聚乙烯醇纖維摻量與鐵尾礦砂替代率對混凝土抗壓性能的影響

摘要： 為了實現(xiàn)固體廢物鐵尾礦的充分利用，在聚乙烯醇纖維混凝土中加入鐵尾礦砂替代天然砂和機制砂，制備聚乙烯醇纖維-鐵尾礦砂混凝土試件，探討不同聚乙烯醇纖維摻量、 鐵尾礦砂替代率對試件抗壓強度的影響。結(jié)果表明： 當(dāng)摻加聚乙烯醇纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、 0.1%時，試件均表現(xiàn)為脆性破壞，最終抗壓破壞形態(tài)為典型的對頂角錐形； 在摻加聚乙烯醇纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、 0.3%的條件下，試件的抗壓破壞形態(tài)具有較好的完整性； 在聚乙烯醇纖維摻量相同的條件下，不同鐵尾礦砂替代率時的試件抗壓破壞形態(tài)基本相似； 當(dāng)摻加聚乙烯醇纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，試件的抗壓強度最大，并且鐵尾礦砂替代率小于70%時的試件抗壓強度與未摻加鐵尾礦砂時的相差較小，而當(dāng)鐵尾礦砂替代率大于70%后，試件的抗壓強度明顯減小； 隨著鐵尾礦砂替代率的增大，試件的抗壓強度先增大后減小，在鐵尾礦砂替代率為30%時達到最大值，并且大于普通混凝土試件的抗壓強度。

關(guān)鍵詞： 纖維增強混凝土； 抗壓性能； 鐵尾礦砂； 替代率； 聚乙烯醇纖維

文章編號：1671-3559（2025）02-0245-08

中圖分類號： TU528.572

文獻標(biāo)志碼： A

Influences of Polyvinyl Alcohol Fiber Contents and Iron Tailings Sand Substitution Rates on Compressive Performances of Concrete

LANG Wenli， XIE Qun， HUI Jing， ZHAO Peng

（School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To achieve full utilization of solid waste iron tailings， iron tailings sand was adopted to substitute natural sand and mechanism sand to prepare polyvinyl alcohol fiber-iron tailings sand concrete specimens. Influences of different polyvinyl alcohol fiber contents and iron tailings sand substitution rates on compressive strength of the specimens were explored. The results show that the specimens adding polyvinyl alcohol fiber with mass fractions of 0 and 0.1% exhibit brittle failure， and the final compressive failure morphology is typical opposite angles cones. Under conditions of adding polyvinyl alcohol fiber with mass fractions of 0.2% and 0.3%， compressive failure morphologies of the specimens have good integrity. When the polyvinyl alcohol contents are the same， compressive failure morphologies of the specimens with different iron tailings sand substitution rates are basically similar. When the mass fraction of polyvinyl alcohol fiber is 0.3%，thespecimencompressivestrengthisthegreatest，andthe difference in compressive strength between the specimens with iron tailings sand substitution rate less than 70% and those without iron tailings sand addition is small. However， the specimen compressive strength significantly decreases when the iron tailings sand substitution rate exceeds 70%. With the increase of iron tailings sand substitution rate， the specimen compressive strength first increases and then decreases， and reaches the maximum value when the iron tailings sand substitution rate is 30%， which is greater than the compressive strength of ordinary concrete specimens.

Keywords： fiber reinforced concrete; compressive performance; iron tailings sand; substitution rate; polyvinyl alcohol fiber

鐵礦開采過程中所產(chǎn)生尾礦的大量堆積不僅浪費土地， 而且污染環(huán)境， 如何高效回收利用鐵尾礦成為國內(nèi)外學(xué)者研究的方向^［1-3］。 近年來， 將鐵尾礦砂作為天然砂和機制砂替代材料制備混凝土成為研究和應(yīng)用的熱點。 程和平等^［4］研究表明， 隨著鐵尾礦砂替代率的增大， 混凝土抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 并且當(dāng)鐵尾礦砂替代率為10%時，混凝土抗壓強度最大。Shettima等^［5］研究發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)鐵尾礦砂替代率為25%時， 混凝土抗壓強度最大。Tian等^［6］研究也指出： 隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土抗壓強度先增大后減小； 相對于鐵尾礦砂替代率為0時的混凝土， 鐵尾礦砂替代率為35%時的混凝土抗壓強度增大2.16%。仝宵等^［7］、 劉文燕等^［8］研究均表明： 鐵尾礦砂最佳替代率為40%，此時混凝土抗壓強度較普通混凝土抗壓強度分別增大6.17%、 14.10%；相對于普通混凝土，鐵尾礦砂替代率大于50%時的混凝土抗壓強度均有所減小^［9］。Zhao等^［10］研究表明，相對于普通混凝土，鐵尾礦砂替代率為100%時的混凝土抗壓強度減小39.92%。Jiang等^［11］、 王玉雅等^［12］研究發(fā)現(xiàn)： 隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土抗壓強度一直呈減小趨勢； 相對于普通混凝土，鐵尾礦砂替代率為20%、 60%時的混凝土抗壓強度分別減小0.27%、 9.3%。雖然采用鐵尾礦砂制得混凝土的基本性能可以滿足需求，但是相對于普通混凝土，鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)性能有所劣化。

