一種高抗沖擊性能貧鐵礦石混凝土的實(shí)驗(yàn)研究

苗振坤，田帥，陳中航，孫博

(遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

為提高冶金礦山固廢物的綜合利用率，減輕土地資源占用壓力[1]及降低運(yùn)輸費(fèi)用等，選用礦山中固廢物為實(shí)驗(yàn)原材做粗骨料應(yīng)用于混凝土中。早期時(shí)，我國(guó)對(duì)礦山固廢物利用已有初步研究工作。由于材料性能不同，在應(yīng)用上也存在差別，如將粗粒尾礦破碎后做混凝土骨料[2]，細(xì)粒尾礦可直接做建筑用砂[3]。目前為止，包慧明等[4]做了將赤泥的固廢物應(yīng)用于溫拌改善瀝青中的實(shí)驗(yàn)研究，何良玉等[5]研究將鋼渣作膠凝材料和細(xì)集料去制備高性能砂漿，朱向紅等[6]做了褐鐵礦可制備水泥的研究，鄭永超等[7]做了利用鐵尾礦制備抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)研究。盡管如此，當(dāng)下對(duì)于固廢物應(yīng)用在建筑材料中的性能研究仍較少。現(xiàn)階段我國(guó)各地建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，涉及的工程領(lǐng)域越來(lái)越廣。眾多工程構(gòu)件在使用時(shí)將受到各種無(wú)法預(yù)知的沖擊荷載影響，如機(jī)械撞擊、爆炸、地震、海浪、不規(guī)則振動(dòng)沖擊等動(dòng)載荷。在動(dòng)荷載反復(fù)作用下，強(qiáng)大的沖擊力使構(gòu)件受到反復(fù)壓縮和拉伸，混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫不斷的誘發(fā)和擴(kuò)散。特別當(dāng)構(gòu)件受到固定約束時(shí)，荷載作用后所產(chǎn)生的沖擊波在混凝土內(nèi)部連續(xù)反彈，使得構(gòu)件壽命大大降低。為此，研究混凝土材料特性，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能是非常有意義的。

本文選用的實(shí)驗(yàn)原材為鐵元素質(zhì)量數(shù)10%～15%的超貧鐵礦石，前期在將其應(yīng)用于普通混凝土的實(shí)驗(yàn)研究中[8]，在理論與應(yīng)用方面已取得了階段性成果。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)中破壞現(xiàn)象，超貧鐵礦石還未能發(fā)揮出其本身特性，本文在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中。采用美國(guó)ACI 544委員會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)自由落錘實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)C60～C90的貧鐵礦石混凝土開展抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)初裂次數(shù)、終裂次數(shù)、初裂終裂次數(shù)差、能量、抗裂能力[9]指標(biāo)對(duì)貧鐵礦石混凝土的抗沖擊性能及增強(qiáng)機(jī)理做出分析，并以石灰?guī)r混凝土為基準(zhǔn)做對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料準(zhǔn)備

水泥采用P·O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求。粗骨料為超貧鐵礦石，破碎成4.75 ～ 25 mm粒徑碎石，連續(xù)級(jí)配?；鶞?zhǔn)混凝土的粗骨料選用普通石灰?guī)r碎石，粗骨料物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 粗骨料物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

依據(jù)粗集料級(jí)配技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，兩種粗骨料均屬于I級(jí)料。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.73的河砂，表觀密度2610 kg/m3，含泥量1.8%。水采用自來(lái)水。

1.2 試樣制備及強(qiáng)度檢測(cè)

1.2.1 初步配比材料用量設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究，參考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，并充分考慮工程實(shí)際施工條件與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各項(xiàng)條件存在的差異等因素。為控制粗骨料用量變量，采用絕對(duì)體積法計(jì)算其用量，試件編號(hào)見表2。

表2 試件編號(hào)Table 2 Number of concrete specimens

經(jīng)計(jì)算得出混凝土初步配合比材料用量結(jié)果見表3。

1.2.2 強(qiáng)度檢測(cè)

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每組6個(gè)試件。按表3配合比備料進(jìn)行拌和實(shí)驗(yàn)。攪拌方式為人工攪拌，在振動(dòng)臺(tái)成型，24 h后脫模。實(shí)驗(yàn)室混凝土試件養(yǎng)護(hù)間溫度為20℃，相對(duì)濕度為95%。經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)，采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的砼極限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表3 初步配合比材料用量Table 3 Material consumption of preliminary concrete mix proportion

表4 28 d抗壓強(qiáng)度/MPaTable 4 Pressure strength of 28 days

表4結(jié)果顯示,各組混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值均高于標(biāo)準(zhǔn)值，強(qiáng)度符合要求，可參照表3設(shè)計(jì)配比用量開展抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)方法是將一個(gè)重4.55 kg的鋼錘從落距460 mm的高度自由下落沖擊試件。實(shí)驗(yàn)試件為圓餅狀，試件直徑150 mm、厚63.5(±2) mm。按照表3計(jì)算配比用料，按照表2的編號(hào)每組制備6個(gè)試件，共計(jì)48個(gè)。

