鋼纖維對(duì)鐵尾礦砂再生混凝土力學(xué)性能影響

孫夏令 朱倩 陳記豪 彭湃

摘 要：通過(guò)6組共54個(gè)鐵尾礦砂再生混凝土試塊試驗(yàn)，研究了水灰比對(duì)不同取代率再生混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：水灰比為0.3的鐵尾礦砂再生混凝土（再生粗骨料取代率50%）的綜合力學(xué)性能較好;鐵尾礦砂和鋼纖維的共同作用下，抗壓強(qiáng)度提升16.4%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高69.5%;級(jí)配良好的鐵尾礦砂（中砂）可以在強(qiáng)度等級(jí)C45的混凝土中完全替代天然砂。

關(guān)鍵詞：鋼纖維;鐵尾礦砂;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU528 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）2-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.016

Effect of Steel Fiber on the Mechanical Properties of Iron Tailings

Recycled Concrete

SUN Xialing1 ? ?ZHU Qian2 ? ?CHEN Jihao1 ? ?PENG Pai1

（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;

2.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Through 6 groups of 54 iron tailings recycled concrete test blocks，the effect of water-cement ratio on the mechanical properties of recycled concrete with different replacement rates was studied.The experimental results showed that iron tailings recycled concrete with a water-cement ratio of 0.3（recycled coarse aggregate）Replacement rate of 50%）has better comprehensive mechanical properties;under the combined action of iron tailings sand and steel fiber，the compressive strength is increased by 16.4%，and the splitting tensile strength is increased by 69.5%;the well-graded iron tailings（medium sand）It can completely replace natural sand in concrete with strength grade C45.

Keywords：steel fiber; iron tailings; mechanical properties

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑的數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)混凝土的需求量也迅猛增加。混凝土的主要材料為砂。天然砂是指自然生成的、經(jīng)人工開采和篩分的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的巖石顆粒[1]。河砂指河水中自然石經(jīng)自然力的作用（河水的沖擊和侵蝕）形成的有一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料[2]。湖砂和河砂相似。由風(fēng)化巖石經(jīng)開挖、爆破篩分而成的砂稱之為山砂，也是天然砂的一種，目前已經(jīng)不多見。海砂由于本身帶有腐蝕性的氯離子等堿性物質(zhì)會(huì)腐蝕鋼筋，降低建筑使用年限，所以不能被直接應(yīng)用在工程建筑上[3]。通過(guò)海砂淡化設(shè)備進(jìn)行加工后的海砂，氯離子含量降低到符合建筑要求標(biāo)準(zhǔn)后，可以被使用，但加工的成本較高，不易大量推廣。其中河砂是現(xiàn)在建筑行業(yè)用得最多的。河砂中的砂是最常用的細(xì)度模數(shù)。隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建造大量建筑，對(duì)河砂的需求增多，出現(xiàn)開采過(guò)度的現(xiàn)象，亟須研制一種材料來(lái)部分替代或全部替代天然砂。

1 研究背景

據(jù)百年建筑網(wǎng)調(diào)研，2020年全國(guó)砂石產(chǎn)量為190.3億 t，同比增長(zhǎng)1.17%，2021年上半全國(guó)砂石產(chǎn)量約82億 t，同比上漲18.8%[4]。河砂的大量開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，多個(gè)地區(qū)已禁止開采河砂[5]。2018—2020年全國(guó)范圍內(nèi)嚴(yán)打非法采砂，加上長(zhǎng)江、洞庭湖、鄱陽(yáng)湖合法開采量減少，天然砂供應(yīng)持續(xù)走緊，導(dǎo)致天然砂價(jià)格居高不下[6]。同時(shí)，我國(guó)各地礦山產(chǎn)生了大量的廢棄的尾礦，不僅占用大量耕地，并且國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過(guò)特別重大的尾礦庫(kù)潰壩事故。近年來(lái)，持續(xù)開采石子，不僅使得山體被挖空，也破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，若遇到極端天氣，極易發(fā)生泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害。另外建筑垃圾的日益增加，占用大量的城市用地，不僅對(duì)環(huán)境造成影響，也造成土地資源的浪費(fèi)。目前建筑垃圾總體資源化率不足10%，遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家的90%和日韓的95%[7]。若用鐵尾礦砂、再生骨料分別代替天然河砂、天然骨料配制混凝土，則既能夠解決天然河砂、天然骨料短缺的問題，又可以解決尾礦與建筑垃圾帶來(lái)的一系列問題[5]。

