鋼纖維增強(qiáng)增韌煤矸石陶粒輕集料混凝土試驗(yàn)研究

梁健+汪光鑫+朱志成

[摘 要]煤矸石陶粒和其他輕集料類似，由于密度小、強(qiáng)度低、內(nèi)部空隙多的特點(diǎn)，導(dǎo)致配制出的混凝土的脆性比普通集料混凝土大，嚴(yán)重制約了煤矸石陶粒在建材領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。為此，選用朝陽華龍科建股份有限公司生產(chǎn)的煤矸石陶粒作粗集料，鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料，設(shè)計了5組不同鋼纖維摻量的混凝土試件，采用拉壓比作為脆性評價指標(biāo)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試件破壞形態(tài)分析鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強(qiáng)增韌作用。研究結(jié)果表明：當(dāng)鋼纖維摻量小于1.5%（體積分?jǐn)?shù)）時，隨著鋼纖維摻量的增加，煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，脆性逐漸減小，顯著改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性，使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。

[關(guān)鍵詞]煤矸石陶粒；脆性；拉壓比；鋼纖維

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.10.229

煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生、共生的堅硬巖石，是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，包括巖巷及煤巷掘進(jìn)中排除的矸石。隨著近年來我國煤炭產(chǎn)量的迅猛增長，采煤工藝技術(shù)及設(shè)備日新月異，煤矸石已成為我國排放量最大的固體廢棄物之一。去年我國煤炭產(chǎn)量約37億噸，其中煤矸石占當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的20%左右。至2012年全國累計堆有煤矸石山1500多座，約45億噸，占地1.3萬公頃以上，而且每年以1億～2億噸的速度遞增，每年形成新增占地400多公頃。[1]由于大量的煤矸石堆積，而且未能充分利用和處置，給生態(tài)環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，同時也給人們的生活帶來了巨大的危害。當(dāng)前，煤矸石在建筑材料領(lǐng)域的綜合利用，主要是替代黏土生產(chǎn)燒結(jié)磚、制作混凝土砌塊、生產(chǎn)水泥的摻合料等[2][3]，生產(chǎn)輕集料并不多見，并且其中大部分都是自燃燒結(jié)、破碎形成的自燃煤矸石。而自燃煤矸石的集料離散性較大，各項性能較普通集料相差過多，配制出的混凝土性能有限。

煤矸石陶粒密度小、比強(qiáng)高、保溫性、耐火性、耐久性、抗凍性較好，用其配制輕集料混凝土有利于建筑向高層、大跨度方向發(fā)展，應(yīng)用前景廣泛。本文選用煤矸石陶粒替代普通石子配制輕集料混凝土，并用鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料，通過試驗(yàn)研究了鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強(qiáng)增韌作用及破壞形態(tài)的改變。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 材料

膠凝材料采用遼寧工源水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.S32.5R型普通礦渣硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；粗集料采用朝陽華龍科建股份有限公司生產(chǎn)的煤矸石陶粒，基本性能見表2；細(xì)集料采用普通中沙，細(xì)度模數(shù)2.6，堆積密度1349kg/m3，級配合格；減水劑采用北京德昌偉業(yè)建筑工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DC—WR1型萘系高效減水劑，摻量為0.5%～1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），減水率為12%～20%，在保持水泥用量和水灰比不變的情況下，可提高坍落度10cm以上；水用普通自來水；鋼纖維采用河北衡水前進(jìn)工程橡塑有限公司生產(chǎn)的鋼板剪切型短鋼纖維，長度30～35mm，寬度1mm，抗拉強(qiáng)度400～600MPa。

1.2 基準(zhǔn)配合比

按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51—2002）的設(shè)計步驟，設(shè)計抗壓強(qiáng)度等級為LC30的煤矸石陶粒輕集料混凝土。由此得出本次試驗(yàn)的初始配合比，通過多次試配調(diào)整得出實(shí)際基準(zhǔn)配合比，見表3。

1.3 試驗(yàn)步驟

由于本次試驗(yàn)配制的是煤矸石陶粒輕集料混凝土，故其拌合、成型過程與普通集料混凝土不同，只能參考《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51—2002）和《輕集料及其試驗(yàn)方法》（GB/T17431.2—2010）進(jìn)行。試驗(yàn)過程中既要考慮煤矸石陶粒吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，又要考慮到振搗過程中可能出現(xiàn)的集料上浮現(xiàn)象。經(jīng)過多次試拌，確定制作流程見圖1。

試件尺寸為100mm×100mm×100mm，試件成型24h后脫模、編號，然后放到裝滿飽和Ca（OH）2溶液的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，按《輕集料混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》（JTT-053-94）進(jìn)行各項力學(xué)性能指標(biāo)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用表3中的基準(zhǔn)配合比和圖1中的制作流程，調(diào)整鋼纖維摻量配制鋼纖維增強(qiáng)增韌煤矸石陶粒輕集料混凝土試件，成型養(yǎng)護(hù)至28d后分別測定抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度見表4。