儀器底端為鋼制底板，儀器本身具有固定試件功能，可保持試件形狀。試件上表面正中心位置放置一個(gè)直徑63.5 mm的鋼球，用自制鋼球固定墊固定。實(shí)驗(yàn)前需檢查試件中心位置確保其平整無(wú)凹凸部分。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鋼錘自由下落先沖擊鋼球，鋼球再將能量傳遞給試件。循環(huán)實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)觀察試件表面首次出現(xiàn)裂縫時(shí)記錄下沖擊次數(shù)N1（初裂次數(shù)），并用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出裂縫長(zhǎng)度L、寬度c，深度d。繼續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)操作，每操作一次后觀察試件表面，當(dāng)試件表面的裂縫數(shù)不再增加時(shí)定義試件完全破壞，記錄破壞時(shí)的沖擊次數(shù)N2（終裂次數(shù)），再次測(cè)出破壞后的試件裂縫長(zhǎng)度及寬度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定義此時(shí)的裂縫深度為試件厚度（63.5 mm）。

該實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)以下幾項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)試件抗沖擊性能:初裂沖擊次數(shù)N1；終裂沖擊次數(shù)N2；初裂終裂沖擊次數(shù)差ΔN；試件初裂、終裂吸收的能量W；試件初裂、終裂抵抗破壞的能力P；參照美國(guó)ACI544委員會(huì)[10]推薦，使用（1）式計(jì)算混凝土受到的沖擊能量。

式中：W—沖擊能量；N—沖擊次數(shù)；h—重錘下落高度；m—重錘質(zhì)量；g—重力加速度，取9.81m/s2；

采用式（2）計(jì)算試件抵抗初裂、終裂破壞能力；

式中：P—試件抵抗破壞能力；W—初裂、終裂時(shí)沖擊能量；"ΔS" —裂縫開裂體積。

式中：L—測(cè)得裂縫長(zhǎng)度；d—裂縫深度，終裂時(shí)取試件厚度為裂縫深度；c—裂縫寬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

圖1為兩種混凝土初裂破壞形態(tài)（取裂紋較為明顯試件）。在落錘反復(fù)錘擊后，試件中心位置先發(fā)生凹陷現(xiàn)象，初始裂紋由凹陷部分向外擴(kuò)散。兩種混凝土產(chǎn)生的初始裂紋寬度深度基本相似，貧鐵礦石混凝土試件表面裂紋數(shù)量較少，基準(zhǔn)混凝土表面裂紋數(shù)量較多，分散在試件表面，試件表面損傷更為嚴(yán)重。圖2為兩種混凝土終裂破壞形態(tài)。

圖1 初裂破壞Fig.1 First crack

圖2 終裂破壞Fig.2 Final crack

由圖3可見，貧鐵礦石混凝土試件的表面裂縫近乎呈一條直線，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中落錘錘擊試件聲音較為清脆。當(dāng)出現(xiàn)初始裂紋后，錘擊聲音逐漸變小。基準(zhǔn)混凝土的裂縫根據(jù)初始裂縫位置的不同，在試件表面隨機(jī)擴(kuò)展，呈現(xiàn)出不規(guī)則的放射狀。

圖3 C 80貧鐵礦石混凝土斷面Fig.3 Section of C 80 gradepoor iron ore concrete

每組混凝土破壞后斷面形態(tài)也各不相同，體現(xiàn)在斷面上骨料斷裂數(shù)量。這與兩種混凝土的粗骨料本身特性是密不可分的，為研究骨料斷裂程度對(duì)混凝土中裂縫發(fā)展及抗沖擊性能影響，統(tǒng)計(jì)各組試件的骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂表面比率，結(jié)果見表5。

表5 骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂面比率Table 5 Ratio of aggregate to apparent fracture surface of hardened cement paste

表5結(jié)果可見，C80級(jí)貧鐵礦石混凝土的骨料斷裂數(shù)量較大。

破壞后的斷面較為平整，斷裂的骨料在斷面呈明顯對(duì)稱狀態(tài)。

C 60、C 70級(jí)貧鐵礦石混凝土骨料斷裂數(shù)量較少，斷面凹凸不平，破壞裂縫主要貫穿于硬化水泥漿體與骨料界面見圖4、5。

圖4 C 60級(jí)貧鐵礦石混凝土斷面Fig.4 Section of C 60 gradepoor iron ore concrete

各等級(jí)基準(zhǔn)混凝土破壞后的斷面上基本相似，骨料斷裂和骨料砂漿界面在斷面處清晰可見，見圖5。隨著強(qiáng)度等級(jí)的提升，骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂面比值也在逐漸提高。

圖5 C 70級(jí)基準(zhǔn)混凝土斷面Fig.5 Section of C 70 grade normal concrete

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)48個(gè)試件進(jìn)行自由式落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，為避免試件制備或加載時(shí)的人工操作不當(dāng)?shù)纫蛩貙?duì)結(jié)果影響，確保結(jié)果準(zhǔn)確。取初裂沖擊次數(shù)、終裂沖擊次數(shù)的有效數(shù)據(jù)平均值作為結(jié)果數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，強(qiáng)度等級(jí)與沖擊次數(shù)、能量指標(biāo)的關(guān)系見圖6、7。

