尾矿砂聚合物钢纤维混凝土的基本力学性能*

2018-12-05黄志强徐向新杨圣晨盛怡琴

沈阳工业大学学报 2018年6期

黄志强，徐向新，杨光，杨圣晨，杨璐，盛怡琴

(沈阳工业大学 a. 建筑与土木工程学院， b. 经济学院，沈阳 110870)

改革开放以来，随着我国经济、政治和军事等方面的发展，兴建了大批的房屋建筑、跨海工程、地铁工程和高速铁路公路，对于建筑物的安全等级要求也越来越高.因此，对新型混凝土的研究以适应日益扩大的混凝土需求量刻不容缓.根据国内外学者的研究，将聚合物乳液掺入新拌混凝土后，其变形能力和防水性能等都有很大提升，熊剑平及王培铭等[1-2]分别对聚合物混凝土改性机理和微观结构做了进一步研究.

钢纤维混凝土最早出现于20世纪初期，在美国等发达国家的军事设施和桥梁等领域得以推广并应用.由于钢纤维混凝土克服了很多素混凝土的缺点，具有较好的抗疲劳、抗开裂特性[3]，所以被大量应用于水利水电工程，公路和桥梁路面等铺面工程[4].

铁尾矿砂组成成分复杂，除含有少量的金属组分之外，主要矿物成分是脉石矿物，其化学成分以Fe、Mg、Si、Ca和Al的氧化物为主，另外含有少量的P和S等.徐国强等[5]通过试验得出，尾矿砂对混凝土工作性能无影响，无离析和泌水等现象，并且能满足工程塑性土的要求.此外，截止2013年底，中国尾矿废渣存量接近146亿吨，认为尾矿砂对周围环境有很大的危害[6-7].为了将这种不良的影响降到最低，我国政府在出台的法律中明确说明铁尾矿砂的综合利用问题[8].本文在综合各掺料性能的基础上，研究尾矿砂聚合物钢纤维混凝土的基本力学性能.

1 试验

1.1 试验材料

试验材料包括：粗骨料为碎石，粒径小于20 mm，级配良好；细骨料为天然中砂，细度模数为2.5；尾矿砂的细度模数为1.078；水泥为工源牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间大于等于45 min，终凝时间小于等于600 min；粉煤灰为由沈海热电厂提供的I级粉煤灰(JGJ28-86)；减水剂采用大连西卡建筑材料有限公司生产的高性能聚羧酸系减水剂SikaViscoCrete3301E，最高减水率达40%；试验室用水，根据标准(JGJ63-1989)的规定进行选用.

1.2 试验仪器

试验仪器包括：

1) JW400型强制式混凝土搅拌机，如图1所示.

图1 强制式混凝土搅拌机Fig.1 Forced concrete mixer

2) YES-2000型数显式压力试验机.

3) J(P/C)N-500K电液伺服结构试验系统，如图2所示.

图2 J(P/C)N-500K电液伺服结构试验系统Fig.2 Experimental system of J(P/C) N-500K electro hydraulic servo structure

1.3 混凝土基本配料比

混凝土基本配料比如表1所示.

表1 混凝土基本配料比Tab.1 Basic mix proportion of concrete

1.4 试验方案

本文试验主要研究尾矿砂、聚合物和钢纤维三种材料对混凝土基本力学性能的影响.因此，设计了四组尾矿砂代替天然砂的比例，分别为0%、25%、50%、75%；掺入的钢纤维比例有四组，分别为0%、1%、1.5%、2%；对掺入聚合物后的聚灰比设置三种比例，分别为0%、10%、20%.

1.5 试件制备工艺与养护

按照试验配比称取各种配料，将石子、尾矿砂、天然砂、水泥和粉煤灰放入强制式混凝土搅拌机进行5 min干拌，加入三分之二的水，并将环氧树脂溶液加入其中，再将减水剂倒入剩余水中，缓慢加入到搅拌机里，再搅拌2 min，加入钢纤维，搅拌5 min.测试混凝土塌落度，然后放回混凝土搅拌机中，再次测量塌落度，得出各配比的塌落度约在180～210 mm之间，满足要求，并且发现，随着钢纤维的增加，塌落度会随之减小.

比较两组数据可以看出,观察组新生儿的出生体重与1min Apgar评分均显著低于对照组新生儿;并且早产儿发生率与窒息发生率显著高于对照组新生儿,差异具有统计学意义,P<0.05,或P<0.01。

试件分3层浇筑，使用振捣机振捣，将试件表面抹平，然后在上面盖上塑料薄膜以防止水分散失，标准条件下养护7和28 d.

