高性能环保型尾矿砂水泥基复合材料增韧性能研究*

鲍文博，底高浩，陈四利，李林凤

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)



高性能环保型尾矿砂水泥基复合材料增韧性能研究*

鲍文博，底高浩，陈四利，李林凤

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

针对项目组研发的高性能环保型建材即替代比率达50%的尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料，采用立方体抗压实验、薄板四点弯曲实验和薄板拉伸实验，分别测得了该复合材料的抗压强度、弯曲荷载-挠度位移和拉伸应力-应变等特性曲线,获得了该复合材料的弯曲韧性和弯曲强度以及断裂能和抗拉强度。通过实验，研究PVA纤维掺量和水胶比等因素对尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料增强和增韧性能的影响。实验结果表明，配合比对尾矿砂PVA纤维增韧水泥基复合材料的力学性能有显著影响；合适的配合比可使该复合材料获得准应变硬化和多裂缝特征，使其具有良好的弯曲韧性和抗拉延性以及较好的抗压强度、弯曲强度和抗拉强度。综合评价了尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的强度、韧性及其适用性，为该环保型复合材料的工程应用提供了依据。

水泥基复合材料；尾矿砂；PVA纤维；韧性

0 引 言

水泥基材料是目前工程上使用最为广泛的建筑材料之一，但随着使用范围的拓展和用量的提高，传统水泥基材料韧性差、耐久性不足等问题日益突出[1]，制约了水泥基材料自身的发展。解决水泥基体材料延性问题的有效办法，是在其基体内掺加一定量的纤维，通过纤维与水泥基体的粘结力阻止裂缝的进一步扩展，从而提高水泥基材料的韧性和抗拉强度[2]。典型的纤维增强水泥基材料是密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授研发的超高韧性水泥基复合材料(engineered cementitious composite，缩写为ECC)[3-4]，这种材料是基于微观力学原理优化设计的，具有假应变硬化和多缝开裂特征的一种新型材料[5]。另一方面，传统水泥基材料的制备需要消耗大量的天然砂，随着水泥基材料的广泛应用天然砂的消耗量越来越大，许多地区的天然砂资源已日益枯竭，对大自然形成很大威胁。早在20世纪60年代，国外就开始利用尾矿生产建筑材料。这个时期，前苏联利用尾矿研制生产了胶凝材料、沥青混凝土和墙体材料，美国将回收的尾矿绝大多数用做混凝土骨料、地基及沥青辅料，日本利用铁尾矿烧制出轻型骨料，加拿大研制出尾矿石灰干压砖。我国利用铁尾矿作为建筑材料的研究起步于80年代，并陆续取得了一系列成果，先后研制出了路面基料、免烧砖、饰面砖和混凝土空心砌块等建筑材料，尾矿做为细骨料在混凝土制备中也得到了广泛应用[6-7]。但是，利用尾矿砂做为细骨料进行增韧水泥基材料的研制是近几年才开始的工作。2008年，东南大学姜国庆等学者采用尾砂替代磨细石英砂来制备生态环保型的ECO-ECC材料，并取得初步成果[8]；本课题组于2010年开始研制尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料，在配合比、制备工艺及其力学性能方面进行了系统研究[9-10]，验证了尾矿砂大比率替代天然砂的可行性，掌握了制备尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的关键技术。尾矿砂做为矿业废渣，资源丰富、价格低廉，使用尾矿砂部分取代天然砂应用到水泥基复合材料中，既能解决建筑用砂资源日益短缺的问题，又能减少尾矿砂存放对环境污染和占用大量土地的问题，具有良好的经济效益和社会效益。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验原材料

水泥，采用辽宁山水工源水泥有限公司制造的普通硅酸盐水泥，水泥标号为P.O 42.5。细骨料，采用辽阳鸡冠山铁矿尾矿砂和天然砂混合细骨料，其粒径为0.15～0.315 mm。减水剂，采用大连西卡公司减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%。粉煤灰，采用沈阳热海电厂的一级粉煤灰。纤维，采用山东泰安同伴纤维有限公司提供的PVA纤维，长度为12 mm。增稠剂，采用的是濮阳市三普化工有限公司生产的羟丙基甲基纤维素。

