鐵尾礦與纖維改良的混凝土樓板力學性能及強度研究

摘要：為研究鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的工程性能，利用不同鐵尾礦砂替代石英砂作為細骨料，制備了新型纖維鐵尾礦混凝土，并對其開展了立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎強度試驗。結果表明，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂制備新型混凝土具備高度可行性，當鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的綜合性能最佳，此時，其立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎強度均取得最大值，分別為37.15、3.02和4.58 MPa，較普通混凝土分別提升23.22%、54.87%和29.01%。研究成果為新型鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的設計和應用提供了借鑒作用。

關鍵詞：鐵尾礦砂；細骨料；混凝土；PVA纖維；力學性能

中圖分類號：TQ172.9；TU201.2文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0090-03

Study on the mechanical properties and strength of concrete"floor slabs improved by iron tailings and fibers

HUANG Baoyin

（China 22nd Metallurgical Group Co.，Ltd.，Tangshan 063000，Hebei China）

Abstract：To study the engineering performance of iron tailings concrete in prefabricated composite floor slabs，anew type of fiber iron tailings green concrete was prepared by using different iron tailings sand instead of quartzsand as fine aggregate. Cube compressive strength，splitting tensile strength，and bending strength tests were con?ducted on it. The results indicated that using iron tailings sand as a partial substitute for quartz sand to prepare anew type of green concrete was highly feasible. When the substitution rate of iron tailings sand was 40% and thePVA fiber content was 2%，the comprehensive performance of the new fiber improved iron tailings green concretewas the best. At this time，its cubic compressive strength and splitting tensile strength were expected to reach theirmaximum values，with 37.15，3.02，and 4.58 MPa，respectively，which were 23.22%，54.87% and 29.01% higherthan ordinary concrete. The research results provide a reference for the design and application of new iron tailingsconcrete in prefabricated composite floors.

Key words：iron tailings；fine aggregate；concrete；PVA fiber；mechanical properties

鐵尾礦是鋼鐵工業生產過程中的一種副產品，主要由鐵礦石的非金屬礦物成分組成，包括石英、蛇紋石、方解石等。鐵尾礦的主要問題在于其無法自然分解，因此會占用大量土地資源并對環境造成污染[1-3]。因此，如何合理回收利用鐵尾礦資源逐漸成為熱門研究領域。

近年來，研究人員開始探索利用纖維改良混凝土的力學性質，以提升其綜合性能[4-6]。利用纖維改良鐵尾礦混凝土，具備廣闊的研究前景。目前，鐵尾礦混凝土的研究主要包括鐵尾礦混凝土的基本性能，研究了鐵尾礦混凝土的基本物理力學性能，如壓縮強度、抗拉強度、抗滲透性等[7-9]。此外，還有部分學者提出可以對鐵尾礦混凝土的材料配合比進行優化，通過控制鐵尾礦與其他原材料的配合比例，研究如何獲得性能更好的混凝土材料[10-12]。

本次研究制備了新型纖維改良鐵尾礦混凝土，并對其開展了立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎強度試驗。研究成果為新型鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的設計和應用提供了借鑒作用。

1試驗部分

1. 1試驗原料

本次試驗主要原材料如下：（1）膠凝材料。試驗研究所用的膠凝材料包括水泥、粉煤灰和偏高嶺土，其中水泥為山西某建筑材料生產有限公司生產的P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，密度為3.05 g/cm3，28 d抗壓強度51.9 MPa；粉煤灰為產自河北的一級粉煤灰，主要成分為SiO2（22.1%）、Al2O3（5.2%）、CaO（64.3%）、Fe2O（35.5%）；偏高嶺土，白度95.5，水懸浮液pH值為7；（2）細骨料。細骨料采用石英砂，并使用鐵尾礦砂部分替代石英砂。其中，石英砂的密度為2.65 g/cm3，莫氏硬度為6.95；鐵尾礦砂主要成分為SiO2和Fe2O3，其密度為2.78 g/cm3，細度模數為2.8；（3）纖維。采用產自江蘇省蘇州市某化工產品有限公司的高強度聚乙烯醇（PVA）纖維，纖維材料親水性好，強度高。平均長度為12 mm，直徑為40μm，密度為1.35 g/cm3，拉伸強度達到1 500 MPa；（4）減水劑。采用產自江蘇省南京市某化工產品有限公司的聚羧酸減水劑，密度為1.20 g/cm3，減水率為19%。

