鋼纖維尾礦砂混凝土基的力學性能試驗研究

李 育 昕

(廣州地鐵設計院，廣東 廣州 510000)

0 引言

鋼鐵冶煉行業作為我國國民經濟的重要基礎產業，其年產量逐年增加并在2018年突破9億t。鋼產量提升的同時，伴隨著每年采礦廢棄物超10億t的排放。鐵尾礦廢石長期以來被視為工業廢棄物并采用堆存的方式進行粗放式管理，這不僅占有土地，破壞生態環境，并嚴重威脅人民的財產和生命安全。為了能夠將工業廢棄物綠色使用，將鐵尾礦替代自然砂石制備混凝土，不僅可減少天然砂石的采掘，而且可消納廢棄工業垃圾，滿足我國建筑廢棄物的資源化、無害化和減量化的處理原則，符合我國資源節省、環境協調、經濟循環和可持續綠色發展的戰略需求。

近年來，國內外科研人員研究鐵尾礦替代天然細骨料制備混凝土的可行性。北京科技大學倪文教授等[2,3]開展鐵尾礦化學成分的測定、鐵尾礦機械活化制備水泥、鐵尾礦充當骨料制備全固廢混凝土及養護方式對其強度的影響等工作，試驗結果顯示鐵尾礦砂可用于建筑材料，能夠減少CO2的排放和節約天然砂石資源。沈陽工業大學鮑文博課題組[4,5]利用鐵尾礦為水泥基復合材料的細骨料制備高韌性水泥基復合材料，研究結果表明鐵尾礦水泥基復合材料的力學性能優異，韌性顯著增高，纖維與尾礦砂基體粘結牢固。文獻[6]～[8]從宏觀力學性能與微觀兩方面分析鐵礦砂對混凝土和砂漿力學性能和水化產物的影響，結果表明鐵礦砂滿足制備砂漿及混凝土的要求。

國內外[9-12]的相關研究表明將尾礦廢石充當混凝土骨料可實現綠色混凝土的途徑之一，并已制定GB 51032—2014鐵礦砂混凝土的技術規范，然而關于尾礦砂鋼纖維混凝土研究報道較少，本文采用鐵尾礦和鋼纖維制備一種綠色混凝土，探究尾礦替代率(20%，40%，50%，60%，80%，100%)和纖維摻量(0%，1%，1.5%，2%)對鋼纖維尾礦砂混凝土基本力學性能的影響，以實現工業廢棄物資源的循環再利用和豐富綠色混凝土制備。

1 實驗

1.1 原材料及其基本性能

水泥：采用比表面積334 m2/kg的陜西秦嶺P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.0 g/cm3，初凝時間110 min，終凝時間230 min，化學成分見表1。

粉煤灰：韓城大唐盛龍科技實業有限公司提供的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.35 g/cm3，化學組成見表1。

粗骨料：采用粒徑5 mm～20 mm的涇陽山碎石，表觀密度為2.78 g/cm3，堆積密度為1.65 g/cm3。

天然砂：灞河中砂，細度模數為2.74，含泥量為0.3%，表觀密度為2.59 g/cm3，堆積密度為1.53 g/cm3。

尾礦砂：采用陜西韓城市平海礦業有限公司提供的尾礦砂，細度模數約為1.3，平均粒徑為0.315 mm～0.15 mm，化學成分見表1，其中SiO2含量約70%，屬于高硅型鐵尾礦。鐵尾礦的主要礦物有云母、石英和角閃石。

表1 原料的化學成分 %

鋼纖維：采用蘇州龍宇鋼纖維有限公司生產的鋼纖維，長30 mm，直徑0.5 mm，長徑比為60，抗拉強度大于380 MPa。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，固含量為40%，減水率為30%，堿含量為6.5%，氯離子含量為0.18%。

拌合水：采用實驗室自來水。

1.2 試塊成型和養護

本次試驗按照GB/T 50107—2010混凝土強度檢驗評定標準中材料制備的相關規定制備鋼纖維混凝土，配合比見表2。首先將水泥、粉煤灰和骨料(粗骨料和細骨料)干拌2 min，隨后加水攪拌3 min，再加已備好的減水劑并攪拌5 min，此時混凝土漿體具備良好地黏聚性和流動性，最后將鋼纖維加入并攪拌5 min。鋼纖維混凝土漿料分兩層制備立方體試塊(150×150×150)和梁(400×100×100)試塊，每次振搗1 min，試件完成澆筑后做標記并蓋上塑料薄膜以防止水分揮發。24 h拆模，放入濕度90%以上，溫度(20±3) ℃的養護室標準養護到試驗天數后取出并晾干，每組建筑試塊3個。

表2 制備方案

1.3 實驗方法

尾礦砂和天然砂按比例混合后細度模數的測定依據JGJ 52—92的規定；抗壓和劈裂試驗參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的相關規定，加載速度為0.4 MPa/s～0.5 MPa/s；抗彎試驗采用JAW-500K型號的電液伺服結構試驗機加載，加載示意圖見圖1，加載速度0.05 mm/min。

2 結果與討論

2.1 混合細骨料顆粒級配和鋼纖維尾礦砂混凝土和易性

本次試驗依據JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準中的相關規定，選取細度模數為2.8的天然石英砂和細度模數為1.1的尾礦砂制備混合細骨料，各替代率下混合細骨料的顆粒級配曲線見圖2a)。依據混合細骨料級配曲線知，兩條粗黑線曲線之間為2區級配的砂，當篩分結果曲線圖中左上偏時表示砂的粒徑較細。由圖知：

