摻鋼渣粉超高韌性水泥基材料拉伸性能研究

蘇 駿， 肖 沭

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

中國鋼鐵工業經過多年的快速發展，產能急劇擴張。據統計，2016年我國粗鋼產量約8億t，鋼渣排放量接近1億t[1]。與此同時，產生的大量鋼渣既是一個重要的資源利用問題，又是一個嚴重的環境污染問題。由于鋼渣自身性能、鋼渣處理技術和國內外市場觀念等因素影響，鋼渣資源化利用的推廣效果不理想，目前綜合利用率約為30%[2]。鋼渣的堆存對周邊環境會產生嚴重污染甚至造成安全問題，鋼渣中含有鋅、鉻、鎘等重金屬元素，在雨水作用下很容易進入土壤、破壞植被結構、污染地下水源[3]。如何有效處理鋼渣的廢棄問題，一直是我國鋼鐵企業急需解決的難題之一。

超高韌性水泥基復合材料(Ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)是利用微觀力學和斷裂力學原理進行調控、設計而得到的新型水泥基復合材料[4,5]，在荷載作用下，具有明顯的應變硬化特點，極限拉應變能達到3%以上，并且能有效控制裂縫寬度在100 μm以內，克服了普通混凝土韌性差、脆性特征明顯、裂縫寬度難以控制的缺點[6-8]。國外也有不少學者將其稱為應變硬化水泥基復合材料(Strain-hardening Cement-based Composite,SHCC)[9,10]。超高韌性水泥基復合材料通常采用粉煤灰、砂、水泥、硅灰等為基體材料，以纖維作為增強材料，并輔以外添劑，實現其超高韌性。近年來，有大量研究者采用偏高嶺土、礦料等作為超高韌性水泥基復合材料的輔助膠凝材料，同樣設計出各項性能優良的復合材料[11-14]。研究者發現水泥與鋼渣粉具有相似的化學組成，具有潛在的水化活性，可以作為摻入料摻入水泥中。將鋼渣粉摻入水泥基體中，不僅可以切實提高鋼渣利用率，還可以大幅度減少環境污染。本文從環境友好的角度出發，選用鋼渣粉作為輔助膠凝材料設計制備超高韌性水泥基復合材料，以實現鋼渣的高效性利用。

1 試驗概況

本試驗采用控制變量的方法，采用經典UHTCC試件配合比，制備不同摻量鋼渣粉的超高韌性水泥基復合材料試件，水膠比選用0.25和0.35，鋼渣粉摻量為0、20%、40%、60%、80% ，試驗具體配比見表1。通過立方體抗壓試驗和直接拉伸試驗探究摻鋼渣粉聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料基本力學性能和裂縫控制能力，并以此給出摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基復合材料各項性能較優的配合比。

表1 摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基復合材料配合比

1.1 原材料及試件設計

試驗原材料采用華新普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)、精細石英砂(80目～120目)、鋼渣粉、挪威埃肯硅粉、自來水、聚羧酸高效減水劑和PVA纖維。試驗采用的纖維各項性能指標如表2所示。水泥和鋼渣粉主要化學組分如表3所示，從表中看出鋼渣粉和水泥主要化學組成相似，但CaO含量較低且Fe2O3、Al2O3含量較高，因此鋼渣早期反應活性較低，通常將其當作輔助膠凝材料使用。

表2 PVA纖維物理性能指標

表3 主要化學組分 %

試件制作時采用行星式水泥攪拌機,先將鋼渣粉、水泥、石英砂倒入攪拌鍋中低速干拌1 min，使材料充分混合均勻，再將稱量好的水和減水劑在桶中預先混合均勻，然后沿著攪拌鍋緩慢加入(1 min內完成)，最后均勻加入纖維(1 min內完成)。纖維全部加入后，先低速攪拌2 min，再高速攪拌3 min，待混合物流動性達到要求后，將攪拌成功的混合物倒入模具成型，在溫度為20±5 ℃的環境中靜置24 h后拆模。拆模后的試件放入標準養護室(溫度為20±2℃，相對濕度在95%以上)中養護28 d后，再進行相應試驗。

立方體抗壓試驗，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每組制作試樣3個；拉伸試驗采用啞鈴型試件如圖1所示，每組配合比成型6個試件。

圖 1 拉伸試驗加載裝置

1.2 試驗方法

本文采用的試驗方法主要有直接拉伸試驗和立方體抗壓強度試驗，試件養護齡期均為28 d。采用WAY-2000電液壓式壓力試驗機測試立方體抗壓強度。直接拉伸試驗在MTS30KN電子萬能試驗機上進行，如圖1所示，采用勻速位移加載控制，位移率為0.2 mm/min，用兩個LVDT測量拉伸長度變化，測量范圍為80 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 立方體抗壓強度試驗分析

從表4和圖2可以看出，相同鋼渣粉摻量下，水膠比為0.25的組別比水膠比0.35的組別抗壓強度分別增加了36.89%、54.70%、61.06%、92.05%、69.53% ,說明水膠比是影響纖維增強水泥基復合材料抗壓強度的重要因素。