鐵尾礦砂混凝土指以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、鐵尾礦砂、石子，必要時(shí)摻入化學(xué)外加劑和礦物摻合料，按適當(dāng)比例配合，經(jīng)過(guò)均勻攪拌、密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的混凝土。尾礦就是選礦廠在特定的技術(shù)條件下，將礦石磨碎、選取“有用組分”后所排放的廢棄物，也是礦石經(jīng)選別出精礦后剩余的固體廢料，是工業(yè)固體廢物的主要組成部分，其中含有一定數(shù)量的有用金屬、非金屬礦物，可視為一種“復(fù)合”的硅酸鹽、碳酸鹽等礦物材料，并具有粒度細(xì)、數(shù)量大、污染和危害環(huán)境的特點(diǎn)，但同時(shí)又是一種潛在的二次資源[8]。粒徑小于4.75 mm的尾礦被稱為尾礦砂。鐵尾礦砂指的是鐵礦石經(jīng)磨細(xì)、分選后產(chǎn)生的粒徑小于4.75 mm的顆粒[9-10]。其細(xì)度模數(shù)多為中砂和細(xì)砂。

2 研究綜述

材料的力學(xué)性能達(dá)到要求，才能更深入地研究其他性能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)再生混凝土（簡(jiǎn)稱RAC）[11-13]與鐵尾礦砂混凝土[14-16]的力學(xué)性能進(jìn)行了較多研究，而對(duì)鐵尾礦砂-再生混凝土（簡(jiǎn)稱IT-RPC）的研究與報(bào)道較少。

王嘉暉等人[11]的研究表明水灰比和再生粗骨料（簡(jiǎn)稱RCA）替代率對(duì)RAC的力學(xué)性能影響很大，RCA改性會(huì)對(duì)RAC的力學(xué)性能產(chǎn)生積極影響，纖維對(duì)RAC力學(xué)性能的提升最顯著。BAI等人[12]的研究指出，通過(guò)剝離舊砂漿來(lái)提高再生集料的性能并不是促進(jìn)再生集料應(yīng)用的唯一途徑，還可以通過(guò)控制水灰比、調(diào)整骨料含水率和不同攪拌方式等簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)提高再生混凝土的性能，以滿足混凝土質(zhì)量的要求。張婷[13]的試驗(yàn)表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)隨著再生粗骨料的取代率增大而逐漸減小，但是基本滿足C35以下的混凝土強(qiáng)度要求。用再生粗骨料制備再生混凝土，其配合比設(shè)計(jì)方法與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法基本相同。但是再生粗骨料有較大的吸水性，而且表面水泥砂漿成分也比較高，在配制時(shí)需要通過(guò)附加用水的方法來(lái)處理。

ZHEN等人[14]的研究表明鐵尾礦砂混凝土的棱鏡抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比約為0.8～0.9，鐵尾礦砂混凝土的彈性模量隨其強(qiáng)度等級(jí)的增加而增加。程和平等人[15]的研究指出，鐵尾礦砂摻量為10%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)抗折強(qiáng)度、沖擊功及斷裂吸收能量最大且抗碳化性能及抗?jié)B性能最佳;鐵尾礦砂摻量增加，同一水化時(shí)間下混凝土的水化放熱量越小。李壯[16]的試驗(yàn)表明，鐵尾礦砂和混合砂（混合砂使用50%鐵尾礦砂和50%篩分后的粗河砂顆?；旌隙桑┗炷疗骄鶑?qiáng)度較河砂混凝土分別提高24.1%和9.5%;鐵尾礦砂和混合砂混凝土彈性模量較河砂混凝土分別降低13.7%和4.9%;鐵尾礦砂和混合砂混凝土峰值應(yīng)變較河砂混凝土分別提高13.4%和6.4%。

