鋰渣聚丙烯纖維混凝土基本力學性能試驗

李　一，張廣泰，田虎學，張威震，李世界

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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鋰渣聚丙烯纖維混凝土基本力學性能試驗

李一，張廣泰，田虎學，張威震，李世界

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

摘要：為了研究鋰渣聚丙烯纖維混凝土的力學性能，采用烏魯木齊地區常用原材料,配制16組不同鋰渣取代率和聚丙烯纖維摻量的混凝土試件，進行了立方體抗壓試驗、軸心抗壓試驗、劈裂抗拉試驗和抗折試驗。試驗結果表明：鋰渣取代率為20%，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時,試件的抗壓強度和抗折強度比普通混凝土分別提高了11.3%和20.6%；聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時，試件的劈裂抗拉強度比普通混凝土提高了38.9%。

關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土；鋰渣；抗壓強度；劈裂抗拉強度

0引言

目前，許多學者對鋰渣混凝土和聚丙烯纖維混凝土做了大量研究[7-10]，但關于鋰渣聚丙烯纖維混凝土基本力學性能的研究鮮有報道。本文將通過立方體抗壓試驗、軸心抗壓試驗、劈裂抗拉試驗和抗折試驗來研究鋰渣聚丙烯纖維混凝土的力學性能。

1試件制作與試驗方案

1.1原材料

水泥：新疆紅雁池水泥廠生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

鋰渣：新疆昊鑫鋰鹽開發有限公司生產鋰鹽后的廢料，化學成分見表1。物理性能：比表面積為447 m2/kg，密度為3.48 g/cm3。本次試驗中所用的磨細鋰渣在掃描電子顯微鏡下的微觀形貌如圖1所示。

表1　鋰渣的化學成分 　 %

聚丙烯纖維：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產。纖維為長19 mm、直徑33 μm、密度0.91 g/cm3的單絲，如圖2所示。

粗骨料：卵石，壓碎指數為3.2%，含泥量(質量分數)為0.7%，表觀密度為2 680 kg/m3。

細骨料：水洗砂，細度模數為2.86%，含泥量(質量分數)為1.3%，表觀密度為2 640 kg/m3。

減水劑：新疆建筑科學研究院生產的液態聚羧酸減水劑。

圖1 鋰渣的微觀形貌(×10000)圖2 聚丙烯纖維

1.2試件制作與試驗過程

表2　基準配合比 　 kg/m3

進行鋰渣取代水泥質量分數分別為0%、10%、20%和30%，聚丙烯纖維摻量為0 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3的全排列。共16組，每組12個試件，總計192個試件，基準配合比見表2。立方體抗壓和劈裂抗拉試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，軸心抗壓試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，抗折試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

圖3　投料攪拌步驟

試驗采用干濕攪拌相結合的方法，見圖3。超時攪拌會引起濕纖維結團。試件成型24 h后拆模，將其標準養護28 d后進行相關試驗。

本試驗的加載裝置采用3 000 kN微機控制全自動壓力試驗機，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[11]和《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—2012)[12]制定試驗加載速度為0.6 MPa/s。

2試驗結果與分析

2.1立方體抗壓試驗和軸心抗壓試驗

2.1.1試驗現象

圖4為混凝土試塊抗壓破壞形態。試驗荷載增加一定程度后，普通混凝土試塊開裂，邊角處碎屑連續掉落，達到極限峰值，試塊壓碎瞬間，大量碎塊崩出。由于環箍效應，試塊破壞形態呈上下對角錐狀，如圖4a所示。摻入聚丙烯纖維(摻量為1.2 kg/m3)立方體抗壓試驗的混凝土試塊隨荷載增大裂紋增多，有少許碎塊剝落，裂而不碎，破壞后試塊完整，呈鼓狀，如圖4b所示。可見，摻入聚丙烯纖維后，混凝土破壞形態顯著改善，變形性能得到很大提高，由原本的脆性破壞轉為塑性破壞。

2.1.2試驗結果與分析

圖5和圖6分別為聚丙烯纖維摻量和鋰渣取代率對立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的影響。由圖5a和圖6a可看出：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強度呈上升趨勢(鋰渣取代率為30%時除外)。當聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3，鋰渣取代率為20%時，抗壓強度達到最大值，比普通混凝土提高了10%～15%。由圖5b和圖6b可看出：隨著鋰渣取代率的提高，抗壓強度在鋰渣取代率為20%時均達到最大值，較普通混凝土提高了7%。鋰渣取代率為30%時，抗壓強度下降程度較大，比不摻鋰渣的混凝土強度下降了14%～64%。

