玻璃纖維磷尾礦混凝土配合比設計及力學性能試驗

卜娜蕊 BU Na-rui；劉睿 LIU Rui；白潤山 BAI Run-shan

（①河北建筑工程學院，張家口 075000；②河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，張家口 075000）

0 引言

在現代建筑工程領域中，混凝土是一種應用廣泛的材料，它具有較高的強度和耐久性。然而，在某些情況下，傳統的混凝土結構往往無法滿足一些特殊的要求，例如在地震、爆炸或大型機械作用下需要更高的抗震性能和韌性。因此，人們對于開發出具有更高強度和耐久性的混凝土產生了濃厚興趣。現在我國砂子資源相對短缺，磷尾礦砂中有大量可用于制備建筑材料的有用礦物，使其可用來部分代替砂材料，從而生產出高性能環保的混凝土材料，進而其發揮出更好的力學性能，同時也大大地提高經濟效益，這樣不僅可以緩解砂子資源短缺造成的不利影響，而且也減少了磷尾礦排放堆積所造成的各種問題。將玻璃纖維摻入混凝土能夠更好地提高混凝土的力學性能和耐久性能，使其更加結實耐用，具有廣泛的使用價值。目前對于同時摻入磷尾礦、玻璃纖維的混凝土材料的力學性能的研究文獻還相對較少，本文將磷尾礦砂按照一定的取代率充當細骨料，一方面解決因大量開發導致磷尾礦堆積而對自然環境造成的破壞問題，另一方面也為纖維增強混凝土材料的綠色環保角度提供參考。

1 玻璃纖維磷尾礦混凝土概述

混凝土材料因為它的制作工藝簡便、防火性好、可塑性好使其成為建筑中被廣泛使用的材料之一，而運用在實際工程建設中，混凝土容易開裂、脆性較大、抗拉強度低等劣性很容易地表現出來，從而使得在遇到偶然工況時建筑物抵抗能力不足，混凝土往往因為抗拉強度較低在發生脆性破壞時裂縫會不斷地向內部發展，從而對結構安全造成嚴重影響，而它的耐久性也會時常受到外界環境因素影響。在磷尾礦混凝土材料中加入玻璃纖維和磷尾礦后，材料的結構可靠性較普通混凝土更優。

玻璃纖維磷尾礦混凝土是一種新型的復合材料，是通過在混凝土中添加玻璃纖維和磷尾礦材料來增強其力學性能，它們與水泥形成有效的協同作用，該材料具有出色的抗裂性能且強度高。相比傳統混凝土，在抗拉、抗彎、抗沖擊等方面表現出更好的力學性能。

該材料的特點包含：①韌性好。通過添加玻璃纖維材料，使得混凝土在受力時能夠克服裂縫擴展的傾向，從而提高了結構的耐久性和延展性。②抗裂性好。由于添加了玻璃纖維材料，在混凝土內部形成了網狀結構，從而有效地阻止了裂縫的擴展。即使在受到大幅度載荷時，混凝土材料也能夠保持較小的裂縫寬度。③強度高。添加磷尾礦和玻璃纖維材料不僅提高了混凝土的韌性，還增加了其整體強度。與傳統混凝土相比，具有更高的抗壓和抗彎強度，能夠承受更大的荷載。

1.1 磷尾礦概況及利用現狀

磷礦是指在經濟上能夠被人們所利用的全部磷酸鹽類礦物的總和，它是一種對人類十分重要的化工礦物原料。磷礦在工業上已經有一百多年的應用歷史[1]，它主要被用于制備各種磷肥、飼料添加劑、洗滌劑等，除此以外還被應用于化工、輕工、國防等領域。全球磷礦石資源總量約為五百億噸，中國的儲量占百分之十七，然而我國磷礦石資源“豐而不富”，磷礦石平均品位（五氧化二磷的含量）僅為百分之二十三，而摩洛哥、美國以及一些非洲國家的磷礦品位一般都在百分之三十以上[2]。另一方面，磷礦石作為一種不可再生的礦產資源，在經歷長時間的大規模開采之后，磷礦資源呈現出逐漸枯竭的跡象且品位也逐漸降低。為了應對磷礦資源的短缺和磷礦品位的不斷下降的現狀，人們開始積極探索中低品位磷礦的開發利用。由于磷礦的大量開采，也導致磷尾礦的大量產生，大量的磷尾礦建庫堆放帶來一系列的問題，主要表現在：占用大量土地、存在安全隱患、尾礦庫建設和維護費用高[3]等。

