纖維及礦物摻合料對煤矸石混凝土力學性能的改性研究*

楊秋寧,景嚴誼, 張東生

(1. 寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021； 2. Department of Civil Engineering, KU Leuven, Bruges 8200, Belgium)

0 引 言

煤炭產業(yè)仍是我國工業(yè)發(fā)展之重，寧夏地區(qū)煤炭資源儲備量位于全國前列。煤矸石是在采煤、洗煤過程中與煤層伴生的固體廢棄物，屬沉積巖石材，可以作為粗骨料代替混凝土中的天然碎石[1-2]。邱繼生教授等研究煤矸石理化性質、替代率對混凝土力學性能的影響，得出煤矸石的物理性能皆低于天然碎石，隨著替代率的提高，混凝土強度也會相應降低[3-4]。Daming Luo等通過對摻入不同類型鋼纖維的煤矸石混凝土進行試驗，得出鋼纖維優(yōu)化了煤矸石混凝土強度及抗凍性，鋼纖維的摻入不僅可以改善煤矸石混凝土脆性大、易開裂等特點，而且混凝土內部呈三維亂向分布的纖維隨著阻裂作用的提高，對混凝土強度的提高也有正向效果[5-7]。更為環(huán)保經濟的合成纖維也受到了學者的關注，目前，已有研究將聚丙烯纖維加入煤矸石混合料中，表明在一定摻量范圍內，同樣可以達到提高混凝土力學性能的作用，但使用自身抗拉性能更好的聚乙烯醇纖維增強煤矸石混凝土力學性能的試驗較少[8-9]。為減少二氧化碳排放，尋找替代水泥的新型環(huán)保膠凝材料成為了研究熱點，粉煤灰和礦粉具有微集料及火山灰效應，替代水泥后影響混凝土的早期性能[10-11]，因此在此基礎上研究纖維對摻礦物摻合料煤矸石混凝土力學性能的改性作用，可以減少水泥用量、保護環(huán)境，同時達到性能要求。

采用煤矸石全替代設計強度等級C40的普通混凝土中天然碎石，拌制煤矸石混凝土?；趦煞N不同改性方案，對煤矸石混凝土進行抗壓、劈裂抗拉及抗折強度試驗：方案一為引入3種不同類型及摻量的纖維(聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)、鋼(ST)纖維)，方案二為基于方案一中混凝土達到最佳力學性能時的單一纖維及摻量配比，繼而對不同水泥替代率的單摻粉煤灰及復摻粉煤灰、礦粉煤矸石混凝土改性，得到的煤矸石混凝土具有改性后高力學性能，以實現(xiàn)大量堆積的煤矸石再利用。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用寧夏賽馬水泥廠產P·O42.5水泥，礦物摻合料分別采用寧夏化工熱電廠產Ⅲ級粉煤灰和S95級礦粉。粗骨料中煤矸石取自內蒙古鄂托克前旗上海廟煤矸石渣場，選用兩級配粒徑混摻，粒徑范圍在5～10 mm和10～20 mm，主要物理力學參數(shù)，見表1。

表1 煤矸石物理力學性能Table 1 Performance index of coal gangue

細骨料為天然河砂，選用表觀密度為2 660 kg/m3的中砂，含水率為1.27%；減水劑選用聚羧酸高效液體減水劑，減水率為27%。纖維分別選用上海鍇源化工科技有限公司生產的PVA纖維、上海影佳實業(yè)發(fā)展有限公司生產的PP纖維及河北普方路橋養(yǎng)護有限公司生產的銑削端勾式ST纖維，纖維基本性能，見表2。

表2 纖維基本性能Table 2 The basic properties of fibres

1.2 試驗方案

根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》設計C40強度等級的普通混凝土配合比，采用煤矸石全替代天然碎石拌制煤矸石混凝土。OMC為未摻纖維的普通煤矸石混凝土，A、B、C組分別為體積摻量(0.1%、0.2%、0.4%)的PVA纖維、(0.1%、0.15%、0.2%)的PP纖維和(0.6%、1.2%、2%)的ST纖維摻入煤矸石混凝土。D組為水泥質量替代率(15%、30%、45%)粉煤灰單摻的煤矸石混凝土；E組以D2為基準，在水泥質量替代率30%時，粉煤灰/礦粉不同替代比例(1∶2、1∶1、2∶1)復摻及礦粉單摻的煤矸石混凝土，試驗用配合比見表3。