表4 摻鋼渣粉纖維增強水泥基復合材料抗壓強度

圖 2 立方體抗壓強度與鋼渣粉摻量關系曲線

由圖2可以發現，在相同的水膠比下，隨著鋼渣粉摻量的增加纖維增強水泥基復合材料抗壓強度呈現下降趨勢。雖然低摻量的鋼渣粉的摻入會改善復合材料的密實程度，在一定程度上可以使復合材料抗壓強度得到提升，但由于其本身水化活性較低，當鋼渣粉含量過高時，水化反應會被減慢，最終導致水泥基復合材料早期(28 d)強度降低。在鋼渣粉摻量達到80%時，兩組水膠比的試件抗壓強度均低于20 MPa,對比于基準組，水膠比為0.25的體系，立方體抗壓強度從78.72 MPa降低到12.46 MPa，降幅達到84.17%；水膠比為0.35的體系，立方體抗壓強度從57.51 MP，降低到7.35 MPa，降幅達到87.21%，這說明大摻量鋼渣粉的引入會使得水泥基復合材料的早期抗壓強度降低，從試驗結果看，水膠比為0.25、鋼渣粉摻量為20%時，纖維增強水泥基復合材料立方體抗壓強度達到最高為87.30 MPa，當鋼渣粉摻量不高于60%時，兩組水膠比體系下的水泥基復合材料強度仍能滿足一般工程對抗壓強度為30 MPa的需求，因此應用于工程實際時，建議鋼渣粉摻量不宜超過膠凝材料總質量的60%。

2.2 直接拉伸試驗分析

圖3為各組試件典型的拉伸應力應變曲線，可簡化為三個階段描述(圖4)。

圖 3 各組試件的典型拉伸應力應變曲線

圖 4 應力應變關系三階段示意圖

第一階段:彈性階段,從試件開始加載到試件出現第一條裂縫的直線段(約為極限應力點的65%～85%)，此階段試件的變形主要是彈性變形，應力應變曲線在此階段近似為直線，試件所受荷載主要有水泥基體承載，纖維不參與工作。

第二階段:多裂縫發展階段,此階段為從第一條裂縫產生到峰值點的曲線段。由于PVA纖維的作用，隨著應力的增加試件表面會不斷產生多條細微裂縫，直到峰值時，裂縫條數達到最多，試件表現出明顯的應變硬化特征。此時應變的增加主要得力于纖維的阻裂作用，試件所受荷載主要用來拔斷或者拔出纖維，試驗過程中會聽到纖維被拔出或拔斷的“霹靂霹靂”的聲音。

第三階段:軟化階段,此階段為峰值點之后的曲線下降段。這一階段隨著荷載的增加裂縫會逐漸擴大，在試件測距內會逐漸形成一條主裂縫，直至貫穿整個試件，此時試件破壞。試件破壞過程中應力逐漸下降，部分細微裂縫會慢慢閉合，表現出延性破壞的特點。

表5為各組試件平均開裂應力、極限拉應力、開裂應變和極限拉應變的試驗結果。從表中可以看出，同樣水膠比條件下，隨著鋼渣粉摻量的增加，試件初始開裂應力逐漸下降，這主要是因為基體開裂之前，纖維是不參與工作的，即試件的初始開裂應力只與基體強度有關，而相較于水泥，鋼渣粉的活性較低，對早期的水化反應有一定的延緩作用，隨著膠凝材料中鋼渣粉含量的提高，水泥的水化反應會減慢或反應不充分，使得水泥基體強度降低。

表5 摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基復合材料的抗拉強度

同時可以看出無論是水膠比為0.25，還是水膠比為0.35的體系，摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基材料的極限拉伸應變隨著鋼渣粉摻量的增加逐漸變大。其中水膠比為0.25、鋼渣粉摻量為80%的試件極限拉伸應變能達到5%，相對于基準組(M25SS0)的極限拉伸應變增加了8倍左右；水膠比為0.35、鋼渣粉摻量為60%的試件極限拉伸應變能達到3.6%，相對于基準組(M35SS0)的極限拉伸應變增加近16倍，均表現出極佳的拉伸性能。

摻入鋼渣粉后，水泥基復合材料的抗拉性能得到了明顯的提升，隨著鋼渣粉含量的提高，試件逐漸呈現多裂縫開裂模式，并且裂縫較為細密。從圖中可以看出，60%和80%鋼渣粉摻量的試件應力應變曲線表現出更加明顯的應變硬化現象，鋼渣粉摻量的增加，可以減少膠凝材料水化后的孔隙率，使基體材料更加均勻，提高了水泥基復合材料的密實度，避免了由于基體內部材料的不均勻導致試件破壞。同時大量密實的鋼渣粉改善了纖維與基體之間的接觸面，增加了纖維與基體之間的摩擦力，使得亂向分布于基體內部的纖維承擔更大的荷載比例，從而給材料提供了更高的韌性。因此大量摻入鋼渣粉有利于提高PVA纖維水泥基復合材料的韌性。

3 主要結論

1)利用鋼渣粉制備超高韌性水泥基復合材料是合理可行的，水膠比為0.25的組別比水膠比0.35的組別抗壓強度分別增加了36.89%、54.70%、61.06%、92.05%、69.53%，水膠比和鋼渣粉摻量是影響摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基復合材料強度的重要因素。

2)大摻量鋼渣粉的引入在早期會明顯降低超高韌性水泥基復合材料的抗壓強度，但兩組水膠比體系下，當鋼渣粉摻量不超過60%時，摻鋼渣粉PVA纖維增強水泥基復合材料能夠滿足實際工程對抗壓強度的要求。

(3)大摻量鋼渣粉的超高韌性水泥基復合材料拉伸性能得到較大提高，其中水膠比為0.25的體系極限應變分別為0.552%、0.655 %、0.854%、1.913%、5%,鋼渣粉摻量為80%時，極限拉伸應變較基準組增加了805.80%；水膠比為0.35的體系極限應變分別為0.206、0.549%、1.545%、3.6%、2.405%，鋼渣粉摻量為60%時，極限拉伸應變較基準組增加了1647.57%。