玻璃纤维磷尾矿混凝土配合比设计及力学性能试验

卜娜蕊 BU Na-rui；刘睿 LIU Rui；白润山 BAI Run-shan

（①河北建筑工程学院，张家口 075000；②河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，张家口 075000）

0 引言

在现代建筑工程领域中，混凝土是一种应用广泛的材料，它具有较高的强度和耐久性。然而，在某些情况下，传统的混凝土结构往往无法满足一些特殊的要求，例如在地震、爆炸或大型机械作用下需要更高的抗震性能和韧性。因此，人们对于开发出具有更高强度和耐久性的混凝土产生了浓厚兴趣。现在我国砂子资源相对短缺，磷尾矿砂中有大量可用于制备建筑材料的有用矿物，使其可用来部分代替砂材料，从而生产出高性能环保的混凝土材料，进而其发挥出更好的力学性能，同时也大大地提高经济效益，这样不仅可以缓解砂子资源短缺造成的不利影响，而且也减少了磷尾矿排放堆积所造成的各种问题。将玻璃纤维掺入混凝土能够更好地提高混凝土的力学性能和耐久性能，使其更加结实耐用，具有广泛的使用价值。目前对于同时掺入磷尾矿、玻璃纤维的混凝土材料的力学性能的研究文献还相对较少，本文将磷尾矿砂按照一定的取代率充当细骨料，一方面解决因大量开发导致磷尾矿堆积而对自然环境造成的破坏问题，另一方面也为纤维增强混凝土材料的绿色环保角度提供参考。

1 玻璃纤维磷尾矿混凝土概述

混凝土材料因为它的制作工艺简便、防火性好、可塑性好使其成为建筑中被广泛使用的材料之一，而运用在实际工程建设中，混凝土容易开裂、脆性较大、抗拉强度低等劣性很容易地表现出来，从而使得在遇到偶然工况时建筑物抵抗能力不足，混凝土往往因为抗拉强度较低在发生脆性破坏时裂缝会不断地向内部发展，从而对结构安全造成严重影响，而它的耐久性也会时常受到外界环境因素影响。在磷尾矿混凝土材料中加入玻璃纤维和磷尾矿后，材料的结构可靠性较普通混凝土更优。

玻璃纤维磷尾矿混凝土是一种新型的复合材料，是通过在混凝土中添加玻璃纤维和磷尾矿材料来增强其力学性能，它们与水泥形成有效的协同作用，该材料具有出色的抗裂性能且强度高。相比传统混凝土，在抗拉、抗弯、抗冲击等方面表现出更好的力学性能。

该材料的特点包含：①韧性好。通过添加玻璃纤维材料，使得混凝土在受力时能够克服裂缝扩展的倾向，从而提高了结构的耐久性和延展性。②抗裂性好。由于添加了玻璃纤维材料，在混凝土内部形成了网状结构，从而有效地阻止了裂缝的扩展。即使在受到大幅度载荷时，混凝土材料也能够保持较小的裂缝宽度。③强度高。添加磷尾矿和玻璃纤维材料不仅提高了混凝土的韧性，还增加了其整体强度。与传统混凝土相比，具有更高的抗压和抗弯强度，能够承受更大的荷载。

1.1 磷尾矿概况及利用现状

磷矿是指在经济上能够被人们所利用的全部磷酸盐类矿物的总和，它是一种对人类十分重要的化工矿物原料。磷矿在工业上已经有一百多年的应用历史[1]，它主要被用于制备各种磷肥、饲料添加剂、洗涤剂等，除此以外还被应用于化工、轻工、国防等领域。全球磷矿石资源总量约为五百亿吨，中国的储量占百分之十七，然而我国磷矿石资源“丰而不富”，磷矿石平均品位（五氧化二磷的含量）仅为百分之二十三，而摩洛哥、美国以及一些非洲国家的磷矿品位一般都在百分之三十以上[2]。另一方面，磷矿石作为一种不可再生的矿产资源，在经历长时间的大规模开采之后，磷矿资源呈现出逐渐枯竭的迹象且品位也逐渐降低。为了应对磷矿资源的短缺和磷矿品位的不断下降的现状，人们开始积极探索中低品位磷矿的开发利用。由于磷矿的大量开采，也导致磷尾矿的大量产生，大量的磷尾矿建库堆放带来一系列的问题，主要表现在：占用大量土地、存在安全隐患、尾矿库建设和维护费用高[3]等。

