废铁质混凝土的抗压性能试验研究

王 洋 杨敬林 谌思瑶 周福星 周志华 汪 勇(湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128)

1 引言

混凝土是一种性能很复杂的组合材料，主要由水泥、沙子、石子和水按照一定的比例拌和而成，凝固后坚如磐石，受压性能好。特别是混凝土结构在双向压力和三向压应力作用下，混凝土的强度和变形均有极大提高，实际工程中常利用混凝土的这种特性来提高混凝土的抗压强度和变形能力。

当前，混凝土结构的发展极为迅速，从新材料、新技术的研究、开发和推广应用到工程结构物的建造，均取得了惊人的巨大成就。为此，研究混凝土的各项力学性能一直成为各国工程技术人员的重要课题，高强、轻质、耐久、抗震、抗爆、抗冲磨始终成为研究和发展的方向[1]。但是，对于在混凝土中加入废铁钉类物质在国内外的研究中很少见，加入废铁钉类混凝土的构件更是少之甚少，基于日常生活中有大量的废弃铁质，主要包括铁钉、图钉、订书机订、U形钉、回形钉等，这些物质目前主要是通过废品回收送至钢铁厂继续加工成各种钢制品，时间长，环节多，经济成本大，流转周期长，社会效益不明显，如果将这些废铁物收集起来直接利用将大大减少环境污染和土壤硬化，本研究就是将这些废铁物按照一定的比例加入混凝土结构中，研究混凝土结构的力学性能，这对混凝土的试验研究有重大意义[2-3]。

2 废弃铁质类混凝土配合比设计

混凝土配合比是指单位体积混凝土中各组成材料用量的比例关系。混凝土配合比一般应满足施工中的和易性要求、结构设计所必需的混凝土强度等级和环境条件耐久性的要求等。在混凝土结构中加入一定含量的废铁物质，是一种比较新式的混凝土结构，目前研究较为少见。本试验废铁质混凝土设计主要材料之一废铁质取自合平村拆迁安置小区拆迁过程中大量的屋架或木门的生锈铁钉、图钉、订书针等，其主要化学成份包括铁Fe、氧化铁Fe2O3、碳C和其他一些微量元素，其中铁元素占到95%以上，粗骨料卵石的粒径选用12-20mm粒径，试验中采用坪塘牌P.C32.5MPa复合硅酸盐水泥，天然细骨料为细沙，水直接取用自来水。

本文中的废铁质混凝土配合比以普通混凝土配合比设计准则为依据，配合比设计为C：W：S：G=1：0.44：1.27：3.45，根据废铁质混凝土中废旧铁质含量的不同比例(分别为0，0.4%，0.8%，1.6%)，不同组别分别配制一组基本的C25混凝土，设计要求新拌混凝土的坍落度达到60mm，并且尽量保证水泥用量，满足普通混凝土的耐久性要求[4]。

表1 废铁质混凝土理论配合比

为了便于比较混凝土的各项性能，选择相同的水灰比为0.44。各组混凝土拌和物均采用人工搅拌，具体做法根据混凝土结构工程施工质量验收规范(GB/T 50080-2002)[5，6]进行，每组混凝土共浇筑150mm×150mm×150 mm立方体标准试件3块，共4组，所有试件均为一批浇注完成试件，在浇筑24h后拆模，在标准养护条件下养护至28d后进行抗压强度试验。试验过程中混凝土抗压强度的测定严格遵循《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行[7]。

3 试验结果与分析

在上述试验用废铁质混凝土养护条件下达到28d的养护龄期后依照标准试验方法在建筑结构实验室电液伺服万能试验机WAW-2000上进行抗压强度试验[8]，测得的具有95%保证率的抗压强度大小，如表1、表2所示。