聚乙烯醇（PVA）纖維應(yīng)用于混凝土可以有效地抑制混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展，改善混凝土的脆性和韌性，增強混凝土的抗裂能力^［13-15］。銀英姿等^［16］研究表明，摻加PVA纖維對混凝土早期裂縫有較大的抑制作用。Zhang等^［17］研究表明，摻加PVA纖維可以顯著增大混凝土劈裂抗拉強度、 抗彎強度。Xu等^［18］研究表明，摻加PVA纖維對混凝土的抗拉性能、 極限拉伸性能都有顯著影響，能改善峰后的應(yīng)力性能和延性，同時對混凝土板的早期開裂及收縮都有很好的抑制作用。錢桂楓等^［19］研究表明，摻加PVA纖維后的混凝土抗折強度有所增大。Wang等^［20］研究表明，摻入PVA纖維能顯著改善橡膠混凝土的斷裂性能及干縮、 抗凍融性能，并且能改善橡膠混凝土的延性、 滲透性。

為了高效回收利用鐵尾礦， 本文中以鐵尾礦砂替代天然砂和機制砂加至PVA纖維混凝土， 制備PVA纖維-鐵尾礦砂混凝土試件， 并探討不同PVA纖維摻量、 鐵尾礦砂替代率對試件抗壓性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

主要試驗材料包括： 1）水泥。 選用標(biāo)號為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥， 化學(xué)成分及熟料礦物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。2）水。采用市政自來水。3）砂子。天然砂為Ⅱ區(qū)砂，細度模數(shù)為2.7； 鐵尾礦砂為Ⅱ區(qū)砂，細度模數(shù)為2.51。4）石子，粒徑小于20 mm。5）PVA纖維，物理性能指標(biāo)如表2所示。6）聚羧酸型高性能減水劑。

1.2 試件制備

采用HJW60型單臥軸混凝土攪拌機制備試件。先加入水泥與PVA纖維，干拌1 min，再加入石子、 水、 減水劑、 砂子，攪拌2 min。制備PVA纖維-鐵尾礦砂混凝土試驗材料的體積質(zhì)量如表3所示。利用根據(jù)表3計算所得砂子總質(zhì)量乘以不同試驗中設(shè)置的鐵尾礦砂替代率0、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、80%、90%、100%，得到試驗用鐵尾礦砂質(zhì)量。利用鐵尾礦砂替代天然砂，保持砂子總質(zhì)量不變。將拌和好的試驗材料倒入模具，放在振動臺上充分振搗，直到表面沒有任何氣泡出現(xiàn)，24 h后拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護28 d，制得PVA纖維-鐵尾礦砂混凝土試件。

1.3 試驗方案

采用邊長均為100 mm的立方體試件測試PVA纖維摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同）分別為0、 0.1%、 0.2%、 0.3%且鐵尾礦砂替代率分別為0、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%時的試件抗壓強度。 共設(shè)計36組試件， 每組中試件個數(shù)為3， 每組試件的最終抗壓強度取為其中3個試件的抗壓強度平均值。 試驗裝置為GGD-3000型微機控制高剛度試驗機， 精密等級為1級，采用位移控制的方式獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 PVA纖維摻量對抗壓破壞形態(tài)的影響

不同PVA纖維摻量時試件的抗壓破壞形態(tài)如圖1所示。從圖中可以看出：當(dāng)PVA纖維摻量分別為0、 0.1%時，試件先在四周的邊角產(chǎn)生微小裂縫， 隨著荷載的增加， 裂縫沿斜向上、 下方向延伸， 試件面層和頂部混凝土向外鼓脹、 剝落； 試塊中心區(qū)域裂縫逐漸延伸貫通，最終表現(xiàn)為脆性破壞， 形狀呈現(xiàn)為典型的對頂角錐形。當(dāng)PVA纖維摻量分別為0.2%、 0.3%時，試件的抗壓破壞過程基本類似，但是裂縫寬度明顯減小， 并且發(fā)展緩慢， 抗壓破壞時試件表面呈網(wǎng)狀裂縫， 發(fā)生局部表面脫落。當(dāng)PVA纖維摻量為0.3%時，試件在整個加載過程中基本沒有混凝土剝落， 試件呈現(xiàn)裂而不碎的特征， 裂縫處有PVA纖維拔出。 整體來看， PVA纖維摻量對試件的抗壓破壞形態(tài)有較大的影響， 當(dāng)PVA纖維摻量分別為0、 0.1%時，試件均表現(xiàn)為脆性破壞， 最終抗壓破壞形態(tài)為典型的對頂角錐形； 當(dāng)PVA纖維摻量分別為0.2%、 0.3%時，試件的抗壓破壞形態(tài)具有較好的完整性。