表6 抗沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of impact test

圖6 強(qiáng)度等級(jí)與沖擊次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between strength grade and impact number

圖7 強(qiáng)度等級(jí)與能量關(guān)系Fig.7 Relationship between strength grade and energy

圖6 、7及表6結(jié)果可見，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提升，兩種混凝土的初裂、終裂破壞次數(shù)、能量的指標(biāo)均呈現(xiàn)出明顯增加趨勢(shì)且變化規(guī)律基本一致。數(shù)據(jù)顯示各等級(jí)的貧鐵礦石混凝土初裂、終裂次數(shù)及能量指標(biāo)始終高于基準(zhǔn)混凝土，數(shù)值上提高了約0.65 ～ 2.03倍。強(qiáng)度達(dá)到C90級(jí)時(shí)貧鐵礦石混凝土N1、N2、W值最大。強(qiáng)度為C80級(jí)時(shí)提高的倍數(shù)最大，且在該等級(jí)時(shí)，圖8中直線斜率呈現(xiàn)大趨勢(shì)的增加，表5中骨料破壞程度也最大。說(shuō)明了貧鐵礦石混凝土骨料破壞對(duì)平衡試件吸收的沖擊能量起到了決定性的作用。

圖8 強(qiáng)度等級(jí)與初裂終裂沖擊次數(shù)差關(guān)系Fig.8 Relationship between strength grade and impact times of frist crack and final crack

圖8 中顯示，基準(zhǔn)混凝土ΔN值始終高于貧鐵礦石混凝土。隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加兩種混凝土ΔN差值逐漸的增大，C80級(jí)時(shí)的差值最大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)發(fā)生初裂破壞后試件很快就達(dá)到最終破壞。證明了將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中雖可增強(qiáng)混凝土抗沖擊性能，但也提高了混凝土的脆性程度，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中錘擊聲響的變化也證實(shí)了這一點(diǎn)。為更加直觀的體現(xiàn)出ΔN值對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響程度，引用延性指標(biāo)β[11]對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其中：β1—貧鐵礦石混凝土延性程度；β2—基準(zhǔn)混凝土延性程度。經(jīng)（4）式計(jì)算的結(jié)果見表7。

表7 延性指標(biāo)Table 7 Ductility index

結(jié)果可見，貧鐵礦石混凝土較基準(zhǔn)混凝土的延性程度降低了約1.31 ～ 10.44倍。但由于ΔN與N1值相差較大，使得兩種混凝土β值的結(jié)果較小，說(shuō)明了與N1值相比ΔN值對(duì)與貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能影響較小。

通過(guò)已測(cè)量的裂縫長(zhǎng)度、深度與寬度，經(jīng)（2）式計(jì)算得出試件抵抗初裂、終裂破壞能力值，結(jié)果見表8。對(duì)強(qiáng)度等級(jí)與抵抗破壞能力做相關(guān)性檢驗(yàn)，回歸結(jié)果見表9，二者關(guān)系見圖10。

表8 抵抗破壞能力Table 8 Resistance to damage

表9 抵抗破壞能力線性回歸結(jié)果Table 9 Linear regression results of resistance to damage

圖10 抵抗破壞能力與強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系Fig.10 Relationship between resistance to damage and strength grade standard value

圖10 表明抵抗破壞的能力指標(biāo)與強(qiáng)度等級(jí)之間成一次線性關(guān)系。隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，兩種混凝土抵抗破壞能力均在提升。與基準(zhǔn)混凝土相比，貧鐵礦石混凝土的抵抗初裂、終裂破壞的能力均較強(qiáng)。相比較終裂破壞能力，抵抗初裂破壞的能力提升的幅度較大，且相關(guān)系數(shù)R2值也最大。可以得出隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能的增強(qiáng)主要是依靠提升了抵抗初裂的破壞能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，貧鐵礦石混凝土的抗沖擊性能有了顯著的增強(qiáng)。當(dāng)采用破壞次數(shù)以及能量指標(biāo)評(píng)價(jià)混凝土抗沖擊性能時(shí)，貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能增強(qiáng)約0.67 ～ 2.03倍?；炷翉?qiáng)度C80級(jí)時(shí)超貧鐵礦石破壞程度最大，平衡的沖擊能量最大，骨料特性被充分利用，抗沖擊性能增強(qiáng)幅度達(dá)到最大。

（2）抵抗破壞能力與強(qiáng)度等級(jí)之間成一次線性關(guān)系，貧鐵礦石混凝土主要是以提升抵抗初裂破壞的能力增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能。超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中雖可增強(qiáng)混凝土抗沖擊性能，但也提高了混凝土的脆性程度。

（3）將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中，既提升了固廢物利用率，降低了運(yùn)輸消耗等經(jīng)濟(jì)成本，又解決土地資源占用問題。同時(shí)，這對(duì)預(yù)制管樁（嵌巖樁）、機(jī)場(chǎng)路面、橋面等有高抗沖擊性能要求的結(jié)構(gòu)部位，有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。