1.2 材料制备

项目组通过大量的研究，成功应用尾矿砂大比例替代天然砂制备出尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料，并通过配比设计和制备工艺的改进，获得了较好的抗弯和抗拉韧性性能。在前期研发工作的基础上，通过反复试配实验优化了尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料的配合比。尾矿砂替代天然砂的比例确定为50%，适当提高尾矿砂的水胶比以增加材料的流动性；为解决制备中PVA纤维分散性差的难题，参考了大连理工大学徐世烺团队的技术[11]，通过调整增稠剂掺量等措施有效地解决了纤维聚团现象。

1.3 实验方案

本实验在前期工作的基础上，重点考察水胶比和纤维掺量对尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料延性的影响。实验采用的配合比和试件编号如表1所示。采用抗压、弯曲和拉伸实验，综合评价项目组研发的尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性和强度。抗压实验、弯曲实验和抗拉实验每组试件制作6个，每组成功试件不少于3个。立方体试块按照《GB/T50107 混凝土的检验评定标准》，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块。薄板四点弯曲实验和薄板抗拉实验所用试件参考文献[12]并根据实验室条件制作，薄板试件尺寸为400 mm×100 mm×15 mm，抗拉试件尺寸为200 mm×50 mm×15 mm。制备并采用钢模成型，拆模后标准养护(温度(20±20) ℃，相对湿度95%)至28 d龄期。

表1 配合比及试件编号

1.4 实验方法

材料的抗压性能实验采用直接加载；薄板试件弯曲实验采用四点弯曲加载方式，实验使用杭州邦威机电控制工程有限公司生产的JAW-500K电液伺服结构实验系统加载，加载采用位移控制；拉伸实验采用粘贴式[13]直接单轴拉伸位移加载模式。

2 实验结果分析

2.1 立方体抗压实验

对立方体抗压试件进行实验，得到尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料试件的平均抗压强度，如表2所示。

表2 立方体抗压实验结果

尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料立方体抗压实验表明，PVA纤维掺量和水胶比对其强度均会产生影响。当水胶比为0.4和0.45时，其抗压强度随着纤维掺量增加而增加，纤维体积掺加量达到2%时，其强度增加约20%～35%，；当水胶比增大到0.5时，其抗压强度随着纤维掺量增加先是略有减小而后再增大，纤维体积掺量在2%时，其强度增加约10%，纤维增强作用有所减弱。

在尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的立方体抗压实验过程中，观察到压力荷载在达到峰值点之后没有出现荷载陡然降低的现象，试件破坏后的荷载表现出了较为缓慢的下降过程，这与与普通水泥基复合材料的有着明显的不同。图1给出了未添加纤维和添加纤维两种尾矿砂水泥基立方体试块受压破坏后的图片。

图1 立方体试块的破坏形态

Fig 1 Damage images of cube specimens

由图1可见，素尾矿砂水泥基立方体受压破坏前裂缝集中，当达到峰值荷载后迅速崩裂，承载力突然下降；而纤维尾矿砂水泥基立方体受压破坏前形成细小分散裂缝，消耗大量变形能，随着裂缝增加与扩展其承载力逐渐下降，体现出了纤维的增韧效果。

2.2 薄板的四点弯曲实验

由尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料的薄板4点弯曲实验，获得的荷载-跨中挠度曲线如图2所示，其中图2(a)～(c)分别表示纤维体积掺量为0%，1.5%和2%时各试件的荷载-挠度曲线，每张图中的A、B和C 3条曲线对应的水胶比分别为0.4、0.45和0.5。薄板试件在实验过程中出现大量细密的裂缝，如图3所示。

薄板4点弯曲实验表明，尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料具有较好的弯曲变形能力和裂缝分散能力，说明新工艺制备的薄板试样中的PVA纤维分散均匀、桥联作用充分，依靠界面粘结将基体释放的应力传递给周围未开裂的基体，进而在试件纯弯段表面出现了大量致密裂纹。薄板试样从出现裂缝开始到达极限承载力的过程，是变形充分发展、多裂缝逐步形成的过程。当试件达到峰值荷载时，试件能够保持其完整性，但随之在众多裂缝中会出现一条主裂缝导致薄板试样的承载力迅速下降直至完全丧失承载力。实验还表明，水胶比对弯曲韧性和弯曲强度有一定的影响。当材料的水胶比在0.4～0.5范围内增加时，其挠曲变形能力随着水胶比的增加而增加，但弯曲强度却随之减小。实验以控制位移方式加载，加载的速率取0.01 mm/min，测试数据如表3所示。同时参考《GB/T 15231-2008,玻璃纤维增强水泥性能实验方法》和文献[14]，依据测试数据对尾矿砂PVA水泥基复合材料薄板试样的比例极限荷载、抗弯强度及预测拉伸应变值进行了计算，一并列入表3。