表3 試驗配合比Table 3 Mix design ofcoal gangue concre

根據(jù)規(guī)范[12]共成型試件17組，每組9個試件，尺寸分別為兩組100 mm×100 mm×100 mm及一組100 mm×100 mm×400 mm，試件澆筑后24 h脫模，送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7，、28 d后，分別進行混凝土抗壓、劈裂抗拉及抗折強度試驗。

2 結果與討論

2.1 纖維對煤矸石混凝土力學性能的影響

2.1.1 試件抗壓試驗結果分析

A、B、C 3 組煤矸石混凝土7及28 d抗壓強度對比如圖1所示，相較OMC強度均有一定增大。PVA和PP纖維在摻入煤矸石混凝土后，隨著纖維體積摻量增加，抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明摻量過多并未對其強度有較好的效果。隨著ST纖維摻量增加，煤矸石混凝土的強度不斷升高，C3(ST-2%)混凝土未出現(xiàn)抑制強度增長的現(xiàn)象。A2(PVA-0.2%)、B2(PP-0.15%)、C3(ST-2%)混凝土試件相較OMC，7 d抗壓強度的提高幅度分別為29.5%、29.2%、50.4%，28 d抗壓強度提高幅度分別為17.6%、14.5%、35.3%，纖維對于早期煤矸石混凝土抗壓強度的提高影響較大，且ST纖維比PVA、PP纖維具有更好的增強作用。其中，C3(ST-2%)煤矸石混凝土28 d抗壓強度達到了37.9 MPa，均高于其他組。

圖1 混凝土7 d/28 d抗壓強度對比Fig 1 Comparison of 7 d/28 d compressive strength of concrete

2.1.2 試件劈裂抗拉試驗結果分析

PVA、PP及ST纖維對煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度均有較大幅度的提高，圖2中，A、B、C組混凝土相較OMC，隨著齡期的增長，提高的幅度也在相應增大，28 d的最大提高幅度分別為43%、39.7%、101.7%，對比混凝土28 d抗壓強度增幅，PVA、PP纖維對煤矸石混凝土抗拉強度增強效果更好，PVA、PP纖維更具阻裂作用。摻入ST纖維的混凝土強度高于摻入PVA、PP纖維的混凝土，ST纖維端頭錨固作用較強，混凝土在試驗中，隨著纖維撥出脫粘逐漸失效，裂縫由上至下不斷拓展延伸[13-14]，其中C3(ST-2%)煤矸石混凝土28 d劈裂抗拉強度增幅為7 d劈裂抗拉強度的兩倍多，具有最佳改性效果。

圖2 混凝土7 d/28 d劈裂抗拉強度對比Fig 2 Comparison of 7 d/28 d splitting tensile strength of concrete

2.1.3 試件抗折試驗結果分析——抗折強度

圖3中，煤矸石混凝土抗折強度變化規(guī)律與抗壓強度及劈裂抗拉強度變化相似，同樣A2(PVA-0.2%)、B2(PP-0.15%)、C3(ST-2%)煤矸石混凝土出現(xiàn)了纖維摻量內抗折強度峰值。相較OMC，A、B、C組混凝土試件28 d抗折強度的最大提高幅度分別為28.6%、17.1%、60.0%。PVA纖維自身抗拉強度較高，在混凝土開裂時橋接作用明顯，PP纖維較短，抗拉強度小，所以對混凝土試件抗折強度改善效果最差[15-16]。ST纖維相較PVA纖維長徑比更大，對混凝土抗折強度的影響更大，說明纖維長徑比相比個體抗拉強度對混凝土抗折性能更具正向作用。其中，C3(ST-2%)煤矸石混凝土的28 d抗折強度可以達到5.6 MPa。

圖3 混凝土7 d/28 d抗折強度對比Fig 3 Comparison of 7 d/28 d flexural strength of concrete

2.1.4 試件抗折試驗結果分析——韌性

圖4為OMC和C3(ST-2%)煤矸石混凝土荷載-撓度曲線對比圖，圖中A點為初裂點，C點為等效彎曲強度點。

圖4 荷載-撓度曲線對比Fig 4 Comparison of concrete load-deflection curves

根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》規(guī)范中混凝土四點彎曲試驗[17]，28 d混凝土荷載-撓度曲線下的彎曲韌性指標：初裂強度fcr、初裂韌度ΩOAB、等效彎曲強度fe、彎曲韌性比Re，相關計算公式如式(1)、(2)：

