摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土力學性能試驗與分析

蔣中友 孫金坤 李曉明 馬雙獅 曾 倩

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產

摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土力學性能試驗與分析

蔣中友1孫金坤2李曉明2馬雙獅1曾 倩2

（1.西華大學土木建筑與環境學院，四川 成都 610039；2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000）

通過不同體積摻量玄武巖纖維（0.2%、0.4%和0.6%）的摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土和普通高鈦重礦渣的抗壓、劈裂抗拉和抗折來分析玄武巖纖維的不同體積摻量對摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土力學性能的影響。結果表明，玄武巖纖維可顯著改善試件劈裂抗拉性能和抗折性能，對抗壓性能影響不大。抗壓強度和抗折強度隨玄武巖纖維摻量的增加呈先增加后降低趨勢，纖維摻量為0.4%時達到最大值，28d強度較基準混凝土分別增長了14.26%和28.89%，而劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維摻量的增加而持續增加，纖維摻量為0.6%時，28d強度較基準混凝土增長了39.24%。該種纖維混凝土可解決混凝土開裂的施工問題。

玄武巖纖維；高鈦重礦渣；混凝土；力學性能

0 引言

高鈦重礦渣是攀鋼集團冶煉釩鈦磁鐵礦而形成的一種疏松多孔廢渣，其具有含鈦量高，強度高和化學穩定性好等特點[1,2]。近年來，隨著國家對工業固態廢棄物資源化利用的重視，一些學者提出以高鈦重礦渣代替天然砂石作為粗、細骨料用于混凝土材料來實現高鈦重礦渣綜合資源化利用[3]。國內外對高鈦重礦渣的應用研究范圍較廣，如孫金坤[4]等就高鈦重礦渣為粗、細骨料進行路面混凝土配合比優化研究，試驗結果表明水膠比可以決定道路混凝土的抗彎拉性能；孫金坤和劉靜[5]等就高鈦重礦渣代替粘土作為墻體材料進行試驗研究，研究發現利用高鈦重礦渣制作的混凝土空心砌塊的物理性能滿足規范要求。但高鈦重礦渣混凝土也具有脆性大，抗拉強度低等缺點，而玄武巖纖維對混凝土可以起增強作用，可以明顯改善混凝土的劈裂抗拉和抗折性能[6-8]{周浩, 2019 #141;周強, 2019 #140}，玄武巖纖維應用于普通混凝土的研究已經比較廣泛，但將其應用于高鈦重礦渣混凝土的研究還比較少。本文通過在高鈦重礦渣混凝土摻入0、0.2%、0.4%和0.6% 4種不同摻量的玄武巖纖維，采用正交試驗制備一種新型摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土，并對其進行力學性能試驗，分析不同摻量的玄武巖纖維對摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土力學性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗所用主要材料為：

（1）粗骨料：采用粒徑為5mm-20mm的連續級配的高鈦重礦渣碎石；

（2）細骨料：采用細度模數為3.2的高鈦重礦渣砂；

（3）水泥：攀枝花本地生產的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥；

（4）玄武巖纖維：采用上海某有限公司生產的18mm短切玄武巖纖維；

（5）外加劑及其他礦物摻合料：

①減水劑：采用陜西秦奮建材有限公司生產的Q8081-均衡性-液體聚羧酸系高性能減水劑，摻量為0.3%；②粉煤灰：攀枝花環業公司采用Ⅰ級粉煤灰；③硅灰：采用四川朗天資源綜合利用公司生產的SLT92U硅灰；

（6）水：攀枝花市的實驗室清潔自來水。

1.2 配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規范》（JGJ 55-2011）進行試驗基準配合比設計，水膠比為0.32，砂率設計為35%，基準混凝土的具體配合比見表1。

表1 基準混凝土配合比

2 試驗方案

本次試驗根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）[9]的相關要求，使用CSS-WAW1000 電液伺服萬能試驗機進行抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度試驗。試驗中抗壓強度試驗采用邊長為100mm的非標準立方體試件、劈裂抗拉試驗采用邊長為150mm的標準立方體試件和抗折試驗采用的是100mm×100mm×400mm的非標準立方體試件。每組3個試件，混凝土立方體抗壓強度值為其實測值的算術平均值，并考慮尺寸效應，將抗壓強度和抗折強度所測值分別乘上換算系數0.95和0.85。

2.1 混凝土抗壓強度試驗

摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土立方體試件的7d、14d和28d抗壓強度可按式1計算，其計算結果如表2所示。