图2 薄板弯曲荷载-跨中挠度曲线

Fig 2 Bending load-midspan deflection curves of thin plates

图3 典型薄板四点弯曲试样多裂缝破坏模式

名称开裂挠度/mm开裂荷载/kN极限挠度/mm极限荷载/kN开裂强度/MPa抗弯强度/MPa预测拉伸应变值/%A-00.350.280.450.303.374.000.05A-10.370.2813.150.833.7311.071.40A-20.460.3212.711.074.2714.271.36B-00.420.280.450.293.733.870.05B-10.410.2416.400.593.207.871.75B-20.420.3613.770.804.8010.671.47C-00.360.300.430.304.003.600.05C-10.310.2815.320.543.737.201.63C-20.440.2622.930.583.477.732.45

实验显示，尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料的开裂挠度在0.4 mm左右。尽管不同试件会在制备上存在一定的差异，但各个试件的开裂挠度相差不大，开裂荷载值接近，说明PVA纤维对于初次开裂几乎没有阻裂作用。基体开裂后，纤维的桥联作用和裂缝间的应力传递作用逐渐呈现出来，使得掺加纤维试件的抗弯强度增加。经预测拉应变的推算公式计算得到的拉伸应变预测值均在1.3%以上，远大于不掺纤维的试件的抗弯韧性，表明尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗弯韧性和预测抗拉延性。实验还表明，极限挠度会随水胶比在一定范围内(0.4～0.5)的增加而增加，这是由于水胶比的增大，一方面改善了基体的流动性使得纤维分布更加均匀，另一方面基体与纤维的粘结有所减弱使得更多的纤维随着裂缝的增加被拔出所致。

根据美国ASTM-C1018[15]的韧度指数定义，利用上述弯曲实验结果，计算得到尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料薄板试样的韧性指数I5、I10和I30，如表4所示。

表4 薄板试样的弯曲韧性指数

表4中的I5、I10和I30为荷载曲线下面积的相对值即韧性指数。由该结果可见，未掺加纤维的尾矿砂水泥基复合材料韧性指数接近1，材料呈现脆性；尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性指数显著增大，具有较好的弯曲变形能力和裂缝分散能力(见图3)，说明薄板试样中的PVA纤维分散均匀、桥联作用充分，能够依靠界面粘结将基体释放的应力传递给周围未开裂的基体，进而在试件纯弯段表面出现了大量致密裂纹。薄板试样从出现裂缝到荷载逐渐达到极限值的过程是变形充分发展、多裂缝逐步形成的过程。当试件达到峰值荷载后，试件一般仍能保持其完整性，但随之在众多裂缝中会出现一条主裂缝，导致薄板试样的承载力迅速下降直至完全丧失承载力。纤维掺量的增加可以增加其韧性指数，也就意味着可以让其能够吸收更多的能量并保持其不断裂。一定程范围内增加PVA纤维掺量，可以显著增加尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料吸收能量的能力，提升其综合力学性能。

2.3 薄板的直接拉伸实验

通过直接拉伸实验，测定了尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料的拉伸性能，其轴向应力-应变曲线如图4所示，其中图4(a)-(c)分别表示纤维体积掺量为0.0，1.5%和2.0%时各试件的拉伸应力-应变曲线，图中A、B和C 3条曲线对应的水胶比分别为0.40、0.45和0.50。

图4 直接拉伸应力-应变曲线

Fig 4 Direct tensile stress-strain curve

直接拉伸实验过程中，尾矿砂PVA水泥基复合材料出现准应变硬化现象，即水泥基体在试件开裂后荷载仍继续增大，并呈现多裂缝状态(如图5所示)，相对于素尾矿砂水泥基复合材料一旦出现裂缝后便马上退出工作，而尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料的变形能力大大增加，其极限应变最大可达3%，远大于普通水泥基复合材料的抗拉应变。在拉伸过程中，素水泥基复合材料最大应力达到2.41 MPa时试件即破坏，而掺加纤维的尾矿砂水泥基复合材料会出现应变硬化现象，并且极限应力最大提升2倍左右。水胶比对拉伸性能的影响与对弯曲性能的影响相似，水胶比在0.40～0.50范围内增加时，拉伸构件的拉伸应变增大，但拉伸强度降低。

