鋼纖維增強增韌煤矸石陶粒輕集料混凝土試驗研究

梁健+汪光鑫+朱志成

[摘 要]煤矸石陶粒和其他輕集料類似，由于密度小、強度低、內部空隙多的特點，導致配制出的混凝土的脆性比普通集料混凝土大，嚴重制約了煤矸石陶粒在建材領域中的推廣應用。為此，選用朝陽華龍科建股份有限公司生產的煤矸石陶粒作粗集料，鋼纖維作增強增韌材料，設計了5組不同鋼纖維摻量的混凝土試件，采用拉壓比作為脆性評價指標，通過試驗數據和試件破壞形態分析鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強增韌作用。研究結果表明：當鋼纖維摻量小于1.5%（體積分數）時，隨著鋼纖維摻量的增加，煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度都有不同程度的提高，脆性逐漸減小，顯著改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性，使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉變為具有一定塑性的破壞形態。

[關鍵詞]煤矸石陶粒；脆性；拉壓比；鋼纖維

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.10.229

煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生、共生的堅硬巖石，是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，包括巖巷及煤巷掘進中排除的矸石。隨著近年來我國煤炭產量的迅猛增長，采煤工藝技術及設備日新月異，煤矸石已成為我國排放量最大的固體廢棄物之一。去年我國煤炭產量約37億噸，其中煤矸石占當年煤炭產量的20%左右。至2012年全國累計堆有煤矸石山1500多座，約45億噸，占地1.3萬公頃以上，而且每年以1億～2億噸的速度遞增，每年形成新增占地400多公頃。[1]由于大量的煤矸石堆積，而且未能充分利用和處置，給生態環境帶來了沉重的負擔，同時也給人們的生活帶來了巨大的危害。當前，煤矸石在建筑材料領域的綜合利用，主要是替代黏土生產燒結磚、制作混凝土砌塊、生產水泥的摻合料等[2][3]，生產輕集料并不多見，并且其中大部分都是自燃燒結、破碎形成的自燃煤矸石。而自燃煤矸石的集料離散性較大，各項性能較普通集料相差過多，配制出的混凝土性能有限。

煤矸石陶粒密度小、比強高、保溫性、耐火性、耐久性、抗凍性較好，用其配制輕集料混凝土有利于建筑向高層、大跨度方向發展，應用前景廣泛。本文選用煤矸石陶粒替代普通石子配制輕集料混凝土，并用鋼纖維作增強增韌材料，通過試驗研究了鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強增韌作用及破壞形態的改變。

1 試驗內容

1.1 材料

膠凝材料采用遼寧工源水泥有限責任公司生產的P.S32.5R型普通礦渣硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；粗集料采用朝陽華龍科建股份有限公司生產的煤矸石陶粒，基本性能見表2；細集料采用普通中沙，細度模數2.6，堆積密度1349kg/m3，級配合格；減水劑采用北京德昌偉業建筑工程技術有限公司生產的DC—WR1型萘系高效減水劑，摻量為0.5%～1.0%（質量分數），減水率為12%～20%，在保持水泥用量和水灰比不變的情況下，可提高坍落度10cm以上；水用普通自來水；鋼纖維采用河北衡水前進工程橡塑有限公司生產的鋼板剪切型短鋼纖維，長度30～35mm，寬度1mm，抗拉強度400～600MPa。

1.2 基準配合比

按照《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ51—2002）的設計步驟，設計抗壓強度等級為LC30的煤矸石陶粒輕集料混凝土。由此得出本次試驗的初始配合比，通過多次試配調整得出實際基準配合比，見表3。

1.3 試驗步驟

由于本次試驗配制的是煤矸石陶粒輕集料混凝土，故其拌合、成型過程與普通集料混凝土不同，只能參考《輕集料混凝土技術規程》（JGJ51—2002）和《輕集料及其試驗方法》（GB/T17431.2—2010）進行。試驗過程中既要考慮煤矸石陶粒吸水性強的特點，又要考慮到振搗過程中可能出現的集料上浮現象。經過多次試拌，確定制作流程見圖1。

試件尺寸為100mm×100mm×100mm，試件成型24h后脫模、編號，然后放到裝滿飽和Ca（OH）2溶液的養護箱內養護至規定齡期后，按《輕集料混凝土實驗規程》（JTT-053-94）進行各項力學性能指標測試。

2 試驗結果與分析討論

2.1 試驗結果

采用表3中的基準配合比和圖1中的制作流程，調整鋼纖維摻量配制鋼纖維增強增韌煤矸石陶粒輕集料混凝土試件，成型養護至28d后分別測定抗壓強度、劈裂抗拉強度見表4。

煤矸石陶粒輕集料混凝土拉壓比與鋼纖維摻量的關系見圖2。

由此可得：不摻鋼纖維時，煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比相同強度等級下普通集料混凝土的脆性大（C30普通集料混凝土的拉壓比一般為0.105）；煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小，但鋼纖維摻量超過一定范圍時，增強增韌效果會變差，鋼纖維摻量以控制在1.5%左右為宜。