表2 摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗壓強度結果表

由表2可知，相較于基準混凝土，當纖維摻量不大于0.4%，隨著玄武巖纖維摻量的增加，摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗壓強度和受壓破壞荷載也隨之增加，但當摻量大于0.4%時，試件抗壓強度呈下降趨勢，整體增長比較均勻。當纖維摻量為0.4%時，試件28d抗壓強度達到最大值69.9MPa，28d受壓破壞荷載達到746.8kN，分別較基準混凝土提高了14.26%和14.15%。

2.2 混凝土抗折強度試驗

摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土立方體試件的7d、14d和28d抗折強度可按式2計算，計算結果如表3所示。

表3 摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗折強度結果表

由表3可知，相較于基準混凝土，摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加而持續增加，整體增長趨勢比較均勻。當纖維摻量為0.6%時，試件28d劈裂抗拉強度和28d劈裂受拉荷載均達到最大值，分別為4.79MPa和171.2kN，分別較基準混凝土提高了39.24%和37.29%。

2.3 混凝土抗折強度試驗

摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土棱柱體試件的7d、14d和28d抗折強度可按式3計算，計算結果如表4所示。

表4 摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗折強度結果表

由表4可知，相較于基準混凝土，摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加而增加，纖維摻量在0-0.2%內時，試件抗折強度增長速率較快；纖維摻量在0.2%-0.4%時，試件抗折強度基本無變化；纖維摻量在0.4%-0.6%時，試件抗折強度呈下降趨勢。當纖維摻量為0.4%，試件28d抗折強度和28d受彎拉破壞荷載達到最大值，分別為7.63MPa和31.9kN，較基準混凝土分別提高了28.89%和31.82%。

據此可知，當玄武巖摻量不大于0.4%時，混凝土抗壓強度和抗折強度與摻量呈增長趨勢；當玄武巖摻量大于0.4%時，混凝土抗壓強度和抗折強度與摻量卻呈下降趨勢，這可能是因為玄武巖纖維摻量過多，導致其結團成塊，在混凝土中不均勻，內部出現空隙，形成應力集中點，從而造成強度有所降低。而混凝土劈裂抗拉強度與玄武巖摻量始終呈增長趨勢，這可能是因為混凝土破壞后，后續的抗力完全是由玄武巖纖維間的橋接作用提供。

3 結論

1）玄武巖纖維可以改善摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土的力學性能，對抗壓性能的影響較小，但對劈裂抗拉和抗折性能的影響比較顯著。

2）玄武巖纖維的加入，明顯增強了試件的抗折性能和劈裂抗拉性能，從而可以有效抑制混凝土的開裂。

3）摻玄武巖纖維高強高鈦重礦渣混凝土較傳統高鈦重礦渣的強度等級高，達到C60級強度等級，可以應用于其他需高強度等級的工程領域，為高鈦重礦渣的綜合利用提供一種新方法。

[1] 孫金坤. 全高鈦重礦渣混凝土應用基礎研究[D].重慶大學,2006.

[2] 楊賀, 梁賀之, 迭健, 等.高鈦重礦渣纖維混凝土力學性能試驗研究 [J].鋼鐵釩鈦,2020, 41 (02): 69-74.

[3] 徐春生, 婁元濤, 鄧敏, 等.高鈦重礦渣混凝土的力學性能與自生體積變形[J].混凝土,2015 (01): 111-114.

[4] 孫金坤, 黃雙華, 念紅芬, 等.復高鈦重礦渣路面混凝土配合比優化設計試驗研究 [J].混凝土,2011 (08): 135-137.

[5] 孫金坤, 劉靜, 馬海萍, 等.高品質高鈦重礦渣空心砌塊的制備及性能試驗研究 [J].建筑技術,2016, 47 (09): 836-839.

[6] 周浩, 賈彬, 黃輝, 等.玄武巖纖維混凝土抗壓和抗折力學性能試驗研究[J].工業建筑,2019, 49 (08): 147-152.

[7] 周強.玄武巖纖維增強混凝土力學性能試驗研究[J].路基工程,2019（04）:121-124.

[8] 李德超,趙晨曦.玄武巖纖維混凝土基本力學性能研究[J].公路,2020,65（06）：237-241.

[9] GB/T 50081-2019.混凝土物理力學性能試驗方法標準[S].中國建筑工業出版社,2019.

蔣中友（1995- ），男，四川省資陽市，漢族，學歷：碩士研究生，單位：西華大學土木建筑與環境學院，研究方向：建筑材料。

孫金坤（1975- ），男，云南省江川縣，漢族，學歷：碩士研究生，職稱：教授，單位：攀枝花學院土木建筑與工程學院，研究方向：土木與建筑工程結構。

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