鋼纖維堿礦渣再生骨料混凝土的制備及性能研究

陳海鵬

(新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

礦渣：試驗(yàn)過(guò)程中所需的礦渣主要化學(xué)成分及力學(xué)參數(shù)詳見表1與表2，礦渣的粒度分布見圖1。

圖1 礦渣粒度分布

表1 礦渣的化學(xué)組成成分

表2 礦渣的力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)所用粗骨料均為再生骨料，細(xì)骨料為河砂，比重為2600 kg/m3，試驗(yàn)所需水為自來(lái)水。堿激發(fā)劑用水玻璃與NaOH配置而成，鋼纖維力學(xué)性能如表3所示。

表3 鋼纖維力學(xué)參數(shù)

1.2 試件制作

本試驗(yàn)考慮了鋼纖維摻入量占比與再生骨料摻入量占比兩個(gè)因素，制作了7種不同配比的堿礦渣再生混凝土試件，其具體的配合比及試件參數(shù)詳見表4。首先將再生骨料與水按照一定比例進(jìn)行混合；其次將水玻璃、NaOH與水按照一定的比例進(jìn)行均勻攪拌，直至NaOH全部溶解為止；然后將礦渣磨成粉末后與砂一同加入再生骨料溶液中，用攪拌機(jī)勻速攪拌5 min，隨后加入堿性激發(fā)劑，繼續(xù)攪拌5 min；最后將攪拌后的混合物放入100 mm×10 mm×100 mm模具中，靜止10 min 后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

表4 試件配合比及相關(guān)參數(shù)

1.3 試件測(cè)試方法

試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)執(zhí)行，其中立方體測(cè)試的荷載加載速率為0.50 MPa/s，劈裂抗拉及抗折測(cè)試時(shí)的加載速率為0.05 MPa/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

不同摻量占比的再生骨料試件抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。可以看出，當(dāng)再生骨料的摻量占比為0%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為60 MPa；當(dāng)再生骨料含量增加到50%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為47 MPa；隨著再生骨料含量的逐步增加，強(qiáng)度出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，當(dāng)再生骨料完全替代天然骨料時(shí)，其抗壓強(qiáng)度減小至40 MPa。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，再生骨料摻量為50%和100%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度分別比天然骨料低22%和33%。分析原因一方面是由于天然骨料的強(qiáng)度本身就高于再生骨料，隨著天然骨料逐步被再生骨料代替，試件強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象；另一方面是由于再生骨料在成模時(shí)，材料會(huì)在荷載的作用下出現(xiàn)裂縫，隨著壓力的持續(xù)增大，裂縫處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而使試件立方體抗壓強(qiáng)度下降。

不同摻量的鋼纖維試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示，抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維的摻量的增加先升高后降低。數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)鋼纖維的摻量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時(shí)，相比于未摻鋼纖維的試件，其抗壓強(qiáng)度分別提高了14%、24%、54%、26%，雖然后期摻量的增加抗壓強(qiáng)度提高值會(huì)下降，但整體高于未添加鋼纖維的試件。結(jié)果表明，適量的鋼纖維摻量會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度，主要是由于鋼纖維具有良好的抗壓性能，能抑制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)育；但是鋼纖維摻入超過(guò)0.6%時(shí)，強(qiáng)度不再繼續(xù)升高，主要是混凝土其余骨料含量的降低，導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度有所下降[1-4]。

圖3 鋼纖維對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

再生骨料摻量對(duì)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度影響如圖4所示，可以看出，隨著再生骨料的摻入，其劈裂抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定的下降，但整體的下降幅度未出現(xiàn)突變的情況，其變化范圍較小。當(dāng)再生骨料摻量占比為試件的一半時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度為8.5 MPa；當(dāng)再生骨料完全替代天然骨料時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度為8.1 MPa。通過(guò)與天然骨料對(duì)比可以看出，試件抗拉強(qiáng)度值分別下降了5%和10%。分析原因主要是荷載的增加，使試件的裂縫進(jìn)一步增加，從而降低了試件的抗拉強(qiáng)度，這與試件所表現(xiàn)出來(lái)的抗壓強(qiáng)度具有相似的變化規(guī)律。