将上述弯曲实验预测拉伸应变与直接拉伸应变实验结果相比较发现，预测应变值偏小，表明上述弯曲实验预测拉伸应变的方法存在一定的误差。尽管如此，弯曲实验预测的拉伸应变与直接拉伸应变具有一致性，作为拉伸应变预测仍有一定使用价值。

图5 典型薄板拉伸试样多裂缝破坏模式

Fig 5 Typical multi-cracks failure mode of the tensile plate

参考《高性能合成纤维混凝土》[15]关于纤维混凝土裂缝与轴拉应力关系的理论，计算得到直接拉伸试件的抗拉强度、最大应变值和断裂能，如表5所示。

表5 拉伸实验结果

断裂能值反映了尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料在断裂过程中消耗的能量，断裂能愈大，尾矿砂PVA水泥基复合材料在断裂过程中消耗的能量愈多，纤维的阻裂效果愈显著。PVA纤维的增韧增强效果显著，掺加纤维与未掺加纤维的试件相比，其应力-应变曲线相差很大，掺加纤维后试件的拉伸韧性明显增大、抗拉强度增强，呈现出较大塑性变形特征。直接拉伸应变在PVA纤维体积掺量0.0～2.0%范围内增加时，材料的拉伸韧性和抗拉强度随之增强。由实验可见，PVA纤维的掺量由1.5%增加到2.0%时，断裂能增加19%～34%；水胶比由0.40增加至0.50时，断裂能增加9%～34%。实验结果表明，尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料有很好的能量吸收能力，能大幅度提高水泥基复合材料的韧性。

3 结 论

(1) 高性能环保型尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料，具有良好的抗压性能、抗弯韧性和抗拉延性，在拉伸和弯曲荷载作用下均表现出明显的假应变硬化和多缝开裂特性，其极限拉伸应变可达3%左右，是一种具有延性变形特征的水泥基复合材料。具有很强的能量吸收能力，可以显著改善混凝土结构的抗震性能和抗拉变形能力。

(2) 高性能环保型材料中水胶比对尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性和强度有一定的影响。水胶比在一定范围内增加时，材料的变形能力有所增强，韧性变大，但相应的强度有所降低。

(3) 在适当的水胶比范围内，高性能环保型材料中的PVA纤维对尾矿砂水泥基复合材料有明显的增强作用和显著的增韧作用，但随着水胶比的增大其增强作用迅速退化。实验表明，PVA纤维体积掺量为2.0%时比较合适。

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Toughening properties of high performance tailings cementitious composites with environmental protection

BAO Wenbo, DI Gaohao, CHEN Sili, LI Linfeng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang Uniersity of Technology, Shenyang 110870, China)

The toughening properties of the PVA fiber tailings cementitious composites developed by the project team were studied based on the cube resisting compression test, the four-point bending test of thin plates and the tensile test of thin sheets. The composite is a kind of high performance building material with environmental protection characteristics, the replacement ratio of natural sand with tailings of wicth is 50%. The characteristic curves of bending load-deflection and tensile stress-strain and compressive strength of were tested, and the flexural toughness, the bending strength, the fracture energy and the tensile strength of the composites were obtained. The effect of the fiber content and water-binder ratio on reinforcing and toughening properties of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites was studied by experiments. The results showed that the composite mix proportion has significant effect on the mechanical properties of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites; the composite materials with appropriate mix proportion would present pseudo-strain-hardening and multi-crack characteristics and have excellent flexural toughness, tensile ductility and better compressive, bending and tensile strength. This paper comprehensively evaluated the strength, toughness and applicability of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites, and provided the basis for the engineering application of the environmental protection composite material.

cementitious composites; tailings sand; PVA fiber; toughness

1001-9731(2016)11-11007-06

国家自然科学基金资助项目(51279109)

2015-05-04

2016-01-10 通讯作者：底高浩，E-mail: 964002457@qq.com

鲍文博 (1958-)，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事混凝土结构理论、新型建筑材料及工程应用等方面研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.002