PVA纖維能夠改善試件整體性和抗壓破壞形態(tài)的原因如下： 1）PVA纖維含有羥基基團， 具有強親水性， 在拌合物中分散性良好， 可增強PVA纖維與水泥基體的界面黏結(jié)強度， 防止微裂縫出現(xiàn)。 2）PVA纖維自身的橋接作用可以在試件受壓過程中有效抑制裂縫的形成與擴展，使試件在極限狀態(tài)下仍能保持一定的完整性。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在鐵尾礦砂替代率分別為0、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%的條件下，不同PVA纖維摻量時試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖中可以看出： 在達到峰值應(yīng)力之前， 曲線均大致呈線性變化， PVA纖維摻量和鐵尾礦砂替代率對試件應(yīng)力的影響較小。相對于未摻加PVA纖維的試件， 摻入PVA纖維后的試件應(yīng)力均有所減小， 其中當(dāng)PVA纖維摻量為0.1%時，試件的應(yīng)力最接近普通混凝土試件的應(yīng)力， 此時試件應(yīng)力雖然也有所減小， 但是減小幅度都在5 MPa以內(nèi)。相對于普通混凝土試件， 隨著鐵尾礦砂替代率的增大， 試件應(yīng)力從54 MPa開始先增大后減小， 并且鐵尾礦砂替代率為40%時的試件應(yīng)力最大， 為58 MPa； 峰值應(yīng)變大致呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但是始終為0.01%～0.015%， 總體波動較小。

2.3 抗壓強度與鐵尾礦砂替代率的關(guān)系

不同PVA纖維摻量時試件的抗壓強度與鐵尾礦砂替代率的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出： 當(dāng)PVA纖維摻量相同時，試件的抗壓強度均在鐵尾礦砂替代率為30%～40%時達到最大值，并且大于鐵尾礦砂替代率為0時的試件抗壓強度；鐵尾礦砂替代率大于40%后的試件抗壓強度均小于鐵尾礦砂替代率為0時的，并且隨著鐵尾礦砂替代率的增大，試件抗壓強度的減小幅度逐漸增加。PVA纖維的摻加均造成試件的抗壓強度減小； 當(dāng)PVA纖維摻量為0.1%、 0.2%時，試件的抗壓強度減小明顯； 當(dāng)PVA纖維摻量為0.3%時，鐵尾礦砂替代率小于70%時的試件抗壓強度與未摻加PVA纖維時的較接近。

2.4 抗壓強度擬合曲線

依據(jù)由圖3所得不同PVA纖維摻量、 鐵尾礦砂替代率時的試件抗壓強度試驗數(shù)據(jù)擬合不同PVA纖維摻量、 鐵尾礦砂替代率時的試件抗壓強度。由圖3可知，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，試件的抗壓強度先增大后減小。假定所制得試件的抗壓強度為fc，普通混凝土試件的抗壓強度為f_c0，當(dāng)鐵尾礦砂替代率η小于或等于30%時， fc大致呈線性增大的趨勢，當(dāng)η大于30%時，符合反比例函數(shù)規(guī)律分布，即

fc/f_c0=0.001 7η-3.35w+10.48w2， η≤30%，14.27/η-3.10w+9.29w2，ηgt;30%，（1）

式中w為PVA纖維摻量。

由式（1）所得試件的fc曲線與由試驗數(shù)據(jù)所得試件的抗壓強度擬合曲線如圖4所示。從圖中可以看出，二者擬合程度較好，因此式（1）可用于預(yù)測試件的抗壓強度。

2.5 抗壓性能影響分析

2.5.1 PVA纖維摻量的影響

PVA纖維摻量對試件抗壓強度的影響如圖5所示。 從圖中可以看出： 摻加PVA纖維后試件的抗壓強度均小于普通混凝土試件的抗壓強度。當(dāng)PVA纖維摻量為0.1%時， 抗壓強度變化率大于15%； 當(dāng)PVA纖維摻量為0.2%時， 抗壓強度變化率大于20%； 而當(dāng)PVA纖維摻量為0.3%時， 試件的抗壓強度已接近普通混凝土試件的抗壓強度。相對于普通混凝土試件， 當(dāng)PVA纖維摻量分別為0.1%、 0.2%、 0.3%時，試件抗壓強度的平均變化率為-20.24%、 -25.75%、 -8.90%。