表2 不同掺量废铁质混凝土抗压强度测试结果

表3 数据处理方差分析表

图1 不同废铁质掺量混凝土抗压强度

图2 不同废铁质掺量混凝土最大试验荷载

在上述各组立方体标准试件破坏过程和图1、图2表明：再生混凝土在试验过程中破坏形态基本上和普通混凝土立方体试件相似，破坏面基本上也是沿着粗骨料和水泥凝胶体之间的交界面上，属于粘结强度破坏；随废旧铁钉掺量的不同，废铁质混凝土的强度发生明显变化，且较明显地高于初始配合比设计时的C25混凝土立方体抗压强度标准值；随废旧铁钉掺量的增大，新拌废铁质类混凝土的强度也随之增大，并有较大幅度的提高；在废旧铁钉掺量在一定范围内时，废铁质类混凝土的强度虽有较大提高，但是两者提高的程度相差甚微，仅有当废旧铁钉掺量超过一定范围时，其抗压强度才有较大幅度的提高。上述实验结果对于混合型建筑结构中大量的混凝土构件，特别是承重构件的梁、板、柱有着显著的应用价值，可以节约较多的混凝土材料，减少截面尺寸，较大程度降低建造成本，促进节约型环保型社会和谐发展。

在3组混凝土中掺加废弃铁质后，从试验数据处理中，我们可以看到废弃铁质掺量在0.4%～1.6%时，掺量越多，混凝土抗压强度越大，最大试验承载力值越高。本实验中0.8%掺入量组和0.4%掺入量组在抗压强度和最大力上数值接近，差异不显著。分析原因可能是0.4%的铁钉质量为0.1215kg，0.8%的铁钉质量为0.243kg，掺入量与混凝土质量相比，均可忽略不计，且差异很小；在实验配置混凝土中，废弃铁质的掺入未能均匀分布在混凝土中，使得混凝土试块的废弃铁质含量与0.4%掺入量组的含量接近，导致试验结果数据差异不显著提高。

纵观不同掺入量废铁质混凝土试件抗压强度试验全过程，影响废铁质混凝土抗压强度的因素主要有配合比、废铁质含量、水灰比、粗细骨料的粒径、试验条件等[9]。

4 结 语

本文主要进行了对于不同掺入量废铁质混凝土标准立方体试件的抗压强度的试验研究并做了分析和探索，结论如下。

1)对于预先设定的混凝土配合比，废铁质类混凝土的抗压强度标准值随废铁质掺入量的变化而不同，一般情况下均随着废铁质掺入量的增加而有一定程度的提高。

2)废旧铁钉掺量在一定范围内时，废铁质类混凝土的强度虽有较大提高，但是两者提高的程度相差甚微，仅有当废旧铁钉掺量超过一定范围时，其抗压强度才有较大幅度的提高。

3)废铁质本身的化学成分主要还是以铁、氧化铁、碳及一些微量元素组成，这些成份组成并未使混凝土的抗压强度标准值有降低，反而使其有较大程度的提高，大大改善混凝土的力学性能，为混凝土结构的发展提供了一种新式的混凝土。

5)废铁质混凝土中掺入不同量的废铁质后，混凝土的密度增大了，混凝土的密实程度和耐磨性均有了一定程度的改善，再结合废铁质混凝土的强度提高，使废铁质混凝土的应用更加广泛。

6)废铁质混凝土抗压强度试验的影响因素主要包括废铁质掺入量、配合比、粗细骨料的粒径、水灰比、试验条件等。

[1]张燕.针片状颗粒含量对混凝土性能的影响[J].水利科技与经济,2013,7:110-111.

[2]张肖霞.关于不同掺量粉煤灰对混凝土强度的影响[J].山西建筑,2013,3(2):142-143.

[3]邹巍.铁屑混凝土施工[J].建筑工人.2004,9:13-14.

[4]张光碧.建筑材料[M].中国电力出版社,2006.8:88-96.

[5]GB50204-2002,混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

[6]GB/T50107-2010,混凝土强度检验评定标准[S].

[7]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[8]李建岭,罗昭鸿.碾压混凝土抗压强度试验研究[J].深圳土木与建筑,2005,3:55-58.

[9]罗季英,田冠飞.混凝土抗压强度的多重影响因素试验研究[J].混凝土，201011:65-69,75.