發達國家對磷尾礦提出了創建無尾礦山的目標（無尾礦山是指少廢、甚至無廢），改進選礦工藝并拓寬磷尾礦的應用范圍，對尾礦的利用率甚至可以達到百分之六十到八十，利用磷尾礦中的某些有用的成分來制備一些高附加值產品，例如：功能陶瓷、復合陶瓷、鑄石等。或者將尾礦整體加以利用，如用作微晶玻璃原料、尾礦磚、混凝土骨料、筑路回填料等。我國對利用磷尾礦制備建筑材料的綜合研究與利用，主要用于熔制型尾礦建材、燒結型尾礦建材[4]、水合型尾礦建材[5]、膠結型尾礦建材[6]等。磷尾礦因為其技術水平不高、經濟效益低從而難以實際運用，使得其長年堆積，不僅長期占有土地資源，又對環境造成了一系列污染。而磷尾礦中有大量可用于制備建筑材料的有用礦物，它們可以被應用在建筑材料領域，這樣既可以滿足國家不斷提高的節能減排的需要，也可以更好地實現資源化利用。

1.2 玻璃纖維及其作用

玻璃纖維是以葉臘石、石英砂、石灰石、白云石、硼鈣石、硼鎂石六種礦石為原料經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個微米到二十幾個微米，相當于一根頭發絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數百根甚至上千根單絲組成。其主要優點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高，但缺點是性脆，耐磨性較差，是一種種類繁多、性能優異的無機非金屬材料。

玻璃纖維比有機纖維耐溫高，不燃，抗腐，隔熱、隔音性好，抗拉強度高，電絕緣性好，在建筑領域、交通運輸領域、電子領域有著廣泛的運用。

在混凝土中加入玻璃纖維后，纖維以亂向分布的形式存在于混凝土基體中，玻璃纖維在混凝土中形成一個網狀結構，增加混凝土的連通性和緊密度，同時增加混凝土的承載能力和抗剪性，這種增強作用能夠抵抗混凝土的變形，使其更加結實和耐久，從而大大增強材料的延性，使得混凝土在遇到力學作用時，體現出高延性、應變硬化能力強等特性，從而使材料的結構可靠性和耐久性較普通混凝土更強。

2 玻璃纖維磷尾礦混凝土試驗原材料選擇

2.1 磷尾礦

本試驗所用磷尾礦是來自湖北省襄陽保康縣楚磷礦貿有限公司的反浮選磷尾礦（以下簡稱磷尾礦），磷尾礦的主要化學成份、粒徑分布、放射性檢測分別如表1、表2、表3所示。見圖1。

表1 磷尾礦主要化學成份

表2 磷尾礦粒徑分布（%）

表3 磷尾礦放射性檢測

圖1 磷尾礦砂

從表1-表3中可知，該磷尾礦的主要物相為石英、磷灰石和白云石，且具有火山灰活性的石英相的含量很低，所以該磷尾礦幾乎沒有活性，粒徑分布與混凝土用中粗砂相近，且其放射性達標故不用擔心利用磷尾礦作為原材料制備混凝土會導致放射性超標而引發人體疾病，可直接使用作為混凝土惰性集料。

2.2 玻璃纖維

本試驗玻璃纖維采用長沙檸祥建材有限公司的玻璃纖維，均勻混合，易分散，無并絲，安全無毒，物理性能見表4，見圖2。

表4 玻璃纖維物理性能

圖2 玻璃纖維

2.3 水泥

本試驗采用的水泥為江西省樂平市萬年青水泥有限公司生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，符合國家標準GB175-2020《通用硅酸鹽水泥》要求，其基本性能見表5。