2.2 試件破壞形態分析

（1）抗壓破壞形態分析。由表4可得，當鋼纖維體積摻量在2.0%以下時，煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強度提高幅度不超過11%。但是，鋼纖維的摻入卻改變了煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓破壞的形態。圖3、圖4分別為鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓破壞照片。由圖3和圖4的對照比較可見，未摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后表面碎裂并脫落，試件外形破壞嚴重；而摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后裂而不散，表明其抗壓韌性有顯著提高。通過分析鋼纖維煤矸石陶粒輕集料混凝土裂縫發展的過程發現，由于裂縫首先出現在煤矸石陶粒內部，鋼纖維與裂縫平行，因此在裂紋穩定、緩慢發展階段，鋼纖維起不到增韌阻裂作用；當裂縫擴展至即將硬化的水泥砂漿基體時，跨越裂縫的鋼纖維開始起增韌阻裂作用，使裂縫擴展的速度減慢。當試件內裂縫體系開始變得不穩定，試件達到其所能承受的最大應力——混凝土極限強度（即抗壓強度）時，混凝土試件解體破壞，裂縫迅速擴展，宏觀裂縫隨之增大，而橫跨裂縫的鋼纖維則可以有效地阻止裂縫的發展，使試件韌性增加，最后，隨著宏觀裂縫的不斷增大，鋼纖維被逐漸拔出。由此可見，鋼纖維的增強增韌作用只有在試件受力達到抗壓強度之后，裂縫從煤矸石陶粒擴展到水泥砂漿基體之中時才得以發揮作用。這就是鋼纖維摻入后對煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓強度提高不大，而混凝土抗壓韌性卻有很大改善的根本原因。[4][5][6]

（2）劈裂抗拉破壞形態分析。由表4可知，當鋼纖維體積摻量從0%增至1.5%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強度由3.23MPa增大到5.76MPa，提高幅度非常顯著，拉壓比從0.0811增至0.1327；當鋼纖維體積摻量從1.5%增至2.0%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強度由5.76MPa降至5.63MPa，拉壓比從0.1327減小到0.1285。不摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達到劈裂抗拉強度時沿劈裂線劈成兩半，摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達到劈裂抗拉強度時雖出現裂紋，但試件形狀基本沒有被破壞。鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉破壞照片如圖5、圖6所示。

2.3 鋼纖維增強增韌機制分析

對于摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土而言，當其受到拉應力時，鋼纖維將在受拉區基體開裂后起到承擔拉應力并保持基體裂縫緩慢擴展的作用，從而使基體裂縫界面也保持著一定的殘余應力。隨著裂縫擴展，基體裂縫間殘余應力將逐步減小，而鋼纖維具有較大變形能力可繼續承擔截面上的拉應力，直到鋼纖維被拉斷或從基體中拔出，而這個過程是逐步發生的，這樣鋼纖維就起到了明顯的增韌減脆效果。因為鋼纖維使煤矸石陶粒輕集料混凝土在受力和破壞過程中做了更多的功，故有效地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性特征。另外，隨著鋼纖維摻量增加，鋼纖維所占百分比也就相應提高，鋼纖維間距減小，所以煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉強度得到不斷提高。但值得注意的是，當鋼纖維摻量過高時，劈裂抗拉強度和拉壓比反而減小，這可能是因為鋼纖維摻入過多導致纖維結團，從而影響了鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土的增強增韌作用。

3 結 論

（1）煤矸石陶粒和普通石子相比，具有密度小，吸水率高，孔隙多，強度低等明顯特點。正是由于這些差別，使得煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比普通集料混凝土更大。

（2）當鋼纖維摻量小于1.5%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小；當鋼纖維摻量大于1.5%時，增強增韌效果反而變差。鋼纖維作增強增韌材料摻入煤矸石陶粒輕集料混凝土時，摻量控制在1.5%左右為宜。

（3）在煤矸石陶粒輕集料混凝土中摻入一定量的鋼纖維，雖然對抗壓強度的貢獻不大，但對劈裂抗拉強度的提高非常明顯，并且極大地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性，使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉變為具有一定塑性的破壞形態。

參考文獻：

[1]劉迪.煤矸石的環境危害及綜合利用研究[J].氣象與環境學報，2006（3）：60-62.

[2]范錦忠.利用煤矸石生產節能型超輕陶粒[J].新型墻材，2006（8）：19-22.

[3]宋素莉，舒新前，李鋼，等.利用煤矸石制備輕質多孔材料的研究現狀與展望[J].礦產綜合利用，2008（2）：23-26.

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[5]秦鴻根.鋼纖維摻量和類型對混凝土性能的影響[J].建筑材料學報，2003，6（4）：363-368.

[6]沈榮熹，工璋水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京：化學工業出版社，2006.