1)尾礦砂替代率為80%和100%時，混合細骨料的細度模數會下降，屬于細砂；

2)尾礦砂替代率60%和40%時，粒徑0.315 mm以下的累計篩余結果較大，說明混合細骨料的細度模數偏小，制備時應該適當的降低砂率；

3)尾礦砂替代率20%和0%時，混合細骨料的級配曲線分布在級配2區，是制備鋼纖維尾礦砂混凝土時的最佳比例。

圖2b)為本次試驗測得的鋼纖維混凝土坍落度曲線。研究表明未摻鋼纖維的尾礦砂混凝土的坍落度值介于184 mm～223 mm，純尾礦砂組較純天然砂組降低13%；鋼纖維的摻入使得尾礦砂混凝土流動時的阻力增大，因此坍落度值降低，當鋼纖維摻量為1%，1.5%和2%時的坍落度較純天然砂組降低12.4%，15.31%和17.34%。結果表明：

1)尾礦砂混凝土的坍落度因鐵尾礦的比表面積大，吸水率高等原因使得基體的和易性隨替代率的增加而降低，但尾礦砂的替代率為0%～60%時，材料的工作性滿足混凝土的制備要求。

2)鋼纖維的摻入使得尾礦砂混凝土的坍落度值降低，試驗測得坍落度值最小為153 mm，滿足施工要求。基體中鋼纖維摻量越多，尾礦砂混凝土流動時阻礙越明顯，因此基體的流動性越差。

3)不同纖維摻量坍落度曲線在尾礦砂替代率為40%～60%時近乎平行，因此此區間替代率對混凝土和易性影響最小。

2.2 鋼纖維尾礦混凝土的力學性能

未摻鋼纖維的尾礦砂混凝土的破壞規律基本相同，隨著荷載逐漸增大并達到極限荷載，裂縫迅速出現并擴展，當裂縫貫通時混凝土表面發生剝落和掉渣，最終導致尾礦砂混凝土的碎裂狀破壞狀態，其具有典型的脆性破壞特征。鋼纖維的摻入明顯改善尾礦砂混凝土的破壞形態，當荷載約為0.7倍極限荷載時，鋼纖維尾礦砂混凝土試件側面呈現輕微鼓脹和出現多條微裂縫，當荷載達到極限荷載時，試件發生破壞但并未發生嚴重碎片脫落現象，其破壞具有塑性破壞的特征。圖3a)為混凝土的抗壓強度隨鋼纖維摻量、尾礦砂替代率的強度變化曲線。結果表明鋼纖維摻量為1%～2%時，不同尾礦砂替代率混凝土的抗壓強度較對照組降低率為3.3%～18.3%。產生這種現象的原因是因為：鋼纖維的摻入影響水泥水化物與骨料的粘結效果；鋼纖維在基體中的搭接、交叉等現象使得其不能較好的與水泥漿體粘結并共同承擔外力；鋼纖維在尾礦砂混凝土中雜亂分布降低尾礦砂混凝土的密實度，并且隨纖維摻量的增大而變化顯著。

圖3b)和圖3c)為混凝土劈裂性能和抗彎性能隨鋼纖維摻量、尾礦砂替代率的強度變化曲線。由圖知當尾礦砂替代率為0%～60%時，鋼纖維尾礦砂混凝土具有良好的抗裂與抗彎性能。由試驗結果知：鋼纖維摻量為1%時，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能較素混凝土分別提高6%～12.5%和21.5%～37%；鋼纖維摻量為1.5%時，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能較素混凝土分別提高15%～18%和74%～76%；鋼纖維摻量為2%時，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能能較素混凝土分別提高34.5%～44.6%和100%。結果表明:鋼纖維的摻入增強尾礦砂混凝土破壞后的整體性，限制荷載作用下裂縫的擴展，提高基體的抗劈裂性能和抗彎性能；尾礦砂替代率約為40%～60%時，鋼纖維尾礦砂混凝土呈現良好的抗劈裂性能和抗彎性能。

2.3 鋼纖維尾礦混凝土的增強機理

根據纖維間距理論，鋼纖維從三個方面強化尾礦砂混凝土的抗彎性能和抗劈裂性能：鋼纖維的前期的阻裂效應主要體現在尾礦砂混凝土硬化時的水化收縮和減輕尾礦砂混凝土在加載初期原生裂縫的擴展，減少基體在彈性階段裂縫的數量，見圖4a)；隨著荷載的增大，尾礦砂混凝土內的裂縫逐漸增大并在其附近產生新的微裂縫，如圖4b)所示，此時，鋼纖維較大的剛度和良好的延伸率可分擔外部荷載，減弱外部荷載對尾礦砂混凝土基體的破壞；隨荷載的繼續增大及至極限值時，尾礦砂混凝土的抗拉強度及基體與鋼纖維的粘結界面難以抵抗外載對其產生的拉應力，進而使得當纖維被從基體中拔掉，最終導致試件變形加劇直至破壞，鋼纖維尾礦砂混凝土此階段的破壞形式及裂縫開展裝填如圖4c)所示。由于鋼纖維較高的剛度、良好的延伸率及其與水泥水化產物良好的粘結作用使得尾礦砂混凝土在荷載作用下延長縫隙向裂縫的擴展時間和增大基體的變形，增強基體的韌性并使其呈現延性破壞特征。

3 結論

1)尾礦砂和天然砂按一定比例混合形成混合骨料的顆粒級配和細度模數滿足混凝土的制備要求，且有變廢為寶和保護自然的作用。

2)尾礦砂的替代率為0%～60%時，尾礦砂摻量對混凝土的物理力學性能的影響并不顯著。鑒于尾礦砂的有效使用和混凝土的流動性及基本力學性能，建議尾礦砂的替代率為40%～60%。

3)鋼纖維在尾礦砂混凝土基體中雜亂分布改善基體的破壞形態，增強基體的韌性和抑制其裂縫的擴展，建議鋼纖維的體積摻量為1.5%。