发达国家对磷尾矿提出了创建无尾矿山的目标（无尾矿山是指少废、甚至无废），改进选矿工艺并拓宽磷尾矿的应用范围，对尾矿的利用率甚至可以达到百分之六十到八十，利用磷尾矿中的某些有用的成分来制备一些高附加值产品，例如：功能陶瓷、复合陶瓷、铸石等。或者将尾矿整体加以利用，如用作微晶玻璃原料、尾矿砖、混凝土骨料、筑路回填料等。我国对利用磷尾矿制备建筑材料的综合研究与利用，主要用于熔制型尾矿建材、烧结型尾矿建材[4]、水合型尾矿建材[5]、胶结型尾矿建材[6]等。磷尾矿因为其技术水平不高、经济效益低从而难以实际运用，使得其长年堆积，不仅长期占有土地资源，又对环境造成了一系列污染。而磷尾矿中有大量可用于制备建筑材料的有用矿物，它们可以被应用在建筑材料领域，这样既可以满足国家不断提高的节能减排的需要，也可以更好地实现资源化利用。

1.2 玻璃纤维及其作用

玻璃纤维是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。其主要优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差，是一种种类繁多、性能优异的无机非金属材料。

玻璃纤维比有机纤维耐温高，不燃，抗腐，隔热、隔音性好，抗拉强度高，电绝缘性好，在建筑领域、交通运输领域、电子领域有着广泛的运用。

在混凝土中加入玻璃纤维后，纤维以乱向分布的形式存在于混凝土基体中，玻璃纤维在混凝土中形成一个网状结构，增加混凝土的连通性和紧密度，同时增加混凝土的承载能力和抗剪性，这种增强作用能够抵抗混凝土的变形，使其更加结实和耐久，从而大大增强材料的延性，使得混凝土在遇到力学作用时，体现出高延性、应变硬化能力强等特性，从而使材料的结构可靠性和耐久性较普通混凝土更强。

2 玻璃纤维磷尾矿混凝土试验原材料选择

2.1 磷尾矿

本试验所用磷尾矿是来自湖北省襄阳保康县楚磷矿贸有限公司的反浮选磷尾矿（以下简称磷尾矿），磷尾矿的主要化学成份、粒径分布、放射性检测分别如表1、表2、表3所示。见图1。

表1 磷尾矿主要化学成份

表2 磷尾矿粒径分布（%）

表3 磷尾矿放射性检测

图1 磷尾矿砂

从表1-表3中可知，该磷尾矿的主要物相为石英、磷灰石和白云石，且具有火山灰活性的石英相的含量很低，所以该磷尾矿几乎没有活性，粒径分布与混凝土用中粗砂相近，且其放射性达标故不用担心利用磷尾矿作为原材料制备混凝土会导致放射性超标而引发人体疾病，可直接使用作为混凝土惰性集料。

2.2 玻璃纤维

本试验玻璃纤维采用长沙柠祥建材有限公司的玻璃纤维，均匀混合，易分散，无并丝，安全无毒，物理性能见表4，见图2。

表4 玻璃纤维物理性能

图2 玻璃纤维

2.3 水泥

本试验采用的水泥为江西省乐平市万年青水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，符合国家标准GB175-2020《通用硅酸盐水泥》要求，其基本性能见表5。