表5 普通硅酸鹽水基本性能

2.4 細骨料

本試驗采用的細骨料為粗砂，粒徑大小在2-5mm之間，符合國家標準GB/T14684-2022《建筑用砂》的要求。

2.5 粗骨料

本試驗采用的粗骨料為碎石，粒徑大小在5-31.5mm之間，符合國家標準GB/T14685-2022《建筑用卵石、碎石》的要求。

2.6 粉煤灰

本試驗所用的粉煤灰為景德鎮市發電有限公司生產的粉煤灰，符合國家標準GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

2.7 減水劑

本試驗所用的減水劑為河北晴俊纖維素廠生產的萘系高效減水劑，滿足GB50119-2013《混凝土外加劑應用技術規范》要求，減水率≥18%，廠家建議摻量為膠凝材料的0.4%-1.2%，本次試驗取減水劑摻量為0.75%。

3 配合比設計及力學性能試驗研究

3.1 試驗配合比設計

根據試驗研究的要求，設計5種不同的取代率的磷尾礦細骨料來替代河砂制備混凝土，在進行配合比設計時，依據相關國家和行業規范，對C30混凝土進行配合比設計，設計出來的混凝土配合比要同時滿足和易性、強度的要求和混凝土施工的具體要求。采用的水膠比為0.47。

在抗壓強度達標的前提下，磷尾礦摻量的多少和纖維摻量的多少是本試驗的目的所在。將磷尾礦直接作為惰性材料摻加，相應中粗砂含量降低，由于磷尾礦沒有活性，只能以顆粒為整體被水泥漿料包裹，隨著磷尾礦中粗砂替代率的增加，最終導致混凝土試塊抗壓強度降低。本試驗設計磷尾礦替代中粗砂率分別為0%、30%、40%、50%、60%。玻璃纖維所占體積率為0.2%，對照組為0%。試驗混凝土試塊配合比設計如表6所示。

表6 磷尾礦試驗配合比設計（kg/m3）

3.2 試件制作與試驗研究

依據混凝土試驗方法標準，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×550mm，每個配合比成型9個試件。

按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》及CECS13-2009《纖維混凝土試驗方法標準》進行各項力學性能測試。抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗設備為美特斯工業YAW4206微機控制電液伺服壓力試驗機、SHT4106微機控制萬能試驗機、CMT5504微機控制電子萬能試驗機。

試驗工藝流程如下：

①按試驗設計配合比稱取各種原材料。

②先將河砂、碎石、磷尾礦、水泥、粉煤灰、減水劑等干物料拌合，待干物料拌合均勻后，再邊攪拌邊倒入水，拌合均勻。

③將混凝土漿料注入模具中，振搗密實，蓋上一層薄膜，然后連同模具一起放入20攝氏度的混凝土試塊標養箱，靜置24小時后混凝土試塊脫模繼續放入標養箱，試塊裝模效果及拆模效果見圖3和圖4。

圖4 試塊拆模效果圖

④養護28天后將試件取出進行力學性能測試。試塊抗壓、劈裂抗拉強度、抗折強度試驗效果圖例見圖5、圖6、圖7。

圖5 抗壓強度試驗效果圖例

圖6 劈裂抗拉強度試驗效果圖例

圖7 抗折強度試驗效果圖例

3.3 試驗結果及數據分析

試驗混凝土試塊測試的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度結果如表7所示。

表7 力學性能測試結果（MPa）

試驗數據分析見圖8、圖9、圖10。

圖8 立方體抗壓強度趨勢圖

圖9 劈裂抗拉強度趨勢圖

圖10 抗折強度趨勢圖

從圖8、圖9和圖10可以看出，當不摻入玻璃纖維和摻入纖維的時候，隨著磷尾礦取代率的增加，混凝土試塊的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度均逐漸升高再降低。當保持磷尾礦取代率不變的情況摻入纖維，混凝土試塊抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度均有所提高。

4 結語

本文通過調整尾礦砂取代率和玻璃纖維摻量，研究了玻璃纖維磷尾礦混凝土的力學性能，通過試驗表明，隨著磷尾礦砂取代率的增加，力學性能指標基本變化規律為先增大后減小，玻璃纖維的加入能夠有效提高磷尾礦混凝土的力學性能。綜上所述，本研究通過對玻璃纖維磷尾礦混凝土配合比設計和力學性能研究，為該材料在工程實踐中的應用提供了一定的理論和試驗基礎。