煤矸石陶粒輕集料混凝土拉壓比與鋼纖維摻量的關(guān)系見圖2。

由此可得：不摻鋼纖維時，煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比相同強(qiáng)度等級下普通集料混凝土的脆性大（C30普通集料混凝土的拉壓比一般為0.105）；煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小，但鋼纖維摻量超過一定范圍時，增強(qiáng)增韌效果會變差，鋼纖維摻量以控制在1.5%左右為宜。

2.2 試件破壞形態(tài)分析

（1）抗壓破壞形態(tài)分析。由表4可得，當(dāng)鋼纖維體積摻量在2.0%以下時，煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度提高幅度不超過11%。但是，鋼纖維的摻入?yún)s改變了煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓破壞的形態(tài)。圖3、圖4分別為鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓破壞照片。由圖3和圖4的對照比較可見，未摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后表面碎裂并脫落，試件外形破壞嚴(yán)重；而摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后裂而不散，表明其抗壓韌性有顯著提高。通過分析鋼纖維煤矸石陶粒輕集料混凝土裂縫發(fā)展的過程發(fā)現(xiàn)，由于裂縫首先出現(xiàn)在煤矸石陶粒內(nèi)部，鋼纖維與裂縫平行，因此在裂紋穩(wěn)定、緩慢發(fā)展階段，鋼纖維起不到增韌阻裂作用；當(dāng)裂縫擴(kuò)展至即將硬化的水泥砂漿基體時，跨越裂縫的鋼纖維開始起增韌阻裂作用，使裂縫擴(kuò)展的速度減慢。當(dāng)試件內(nèi)裂縫體系開始變得不穩(wěn)定，試件達(dá)到其所能承受的最大應(yīng)力——混凝土極限強(qiáng)度（即抗壓強(qiáng)度）時，混凝土試件解體破壞，裂縫迅速擴(kuò)展，宏觀裂縫隨之增大，而橫跨裂縫的鋼纖維則可以有效地阻止裂縫的發(fā)展，使試件韌性增加，最后，隨著宏觀裂縫的不斷增大，鋼纖維被逐漸拔出。由此可見，鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用只有在試件受力達(dá)到抗壓強(qiáng)度之后，裂縫從煤矸石陶粒擴(kuò)展到水泥砂漿基體之中時才得以發(fā)揮作用。這就是鋼纖維摻入后對煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓強(qiáng)度提高不大，而混凝土抗壓韌性卻有很大改善的根本原因。[4][5][6]

（2）劈裂抗拉破壞形態(tài)分析。由表4可知，當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增至1.5%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度由3.23MPa增大到5.76MPa，提高幅度非常顯著，拉壓比從0.0811增至0.1327；當(dāng)鋼纖維體積摻量從1.5%增至2.0%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度由5.76MPa降至5.63MPa，拉壓比從0.1327減小到0.1285。不摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達(dá)到劈裂抗拉強(qiáng)度時沿劈裂線劈成兩半，摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達(dá)到劈裂抗拉強(qiáng)度時雖出現(xiàn)裂紋，但試件形狀基本沒有被破壞。鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉破壞照片如圖5、圖6所示。

2.3 鋼纖維增強(qiáng)增韌機(jī)制分析

對于摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土而言，當(dāng)其受到拉應(yīng)力時，鋼纖維將在受拉區(qū)基體開裂后起到承擔(dān)拉應(yīng)力并保持基體裂縫緩慢擴(kuò)展的作用，從而使基體裂縫界面也保持著一定的殘余應(yīng)力。隨著裂縫擴(kuò)展，基體裂縫間殘余應(yīng)力將逐步減小，而鋼纖維具有較大變形能力可繼續(xù)承擔(dān)截面上的拉應(yīng)力，直到鋼纖維被拉斷或從基體中拔出，而這個過程是逐步發(fā)生的，這樣鋼纖維就起到了明顯的增韌減脆效果。因?yàn)殇摾w維使煤矸石陶粒輕集料混凝土在受力和破壞過程中做了更多的功，故有效地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性特征。另外，隨著鋼纖維摻量增加，鋼纖維所占百分比也就相應(yīng)提高，鋼纖維間距減小，所以煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度得到不斷提高。但值得注意的是，當(dāng)鋼纖維摻量過高時，劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比反而減小，這可能是因?yàn)殇摾w維摻入過多導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)，從而影響了鋼纖維對煤矸石陶粒輕集料混凝土的增強(qiáng)增韌作用。

3 結(jié) 論

（1）煤矸石陶粒和普通石子相比，具有密度小，吸水率高，孔隙多，強(qiáng)度低等明顯特點(diǎn)。正是由于這些差別，使得煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比普通集料混凝土更大。

（2）當(dāng)鋼纖維摻量小于1.5%時，煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小；當(dāng)鋼纖維摻量大于1.5%時，增強(qiáng)增韌效果反而變差。鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料摻入煤矸石陶粒輕集料混凝土?xí)r，摻量控制在1.5%左右為宜。

（3）在煤矸石陶粒輕集料混凝土中摻入一定量的鋼纖維，雖然對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大，但對劈裂抗拉強(qiáng)度的提高非常明顯，并且極大地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性，使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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