(1)

式中：δC=L/150，L為跨徑(即為300 mm)；ΩOCD為撓度在δC之前，荷載-撓度曲線下的包圍面積(N·mm)；b、h分別為試件的寬度和高度(即100 mm)。

(2)

以及文獻[18-19]中的折壓比fcf/fcu，fcu為抗壓強度、fcf為抗折強度，衡量纖維混凝土的彎曲韌性性能。計算結果如表4所示。

表4 煤矸石混凝土韌性指標計算Table 4 Calculation of toughness index of coal gangue concrete

荷載-撓度曲線 煤矸石混凝土在抗折試驗中，隨著荷載的增大，發(fā)生了突然地折斷破壞。PVA和PP纖維雖然提高了混凝土抗裂性，但對抑制宏觀裂縫發(fā)展作用較小，隨外荷載的增加，裂縫處PVA和PP纖維突然斷裂，荷載迅速下降而失效，因此以上均無法參考規(guī)范得出等效彎曲強度。ST纖維的摻入不但提高了初裂強度及韌性，對峰值點后宏觀裂縫的抑制作用更明顯，體現(xiàn)在橋接在裂縫處的ST纖維不斷耗能拔出，混凝土的韌性也隨之增強。初裂強度占峰值荷載作用下抗折強度的50.4%～67.6%，隨著初裂強度的增加，初裂韌性提高，混凝土抗折強度越高，等效彎曲強度和彎韌比也越大，說明規(guī)范法評價纖維煤矸石混凝土韌性具有一定的參考度，C3(ST-2%)煤矸石混凝土增韌效果最顯著。

折壓比 隨著纖維摻量的增加，折壓比出現(xiàn)了不規(guī)律的變化，說明折壓比無法從不同纖維摻量的角度評價纖維煤矸石混凝土的韌性，但整體折壓比值由大到小為C組>B組>A組。在抗壓強度增加的同時，C組煤矸石混凝土的抗折強度增幅更大，因此比值更大，同樣體現(xiàn)出摻入ST纖維的煤矸石混凝土韌性更好。

2.2 纖維改性單摻粉煤灰煤矸石混凝土力學性能

由上文得出，C3(ST-2%)煤矸石混凝土具有最優(yōu)力學性能，故據(jù)此研究ST纖維體積摻量為2%時改性D組單摻粉煤灰及E組復摻粉煤灰/礦粉替代水泥的煤矸石混凝土力學性能。

2.2.1 抗壓強度

圖5中，對比無單摻粉煤灰的C3煤矸石混凝土抗壓強度，隨著粉煤灰替代率的增加，D組混凝土試件抗壓強度逐漸減小，并且在替代率達到45%時，D3混凝土7，28 d抗壓強度相較C3分別減小了25.6%和16.0%。由于Ⅲ級粉煤灰活性低，大摻量粉煤灰導致了混凝土早期強度降低明顯。當粉煤灰替代率為15%時，摻入ST纖維的D1混凝土強度略有降低。

圖5 混凝土7 d/28 d抗壓強度發(fā)展趨勢Fig 5 Development trend of 7 d/28 d compressive strength of concrete

2.2.2 劈裂抗拉強度

對比C3煤矸石混凝土，D組混凝土試件的劈裂抗拉強度也出現(xiàn)了降低。圖中D1、D2、D3煤矸石混凝土28 d劈裂抗拉強度相較對應混凝土試件7 d強度增幅分別為30.8%、35.3%、38.4%，ST纖維對單摻粉煤灰煤矸石混凝土劈裂抗拉強度改性效果優(yōu)于抗壓強度，使其在28 d齡期時抗拉性能出現(xiàn)了較大的提高。

圖6 混凝土7 d/28 d劈裂抗拉強度發(fā)展趨勢Fig 6 Development trend of 7 d/28 d splitting tensile strength of concrete