摻加PVA纖維后試件的抗壓強度有所減小的原因如下： 1）PVA纖維的摻加導(dǎo)致基體產(chǎn)生較多初始缺陷^［21］，PVA纖維本身具有不連續(xù)與分散性等特點，PVA纖維加入普通混凝土導(dǎo)致試件內(nèi)部材料之間的界面區(qū)增加，在黏結(jié)處形成薄弱界面，試件的抗壓強度減小^［22］； 2）PVA纖維的摻加使纖維與基體間的黏結(jié)性劣化^［23］，試件的水泥漿體中形成大量的氣孔，使水泥漿體與石子、 砂子的結(jié)合強度減小。

2.5.2 鐵尾礦砂替代率的影響

鐵尾礦砂替代率對試件抗壓強度的影響如圖6所示。從圖中可以看出： 隨著鐵尾礦砂替代率的增大，抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，在鐵尾礦砂替代率為30%～40%時， 相對于普通混凝土試件， 試件的抗壓強度略有增大， 但是增大幅度較小。隨著鐵尾礦砂替代率的繼續(xù)增加， 試件的抗壓強度顯著減小。 相對于鐵尾礦砂替代率為0的試件， 當(dāng)鐵尾礦砂替代率分別為30%、40%、50%、 60%、 70%、80%、 90%、 100%時，試件抗壓強度的平均變化率為2.42%、 1.32%、 -4.03%、 -8.50%、 -10.84%、 -14.83%、 -18.69%、 -22.89%。

當(dāng)鐵尾礦砂替代率為30%～40%時，試件的抗壓強度增大的原因如下： 1）鐵尾礦砂顆粒較小，在鐵尾礦砂替代率較適宜的情況下，鐵尾礦砂可以填充細骨料間的空隙，在一定程度上優(yōu)化顆粒級配； 2）當(dāng)鐵尾礦砂替代率較小時，鐵尾礦砂水化程度較大，在一定程度上提高了試件密實度，使試件的抗壓強度增大；3）鐵尾礦砂具有形狀不規(guī)則、多棱角等結(jié)構(gòu)特點，粗糙多棱的鐵尾礦砂可以增大與粗骨料之間的摩擦力，導(dǎo)致試件的抗壓強度增大。

當(dāng)鐵尾礦砂替代率較大時，試件的抗壓強度急劇減小的原因如下： 1）鐵尾礦砂替代率較大容易導(dǎo)致骨料與水泥漿體分離， 從而產(chǎn)生離析現(xiàn)象， 此時試件抗壓強度的減小程度超過了鐵尾礦砂填充產(chǎn)生的增大抗壓強度的作用，導(dǎo)致試件的抗壓強度減小； 2）當(dāng)鐵尾礦砂替代率較大時， 水泥漿體產(chǎn)生泌水現(xiàn)象， 試件中水化產(chǎn)物較少， 導(dǎo)致試件的抗壓強度減小。

3 結(jié)論

本文中通過分析不同PVA纖維摻量、 鐵尾礦砂替代率時所制得PVA纖維-鐵尾礦砂混凝土試件的抗壓破壞形態(tài)與抗壓強度，得出PVA纖維摻量與鐵尾礦砂替代率對試件抗壓性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)PVA摻量分別為0、 0.1%時，試件的最終抗壓破壞形態(tài)均呈對頂角錐形，破壞過程中呈現(xiàn)脆性破壞，而當(dāng)PVA摻量分別為0.2%、 0.3%時，試件的抗壓破壞形態(tài)具有一定的完整性，不產(chǎn)生較寬裂紋和嚴(yán)重的崩塌，PVA纖維的摻加在一定程度上改善了試件的抗壓破壞形態(tài)。

2）隨著PVA纖維摻量的增大， 抗壓強度先減小后增大，摻加PVA纖維的試件抗壓強度均小于普通混凝土試件的抗壓強度。 PVA纖維摻量為0.3%時的試件抗壓強度最接近普通混凝土試件的抗壓強度。

3）鐵尾礦砂替代率為30%～40%時的試件抗壓強度大于普通混凝土試件的抗壓強度，但是隨著鐵尾礦砂替代率的進一步增大，試件的抗壓強度顯著減小，鐵尾礦砂最佳替代率為30%。

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（責(zé)任編輯：王 耘）

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（52108214）；山東省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計劃項目（2020-K5-18）

第一作者簡介： 郎文麗（2001—），女，山東濰坊人。碩士研究生，研究方向為高性能混凝土。E-mail： Ll_1382@163.com。

通信作者簡介： 謝群（1979—），男，山東聊城人。教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為新材料結(jié)構(gòu)、 新型裝配式結(jié)構(gòu)、 工程結(jié)構(gòu)抗災(zāi)。E-mail： cea_xieq@ujn.edu.cn。