表5 普通硅酸盐水基本性能

2.4 细骨料

本试验采用的细骨料为粗砂，粒径大小在2-5mm之间，符合国家标准GB/T14684-2022《建筑用砂》的要求。

2.5 粗骨料

本试验采用的粗骨料为碎石，粒径大小在5-31.5mm之间，符合国家标准GB/T14685-2022《建筑用卵石、碎石》的要求。

2.6 粉煤灰

本试验所用的粉煤灰为景德镇市发电有限公司生产的粉煤灰，符合国家标准GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

2.7 减水剂

本试验所用的减水剂为河北晴俊纤维素厂生产的萘系高效减水剂，满足GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》要求，减水率≥18%，厂家建议掺量为胶凝材料的0.4%-1.2%，本次试验取减水剂掺量为0.75%。

3 配合比设计及力学性能试验研究

3.1 试验配合比设计

根据试验研究的要求，设计5种不同的取代率的磷尾矿细骨料来替代河砂制备混凝土，在进行配合比设计时，依据相关国家和行业规范，对C30混凝土进行配合比设计，设计出来的混凝土配合比要同时满足和易性、强度的要求和混凝土施工的具体要求。采用的水胶比为0.47。

在抗压强度达标的前提下，磷尾矿掺量的多少和纤维掺量的多少是本试验的目的所在。将磷尾矿直接作为惰性材料掺加，相应中粗砂含量降低，由于磷尾矿没有活性，只能以颗粒为整体被水泥浆料包裹，随着磷尾矿中粗砂替代率的增加，最终导致混凝土试块抗压强度降低。本试验设计磷尾矿替代中粗砂率分别为0%、30%、40%、50%、60%。玻璃纤维所占体积率为0.2%，对照组为0%。试验混凝土试块配合比设计如表6所示。

表6 磷尾矿试验配合比设计（kg/m3）

3.2 试件制作与试验研究

依据混凝土试验方法标准，立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm，抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×550mm，每个配合比成型9个试件。

按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》及CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》进行各项力学性能测试。抗压、劈裂抗拉、抗折试验设备为美特斯工业YAW4206微机控制电液伺服压力试验机、SHT4106微机控制万能试验机、CMT5504微机控制电子万能试验机。

试验工艺流程如下：

①按试验设计配合比称取各种原材料。

②先将河砂、碎石、磷尾矿、水泥、粉煤灰、减水剂等干物料拌合，待干物料拌合均匀后，再边搅拌边倒入水，拌合均匀。

③将混凝土浆料注入模具中，振捣密实，盖上一层薄膜，然后连同模具一起放入20摄氏度的混凝土试块标养箱，静置24小时后混凝土试块脱模继续放入标养箱，试块装模效果及拆模效果见图3和图4。

图4 试块拆模效果图

④养护28天后将试件取出进行力学性能测试。试块抗压、劈裂抗拉强度、抗折强度试验效果图例见图5、图6、图7。

图5 抗压强度试验效果图例

图6 劈裂抗拉强度试验效果图例

图7 抗折强度试验效果图例

3.3 试验结果及数据分析

试验混凝土试块测试的抗压强度、抗拉强度、抗折强度结果如表7所示。

表7 力学性能测试结果（MPa）

试验数据分析见图8、图9、图10。

图8 立方体抗压强度趋势图

图9 劈裂抗拉强度趋势图

图10 抗折强度趋势图

从图8、图9和图10可以看出，当不掺入玻璃纤维和掺入纤维的时候，随着磷尾矿取代率的增加，混凝土试块的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度均逐渐升高再降低。当保持磷尾矿取代率不变的情况掺入纤维，混凝土试块抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度均有所提高。

4 结语

本文通过调整尾矿砂取代率和玻璃纤维掺量，研究了玻璃纤维磷尾矿混凝土的力学性能，通过试验表明，随着磷尾矿砂取代率的增加，力学性能指标基本变化规律为先增大后减小，玻璃纤维的加入能够有效提高磷尾矿混凝土的力学性能。综上所述，本研究通过对玻璃纤维磷尾矿混凝土配合比设计和力学性能研究，为该材料在工程实践中的应用提供了一定的理论和试验基础。