1. 2試樣制備

設置了2個試驗組開展本次試驗研究，其中，第1組為不摻PVA纖維的混凝土，第2組為摻2%PVA纖維的混凝土。此外，2組均設置4種不同鐵尾礦砂替代率的混凝土試樣，替代率分別為0%、20%、40%和60%。本次試驗制備混凝土的基礎配比為細骨料?水?粉煤?偏高嶺土?水泥?減水劑=565.6 kg?440.3 kg?377.4 kg?188.7 kg?692 kg?5.66 kg，對應各試樣中鐵尾礦砂的質量分別為0、113.12、226.24和339.36 kg。按照上述配合比設計稱取相應質量的原材料并倒入攪拌機后進行攪拌，將拌合完成的混凝土放入模具中分別養護3 d后取出開展試驗研究。

1. 3試驗方案

為研究新型纖維改良鐵尾礦混凝土試驗的工程性能，本次研究依照相關試驗規范標準，對養護完成的試樣開展了立方體抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗以及抗彎強度試驗，所用試樣均為標準試樣，試樣尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm、300 mm×76 mm×13 mm和φ100 mm×200 mm。

2結果與討論

3

2. 1立方體抗壓強度

表1展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土立方體抗壓強度試驗結果。

由表1可知，在鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的抗壓強度均產生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的立方體抗壓強度先增大后減小。普通混凝土的抗壓強度為30.15 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗壓強

度分別達到33.15、32.78和30.68 MPa。分析認為，這是由于當鐵尾礦砂取代率在合理范圍內，鐵尾礦砂內部的SiO充分與水泥中的Ca（OH）水化22反應生成水化硅酸鈣（C—S—H〉凝膠材料能夠很好的填充混凝土內部孔隙及改善基體結構，使得鐵尾礦混凝土的抗壓強度増加[13-14]。但是，當鐵尾礦砂取代率超過合理值時，會導致砂級配不良，使得基體內部存在缺陷，形成薄弱層，這些薄弱層在受壓時容易形成裂紋貫穿整個試件，致使其抗壓強度降低[15]。

PVA纖維明顯提升了混凝土的承載能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗壓強度分別為34.06、36.33、37.15和34.29 MPa。當鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的立方體抗壓強度最大，此時為37.15 MPa，較普通混凝土提升23.22%。

2. 2劈裂抗拉強度

圖1展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土劈裂抗拉強度試驗結果。

由圖1可知，在鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的劈裂抗拉強度均產生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的劈裂抗拉強度也先增大后減小。普通混凝土的劈裂抗拉強度為1.95 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的劈裂抗拉強度分別達到2.07、2.11和2.06 MPa，分別相對增大6.15%、8.21%和5.64%，提升幅度較小。但是，PVA纖維則明顯提升了混凝土的抗拉能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的劈裂抗拉強度分別為2.68、2.85、3.02和2.78MPa，較不摻PVA纖維組強度增幅分別達到37.43%、37.68%、43.13%和34.95%。當鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的劈裂抗拉強度最大，此時為3.02 MPa，較普通混凝土提升54.87%。2. 3抗彎強度

圖2展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土抗彎強度試驗結果。

由圖2可知，鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的抗彎強度均產生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的抗彎強度呈現先增大后減小的變化趨勢。普通混凝土的抗彎強度為3.55 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗彎強度分別達到3.62、3.81和3.70 MPa，分別相對增大1.97%、7.32%和4.23%，提升幅度較小。但是，PVA纖維則明顯提升了混凝土的抗彎能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗彎強度分別為4.09、4.33、4.58和4.36 MPa，較不摻PVA纖維組強度增幅分別達到15.21%、19.61%、20.21%和17.84%。當鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的抗彎強度最大，此時為4.58 MPa，較普通混凝土提升29.01%。

3結語

（1）利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的立方體抗壓強度先增大后減小。普通混凝土的抗壓強度為30.15 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗壓強度分別達到33.15、32.78和30.68 MPa。PVA纖維明顯提升了混凝土的承載能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗壓強度分別為34.06、36.33、37.15和34.29 MPa；

（2）普通混凝土的抗彎強度為3.55 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗彎強度分別達到3.62、3.81和3.70 MPa，分別相對增大1.97%、7.32%和4.23%，提升幅度較小；

（3）利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的抗彎強度呈現先增大后減小的變化趨勢。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂均會小幅度提升混凝土的抗彎強度，但是摻入纖維后混凝土的抗彎強度會明顯增大。

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