圖4　混凝土試塊抗壓破壞形態

圖5　聚丙烯纖維(PF)摻量和鋰渣(Li)取代率對立方體抗壓強度的影響

圖6聚丙烯纖維(PF)摻量和鋰渣(Li)取代率對軸心抗壓強度的影響

2.2劈裂抗拉試驗

2.2.1試驗現象

圖7為混凝土試塊抗拉破壞形態。隨著荷載的增加，普通混凝土試塊出現較明顯的主裂縫，裂縫少而粗。破壞時豎向裂縫貫通，試塊被劈成兩段，呈脆性，如圖7a所示。摻入聚丙烯纖維(摻量為1.2 kg/m3)的混凝土試塊裂縫由兩端向中間發展，且裂縫發展較為緩慢且呈曲線形式，裂縫多而密。破壞時試塊仍為整體，需要借助外力才可分離，如圖7b所示。

2.2.2試驗結果與分析

圖8為聚丙烯纖維摻量和鋰渣取代率對劈裂抗拉強度的影響。由圖8a可知：聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時，混凝土劈裂抗拉強度均達到最大值，比普通混凝土提高了19%～50%。聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時，各組的混凝土劈裂抗拉強度值比普通混凝土強度下降了4%～17%，原因是混凝土試塊中的聚丙烯纖維分布較少，起不到“橋接作用”，但纖維的加入使得混凝土內部的孔隙增多，混凝土內部缺陷增加，受力時纖維的作用不能充分發揮。可見，聚丙烯纖維達到一定摻量時才可提高混凝土的劈裂抗拉強度，但最大摻量還有待進一步研究。由圖8b可知：鋰渣取代率為20%時，劈裂抗拉強度最優，比普通混凝土提高了3%～17%；鋰渣取代率超過20%后，劈裂抗拉強度下降。

圖7　混凝土試塊抗拉破壞形態

圖8聚丙烯纖維(PF)摻量和鋰渣(Li)取代率對劈裂抗拉強度的影響

2.3抗折試驗

2.3.1試驗現象

普通混凝土試塊初裂后，隨著荷載的增加，受拉區裂縫發展較快，迅速形成寬大裂縫，到達荷載極限值時，試塊突然斷裂，貫通線近似豎向直線，呈脆性破壞。摻入聚丙烯纖維(摻量為1.2 kg/m3)的混凝土試塊隨著荷載的增加，裂縫發展較為緩慢，達到極限荷載后試件破壞但仍保持完整，無明顯貫通線，裂縫痕跡較為彎曲，破壞時撓度明顯大于普通混凝土試塊。這是因為纖維在受力過程中斷裂、拔出，此過程中消耗能量。因此，聚丙烯纖維混凝土表現出良好的延性破壞特征。

2.3.2試驗結果與分析

圖9為聚丙烯纖維摻量和鋰渣取代率對抗折強度的影響。由圖9a可知：聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時，混凝土抗折強度達到最大，比普通混凝土提高了11%～29%。由圖9b可知：鋰渣取代率為20%時，抗折強度最優，比普通混凝土提高了10%～20%；鋰渣取代率超過20%后，抗折強度下降。

圖9聚丙烯纖維(PF)摻量和鋰渣(Li)取代率對抗折強度的影響

2.4影響因素分析

2.4.1鋰渣取代率

隨著鋰渣取代率的增加，抗壓強度、抗拉強度和抗折強度均在取代率為20%處達到峰值，超過20%后強度均呈一定程度的下降。這是因為經研磨后鋰渣粉粒徑較水泥顆粒粒徑小，在水化過程中，可以充分發揮微集料效應，表現出一定的火山灰活性，使得混凝土的密實度提高，從而提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗折強度。但是，鋰渣取代率超過20%后，會使水泥的含量降低，由于水化反應過程是在水泥水化的基礎上進行的，鋰渣反應需要水泥水化過程中產生的Ca(OH)2，水泥含量較低，大大限制了部分鋰渣參與水化反應，所以鋰渣取代率超過20%后會降低混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗折強度[13]。