2.2.3 抗折強度

D組煤矸石混凝土7 d后抗折強度發(fā)展趨勢不同于其余力學性能，隨著粉煤灰替代率的增加，混凝土齡期為28 d相對7 d的抗折強度增幅出現(xiàn)了升高，D2及D3混凝土的強度增幅在147%，出現(xiàn)增幅的原因是粉煤灰后期的二次水化反應及其未反應的玻璃微珠等細顆粒填充了水泥漿促進了ST纖維與水泥漿的結合[20]。D1與C3混凝土試件抗折強度相差不大，因此混凝土配合比設計可以采用ST纖維改性后粉煤灰替代率為15%時的煤矸石混凝土。

圖7 混凝土7 d/28 d抗折強度發(fā)展趨勢Fig 7 Development trend of 7 d/28 d flexural strength of concrete

2.3 纖維改性復摻粉煤灰/礦粉煤矸石混凝土力學性能

2.3.1 抗壓強度

對比圖8的D2單摻粉煤灰煤矸石混凝土，粉煤灰與礦粉以不同比例復摻時具有疊加作用[21-22]，復摻后填充了水泥漿的孔隙，當其比例為1∶2時，E1混凝土出現(xiàn)了抗壓強度峰值。隨著粉煤灰替代比例的增加，抑制了E1、E2、E3混凝土試件7 d后強度增幅，說明粉煤灰與礦粉復摻時，隨著替代比例增大，礦物摻合料疊加作用會逐漸減弱。E4單摻礦粉煤矸石混凝土的抗壓強度高于D2混凝土試件，礦粉的活性高于粉煤灰，對混凝土早期強度發(fā)展具有正向作用。

圖8 E組混凝土7 d/28 d抗壓強度對比Fig 8 Comparison of compressive strength of concrete in E group

2.3.2 劈裂抗拉強度

圖9中，E1、E2、E3混凝土試件隨著齡期的增加，28 d抗折強度增幅均在43%左右，粉煤灰/礦粉復摻后，水泥漿與ST纖維粘結性更好，增強了抗拉試驗中混凝土的阻裂性能。礦粉具有超細化及活性效應，由此E4煤矸石混凝土試件劈裂抗拉強度也有較大幅度提高，但改性后復摻粉煤灰及礦粉比例為1∶2的E1混凝土仍具有最優(yōu)抗拉強度。

圖9 E組混凝土7 d/28 d劈裂抗拉強度對比Fig 9 Comparison of splitting tensile strength in E group

2.3.3 抗折強度

煤矸石混凝土7 d后的抗折強度變化表現(xiàn)出均勻的增幅，粉煤灰及礦物不同的替代比例對隨齡期變化的E組混凝土試件抗折強度影響不大，說明ST纖維對混凝土抗折強度的改性作用大于礦物摻合料，使得E1煤矸石混凝土的28 d最高抗折強度為6.1 MPa。

圖10 E組混凝土7 d/28 d抗折強度對比Fig 10 Comparison of flexural strength in E group

3 結 論

(1)纖維煤矸石混凝土的力學性能均未低于普通煤矸石混凝土，且摻入纖維對煤矸石混凝土劈裂抗拉性能改性作用更大。PVA和PP纖維煤矸石混凝土中纖維摻量過多，強度相對下降；隨著ST纖維摻量的增加，混凝土的強度不斷增大，C3(ST-2%)煤矸石混凝土強度最高。

(2)參考現(xiàn)有規(guī)范中的彎曲韌性指標可以衡量摻入不同纖維種類及摻量的煤矸石混凝土，根據(jù)折壓比僅可以衡量摻入不同種類纖維的煤矸石混凝土，以上指標得出C3(ST-2%)煤矸石混凝土具有更好的韌性。

(3)隨著粉煤灰的替代率增大，煤矸石混凝土力學性能逐漸降低，摻入體積摻量為2%的ST纖維對單摻粉煤灰替代率為15%的煤矸石混凝土改性后，得到D1混凝土強度降低較小。

(4)替代比例1∶2的粉煤灰及礦粉復摻煤矸石混凝土中，不同粗細骨料填充了水泥漿孔隙，產生了疊加效應，ST纖維改性后E1混凝土試件出現(xiàn)了替代組合的強度峰值，具有最優(yōu)力學性能。

致謝：

感謝寧夏大學研究生產教融合聯(lián)合培養(yǎng)基地建設項目的大力支持！