褚玲妹[17]的研究表明，當(dāng)水灰比相同時(shí)，再生骨料取代率為50%，混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大。仝宵等人[18]的研究指出，在水灰比為0.35的條件下，當(dāng)再生粗骨料摻量為30%時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，其值為38.34 MPa。

在此背景下，本研究采用再生粗骨料部分（取代率50%）代替天然骨料拌制鐵尾礦砂混凝土，通過(guò)試驗(yàn)得到水灰比和鋼纖維對(duì)鐵尾礦砂再生混凝土力學(xué)性能的影響，以便為IT-RPC的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)材料

水泥（秀建牌P·O 42.5級(jí)水泥），鐵尾礦砂（來(lái)源于河南省洛陽(yáng)市嵩縣的鐵礦廠，細(xì)度模數(shù)為2.3），天然粗骨料（采用級(jí)配良好的天然碎石），天然砂（來(lái)源唐河天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.2），再生粗骨料（來(lái)自本?？蒲惺褂猛甑膹U棄梁，經(jīng)過(guò)破碎、篩分制備的再生粗骨料），粗骨料的基本物理指標(biāo)均符合《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）[19]及《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）[20]的要求，其性能見表1。

3.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是基于細(xì)骨料為鐵尾礦砂的情況，水灰比對(duì)IT-RPC力學(xué)性能研究，其試驗(yàn)配合比如表2所示，表中C45-R0-HS配合比中，砂為天然河砂，其余均為鐵尾礦砂，F(xiàn)1表示鋼纖維摻量為1%。

3.3 試塊制作與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)對(duì)6組共54個(gè)IT-RPC試塊的基本力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)?；炷涟韬衔锊捎肧JD-100型強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)攪拌。試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，齡期達(dá)到后，再按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）[21]，分別采用TYE-1000E型壓力試驗(yàn)機(jī)、WDW-100M型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以加載速度0.6 MPa/s、0.18kN/s測(cè)定28 d的立方體抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度值。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 水灰比對(duì)IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

水灰比對(duì)IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線如圖1所示。從圖1可看出，抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的減小呈增加的趨勢(shì)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著水灰比的降低呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)。

不同水灰比的增幅（增幅是相對(duì)于同等級(jí)的立方體混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）不同，水灰比0.55的增幅為20.3%，水灰比0.40的增幅為18.0%，水灰比0.30的增幅為7.3%。隨著水灰比降低，抗壓強(qiáng)度的增幅越來(lái)越小，這主要是由于水灰比變小，水泥用量增加，再生骨料的自由水抵消水泥用量增加所需要的自由水的能力逐漸削弱。

與水灰比為0.55相比，水灰比為0.40時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低7.3%，當(dāng)水灰比為0.30時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增加2.2%。隨著水灰比降低，劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后增加的現(xiàn)象，這主要是由于水灰比較大或者較小時(shí)，混凝土拌合料更易充分搗實(shí)，故劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)“兩頭大中間小”的現(xiàn)象。

4.2 鐵尾礦砂和鋼纖維對(duì)普通混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

鐵尾礦砂和鋼纖維對(duì)普通混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線如圖2所示。從圖2可看出，鐵尾礦砂和鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度都具有提升作用，鐵尾礦砂對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有輕微削弱作用，鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)作用。

鐵尾礦砂使抗壓強(qiáng)度的提升效果更明顯，提升11.4%;在鋼纖維和鐵尾礦砂的共同作用下抗拉強(qiáng)度提升16.4%。鐵尾礦砂使抗壓強(qiáng)度降低5.2%;在鋼纖維和鐵尾礦砂的共同作用下增加69.5%。鋼纖維可以完全消除鐵尾礦砂對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度帶來(lái)的輕微不利影響，并可大幅增強(qiáng)劈裂抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

①水灰比為0.3的IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的綜合力學(xué)性能較好。

②鐵尾礦砂和鋼纖維的共同作用對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有明顯提高，抗壓強(qiáng)度提升16.4%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高69.5%。

③級(jí)配良好的鐵尾礦砂（中砂）可以在強(qiáng)度等級(jí)C45的混凝土中完全替代天然砂。

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