圖4 再生骨料對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖5顯示了鋼纖維摻量對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，隨著鋼纖維摻量的增加，強(qiáng)度值呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。與未摻鋼纖維的試件相比，鋼纖維摻入量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的試件劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了5%、9%、29%、17%。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，適量的鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度具有明顯的提升作用，主要原因是鋼纖維與混凝土粗骨料之間產(chǎn)生了更強(qiáng)的黏結(jié)力；但是摻量超過(guò)一定量后，強(qiáng)度值會(huì)有所下降，分析原因主要是由于過(guò)多的鋼纖維在混凝土內(nèi)部容易出現(xiàn)成團(tuán)的現(xiàn)象，未達(dá)到鋼纖維承受的拉力值，進(jìn)而降低了試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖5 鋼纖維對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 抗折強(qiáng)度分析

再生骨料摻量對(duì)試件的抗折強(qiáng)度影響如圖6所示，可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，試件抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)再生骨料摻入量為50%時(shí)，抗折強(qiáng)度為4.5 MPa；摻入量為100%時(shí)，抗折強(qiáng)度為3.8 MPa。相比天然骨料，試件抗折強(qiáng)度下降了13%和26%。主要是因?yàn)樵嚰钠茐倪^(guò)程往往伴隨著裂縫的產(chǎn)生，隨著加載量越來(lái)越大，最終會(huì)導(dǎo)致裂縫貫穿整個(gè)試件，最終形成貫穿縫，從而導(dǎo)致試件抗折強(qiáng)度的降低。

圖6 再生骨料對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響

圖7顯示了鋼纖維摻量對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響，隨著鋼纖維摻量的增加，試件抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，較未摻鋼纖維相比，鋼纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的抗折強(qiáng)度分別提高了6%、13%、17%、30%。鋼纖維摻量的增加會(huì)使抗折強(qiáng)度持續(xù)增加，主要是由于鋼纖維的增加可以有效地抑制試件內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，并且鋼纖維可以有效連接裂縫，對(duì)裂縫的發(fā)展起到了阻礙的作用。

圖7 鋼纖維對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響

3 機(jī)理分析

3.1 再生骨料摻量對(duì)試件力學(xué)性能的影響機(jī)理分析

再生骨料摻量對(duì)試件整體力學(xué)性能影響如圖8所示，其中，f為不同再生骨料摻量所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，f0為天然骨料的強(qiáng)度?？梢钥闯?，隨著再生骨料摻量的增加，試件的整體力學(xué)性能較天然骨料都有一定程度的下降。其中，抗壓強(qiáng)度值下降最為明顯，抗拉強(qiáng)度有略微下降，當(dāng)再生骨料完全代替天然骨料時(shí)，試件抗壓和抗拉強(qiáng)度分別下降了33%和10%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是再生骨料本身的強(qiáng)度低于天然骨料，隨著再生骨料摻量的增多，天然骨料在混凝土中所占的比例變小，因此會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

圖8 再生骨料對(duì)試件整體力學(xué)性能的影響

3.2 鋼纖維摻量對(duì)試件力學(xué)性能的影響機(jī)理分析

鋼纖維摻量對(duì)試件整體力學(xué)性能影響如圖9所示，其中，f為不同鋼纖維摻量所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，f1為未摻鋼纖維的強(qiáng)度?？梢钥闯?，隨著鋼纖維摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在鋼纖維摻量0.6%時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)突變，主要是因?yàn)檫^(guò)量的鋼纖維在試件內(nèi)部容易形成團(tuán)聚，隨著荷載的增加，鋼纖維繼續(xù)縮聚，最終導(dǎo)致試件內(nèi)部的孔洞增多，從而使試件的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低。此外，抗折強(qiáng)度一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，當(dāng)鋼纖維摻量為0.8%時(shí)，試件抗折強(qiáng)度是未摻鋼纖維的1.3倍，主要是鋼纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土試件，而抗折強(qiáng)度提高的本質(zhì)是試件受拉區(qū)混凝土受拉破壞所導(dǎo)致的，隨著荷載的增加，在混凝土開裂后鋼纖維可繼續(xù)承擔(dān)拉應(yīng)力，從而進(jìn)一步增加試件的抗折強(qiáng)度。

圖9 鋼纖維摻量對(duì)試件整體力學(xué)性能的影響

4 結(jié) 論

(1)再生骨料的摻入導(dǎo)致混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度下降，其中再生骨料含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，對(duì)抗拉強(qiáng)度影響最小。

(2)試件的抗折破壞形式主要為受拉區(qū)混凝土的失效，隨著鋼纖維的持續(xù)增加，抑制了裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而提高混凝土的抗折強(qiáng)度。一定量的鋼纖維能夠有效增加試件的各項(xiàng)性能，但鋼纖維含量過(guò)量時(shí)，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土抗壓和抗拉性能下降。