1.6 试件抗压试验现象及数据

首先将试件清理干净并放入试验机下压板，两者的中心点位置相同，然后开始使用试验机并调整试验机速度，记录试件破坏时负荷量，但是在试件形状有变化时，需要将油门停止.

混凝土被压碎的形态如图3所示.素混凝土属于锥形破坏，破坏过程中会出现嘶嘶的撕裂声，尾矿砂聚合物钢纤维混凝土内部没有过大变化，只是表面有些掉落，而且所坚持的时间更长，试件完整度很高，其主要原因是出现了三维网状膜结构，聚合物膜可以控制混凝土结构，而且还拥有超强粘合力，这使抗压能力更强.表2为不同材料配比对混凝土抗压强度的影响.通过对数据进行分析，钢纤维的加入可以使试件抗压强度显著提高，但是随着掺量的继续提高，混凝土抗压强度有所下降.

图3 混凝土被压碎的形态Fig.3 Morphology of crushed concrete 表2 不同材料配比对混凝土抗压强度的影响Tab.2 Effect of different material mix proportion on compressive strength of concrete

尾矿砂替代率/%钢纤维/%聚灰比/%7d抗压强度/MPa28d荷载峰值/kN28d抗压强度/MPa01.51066.48945.7089.84251.51062.37910.5386.50501.51062.07877.7083.38751.51057.94806.9076.665001055.19760.2672.22501.01065.14857.0281.42502.01065.09853.8381.13501.5062.22897.7185.28501.52062.06875.5683.18

1.7 试件抗折试验现象及数据

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中抗折强度试验方法测定试件的抗折强度，其计算公式为

(1)

式中：F为试件破坏荷载；l为支座间跨度；b为试件截面宽度；h为试件截面高度.在所得强度的基础上乘以尺寸换算系数0.85，可计算抗折强度.

尾矿砂聚合物钢纤维混凝土的抗折强度相比普通混凝土要提高很多，由于粉煤灰的取代使得钢纤维与基体之间能更好地结合，对提高混凝土抗压、抗折强度有明显提高.

表3为不同材料配比对混凝土抗折强度的影响.通过分析数据，在一定范围内，该混凝土的抗折强度会随着钢纤维掺入量和尾矿砂取代率的增加呈现增长趋势.当钢纤维掺量为2%时，抗折强度提高约48.6%.

2 数据分析

乱向钢纤维的掺入会阻止粗骨料由于自重下沉造成的分布不均，增大下沉阻力，使混凝土更具有完整性，从而提高抗压强度[9-11].但是由于钢纤维掺量超过2%后，其在混凝土内部会出现结团等现象，使得总孔隙率增加，从而又使得抗压强度降低.

表3 不同材料配比对混凝土抗折强度的影响Tab.3 Effect of different material mix proportion on flexural strength of concrete

图4 不同钢纤维掺入量对抗压强度的影响Fig.4 Effect of different steel fiber content on compressive strength

图5 不同钢纤维掺入量对抗折强度的影响Fig.5 Effect of different steel fiber content on flexural strength

图6 不同尾矿砂替代率对抗压强度的影响Fig.6 Effect of different replacement rate of tailing sand on compressive strength

图7 不同尾矿砂替代率对抗折强度的影响Fig.7 Effect of different replacement rate of tailing sand on flexural strength

当尾矿砂替代率约为50%时，混凝土抗折强度基本达到最大值，提高约36.17%；当替代率超过50%时，混凝土抗折强度迅速下降；当替代率达到75%时，抗折强度降低约31.40%.

与素混凝土相比，试件在发生初裂后，随着荷载的增大，受拉区裂缝宽度随之增大，达到极限抗折强度后，试件随着裂缝宽度的扩大而缓慢破坏，其主要原因是聚合物与水泥或水泥水化产物发生相互作用，当在拉应力作用下产生裂缝时，裂缝的扩展使得聚合物跨越得到抑制或减缓，聚合物所形成的聚合物结构膜的抗拉强度较大，从而提高了混凝土抗折强度，可见其改善了混凝土的宏观抗拉性.同时，聚合物的掺入还会从内部孔洞及混凝土硬化速度等方面对混凝土的性能加以改善.

除此之外，混凝土在抗折强度测试中，最主要的破坏点是水泥与骨料的交界处，而乱向排布的钢纤维在穿过这些交界区时，会有效阻止裂缝的产生和进一步扩张，从而达到增强抗折强度的作用.