下降了5%和10%。分析原因主要是荷載的增加，使試件的裂縫進一步增加，從而降低了試件的抗拉強度，這與試件所表現出來的抗壓強度具有相似的變化規律。

圖4 再生骨料對試件劈裂抗拉強度的影響

圖5顯示了鋼纖維摻量對試件劈裂抗拉強度的影響，隨著鋼纖維摻量的增加，強度值呈現先增后減的趨勢。與未摻鋼纖維的試件相比，鋼纖維摻入量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的試件劈裂抗拉強度分別提高了5%、9%、29%、17%。通過數據分析，適量的鋼纖維對劈裂抗拉強度具有明顯的提升作用，主要原因是鋼纖維與混凝土粗骨料之間產生了更強的黏結力；但是摻量超過一定量后，強度值會有所下降，分析原因主要是由于過多的鋼纖維在混凝土內部容易出現成團的現象，未達到鋼纖維承受的拉力值，進而降低了試件的劈裂抗拉強度。

圖5 鋼纖維對試件劈裂抗拉強度的影響

2.3 抗折強度分析

再生骨料摻量對試件的抗折強度影響如圖6所示，可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，試件抗折強度呈現下降的趨勢。當再生骨料摻入量為50%時，抗折強度為4.5 MPa；摻入量為100%時，抗折強度為3.8 MPa。相比天然骨料，試件抗折強度下降了13%和26%。主要是因為試件的破壞過程往往伴隨著裂縫的產生，隨著加載量越來越大，最終會導致裂縫貫穿整個試件，最終形成貫穿縫，從而導致試件抗折強度的降低。

圖6 再生骨料對試件抗折強度的影響

圖7顯示了鋼纖維摻量對試件抗折強度的影響，隨著鋼纖維摻量的增加，試件抗折強度呈現上升趨勢，較未摻鋼纖維相比，鋼纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的抗折強度分別提高了6%、13%、17%、30%。鋼纖維摻量的增加會使抗折強度持續增加，主要是由于鋼纖維的增加可以有效地抑制試件內部裂縫的產生，并且鋼纖維可以有效連接裂縫，對裂縫的發展起到了阻礙的作用。

圖7 鋼纖維對試件抗折強度的影響

3 機理分析

3.1 再生骨料摻量對試件力學性能的影響機理分析

再生骨料摻量對試件整體力學性能影響如圖8所示，其中，f為不同再生骨料摻量所對應的強度，f0為天然骨料的強度。可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，試件的整體力學性能較天然骨料都有一定程度的下降。其中，抗壓強度值下降最為明顯，抗拉強度有略微下降，當再生骨料完全代替天然骨料時，試件抗壓和抗拉強度分別下降了33%和10%。出現上述現象的原因主要是再生骨料本身的強度低于天然骨料，隨著再生骨料摻量的增多，天然骨料在混凝土中所占的比例變小，因此會出現強度下降的現象。

圖8 再生骨料對試件整體力學性能的影響

3.2 鋼纖維摻量對試件力學性能的影響機理分析

鋼纖維摻量對試件整體力學性能影響如圖9所示，其中，f為不同鋼纖維摻量所對應的強度，f1為未摻鋼纖維的強度。可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，試件的抗壓強度與劈裂抗拉強度均表現出先增加后減小的趨勢，在鋼纖維摻量0.6%時強度出現突變，主要是因為過量的鋼纖維在試件內部容易形成團聚，隨著荷載的增加，鋼纖維繼續縮聚，最終導致試件內部的孔洞增多，從而使試件的抗拉強度和抗壓強度降低。此外，抗折強度一直呈現增加的趨勢，當鋼纖維摻量為0.8%時，試件抗折強度是未摻鋼纖維的1.3倍，主要是鋼纖維的抗拉強度遠遠高于混凝土試件，而抗折強度提高的本質是試件受拉區混凝土受拉破壞所導致的，隨著荷載的增加，在混凝土開裂后鋼纖維可繼續承擔拉應力，從而進一步增加試件的抗折強度。

圖9 鋼纖維摻量對試件整體力學性能的影響

4 結 論

(1)再生骨料的摻入導致混凝土試件的抗壓強度、劈裂強度與抗折強度下降，其中再生骨料含量對抗壓強度的影響最大，對抗拉強度影響最小。

(2)試件的抗折破壞形式主要為受拉區混凝土的失效，隨著鋼纖維的持續增加，抑制了裂縫的產生，進而提高混凝土的抗折強度。一定量的鋼纖維能夠有效增加試件的各項性能，但鋼纖維含量過量時，出現團聚現象，導致混凝土抗壓和抗拉性能下降。