2.4.2聚丙烯纖維摻量

聚丙烯纖維在混凝土基體中均勻分布，隨著荷載的增加，混凝土的內部產生細微裂縫，纖維在裂縫的兩端所受應力以剪應力和拉應力為主。由于纖維的加入可以吸收部分能量，限制了裂縫的進一步發生發展，在裂縫的兩部分混凝土中纖維起到了連接作用，大大減小了裂縫寬度。纖維的摻入，從整體上延緩了裂縫的擴展和延伸，使得破壞總時間變長，抗變形能力增加，在達到荷載峰值后，試塊破壞，混凝土試塊由最初的脆性破壞形態轉變為塑性破壞形態[14]。

2.5鋰渣聚丙烯纖維混凝土的強度比和拉壓比分析

強度比是指棱柱體(軸心)抗壓強度與立方體抗壓強度的比值，《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[15]中將混凝土立方體抗壓強度標準值換算成混凝土軸心抗壓強度標準值時，考慮到實際與試驗的差異、棱柱體(軸心)抗壓強度與立方體抗壓強度之比和混凝土的脆性折減3個主要因素。對于普通混凝土，規范[15]偏于安全考慮，強度比取0.76，即：

fc=0.76fcu，

(1)

其中：fc為混凝土軸心抗壓強度；fcu為混凝土立方體抗壓強度。

將立方體抗壓強度fcu(試驗值)代入式(1)得到軸心抗壓強度fc(計算值fc1)。

結合立方體抗壓強度(試驗值)和軸心抗壓強度(試驗值)，通過統計回歸，可以得出鋰渣聚丙烯纖維混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系為：

fc=0.82fcu。

(2)

為了驗證式(2)的準確性，將立方體抗壓強度fcu(試驗值)代入式(2)，得到軸心抗壓強度fc(計算值fc2)。本文將式(2)與式(1)所算得的軸心抗壓強度計算值與試驗值進行了對比，結果見表3。

表3　棱柱體(軸心)抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗值與計算值 　 MPa

注：聚丙烯纖維的4種摻量從小到大分別命名為P0、P1、P2和P3，鋰渣的4種取代率從小到大分別命名為L0、L1、L2和L3。如P3L2表示混凝土試塊的聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3，鋰渣取代率為20%。

由表3可知：式(2)計算值與試驗值的相對差值為10，式(1)的相對差值為17，式(2)的計算值更接近測試值，故推薦采用式(2)作為鋰渣聚丙烯纖維混凝土軸心與立方體抗壓強度之間的轉換公式。

拉壓比為劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比。根據普通強度混凝土和高強度混凝土的試驗資料，混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度存在如下的關系[16]：

(3)

其中：ft為混凝土劈裂抗拉強度。

將立方體抗壓強度fcu(試驗值)代入式(3)，得到劈裂抗拉強度計算值ft1,結果見表3。由表3可知：16組鋰渣聚丙烯纖維的劈裂抗拉強度計算值與試驗值接近，說明式(3)可較好地計算鋰渣聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強度。

3結論

(1)隨著聚丙烯纖維摻量的提高，抗壓強度、抗拉強度和抗折強度均呈上升趨勢，綜合考慮，認為纖維摻量為1.2 kg/m3為最優。

(2)隨著鋰渣取代率的提高，抗壓強度、抗拉強度和抗折強度均在鋰渣取代率為20%時達到最大值，但鋰渣取代率超過20%后，各強度會有所下降。

(3)根據強度比分析結果，運用擬合公式fc=0.82fcu，可較好地計算鋰渣聚丙烯纖維混凝土的軸心抗壓強度，但適用性有待進一步研究。

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基金項目：國家自然科學基金項目(51268055);新疆維吾爾自治區自然科學基金項目(2014211A006);國家級大學生創新實驗基金項目(201410755031)

作者簡介：李一(1993-),男,山東鄒城人,碩士生;張廣泰(1963-),男,通信作者,新疆烏魯木齊人,教授,碩士生導師,主要從事新型建筑材料和減震隔震等方面的研究.

收稿日期：2015-10-30

文章編號：1672-6871(2016)04-0060-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.013

中圖分類號：TU528.572

文獻標志碼：A