玻璃纖維磷尾礦混凝土配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能試驗(yàn)

卜娜蕊 BU Na-rui；劉睿 LIU Rui；白潤(rùn)山 BAI Run-shan

（①河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000；②河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家口 075000）

0 引言

在現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域中，混凝土是一種應(yīng)用廣泛的材料，它具有較高的強(qiáng)度和耐久性。然而，在某些情況下，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)往往無(wú)法滿足一些特殊的要求，例如在地震、爆炸或大型機(jī)械作用下需要更高的抗震性能和韌性。因此，人們對(duì)于開(kāi)發(fā)出具有更高強(qiáng)度和耐久性的混凝土產(chǎn)生了濃厚興趣?，F(xiàn)在我國(guó)砂子資源相對(duì)短缺，磷尾礦砂中有大量可用于制備建筑材料的有用礦物，使其可用來(lái)部分代替砂材料，從而生產(chǎn)出高性能環(huán)保的混凝土材料，進(jìn)而其發(fā)揮出更好的力學(xué)性能，同時(shí)也大大地提高經(jīng)濟(jì)效益，這樣不僅可以緩解砂子資源短缺造成的不利影響，而且也減少了磷尾礦排放堆積所造成的各種問(wèn)題。將玻璃纖維摻入混凝土能夠更好地提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，使其更加結(jié)實(shí)耐用，具有廣泛的使用價(jià)值。目前對(duì)于同時(shí)摻入磷尾礦、玻璃纖維的混凝土材料的力學(xué)性能的研究文獻(xiàn)還相對(duì)較少，本文將磷尾礦砂按照一定的取代率充當(dāng)細(xì)骨料，一方面解決因大量開(kāi)發(fā)導(dǎo)致磷尾礦堆積而對(duì)自然環(huán)境造成的破壞問(wèn)題，另一方面也為纖維增強(qiáng)混凝土材料的綠色環(huán)保角度提供參考。

1 玻璃纖維磷尾礦混凝土概述

混凝土材料因?yàn)樗闹谱鞴に嚭?jiǎn)便、防火性好、可塑性好使其成為建筑中被廣泛使用的材料之一，而運(yùn)用在實(shí)際工程建設(shè)中，混凝土容易開(kāi)裂、脆性較大、抗拉強(qiáng)度低等劣性很容易地表現(xiàn)出來(lái)，從而使得在遇到偶然工況時(shí)建筑物抵抗能力不足，混凝土往往因?yàn)榭估瓘?qiáng)度較低在發(fā)生脆性破壞時(shí)裂縫會(huì)不斷地向內(nèi)部發(fā)展，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響，而它的耐久性也會(huì)時(shí)常受到外界環(huán)境因素影響。在磷尾礦混凝土材料中加入玻璃纖維和磷尾礦后，材料的結(jié)構(gòu)可靠性較普通混凝土更優(yōu)。

玻璃纖維磷尾礦混凝土是一種新型的復(fù)合材料，是通過(guò)在混凝土中添加玻璃纖維和磷尾礦材料來(lái)增強(qiáng)其力學(xué)性能，它們與水泥形成有效的協(xié)同作用，該材料具有出色的抗裂性能且強(qiáng)度高。相比傳統(tǒng)混凝土，在抗拉、抗彎、抗沖擊等方面表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

該材料的特點(diǎn)包含：①韌性好。通過(guò)添加玻璃纖維材料，使得混凝土在受力時(shí)能夠克服裂縫擴(kuò)展的傾向，從而提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和延展性。②抗裂性好。由于添加了玻璃纖維材料，在混凝土內(nèi)部形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而有效地阻止了裂縫的擴(kuò)展。即使在受到大幅度載荷時(shí)，混凝土材料也能夠保持較小的裂縫寬度。③強(qiáng)度高。添加磷尾礦和玻璃纖維材料不僅提高了混凝土的韌性，還增加了其整體強(qiáng)度。與傳統(tǒng)混凝土相比，具有更高的抗壓和抗彎強(qiáng)度，能夠承受更大的荷載。

1.1 磷尾礦概況及利用現(xiàn)狀

磷礦是指在經(jīng)濟(jì)上能夠被人們所利用的全部磷酸鹽類礦物的總和，它是一種對(duì)人類十分重要的化工礦物原料。磷礦在工業(yè)上已經(jīng)有一百多年的應(yīng)用歷史[1]，它主要被用于制備各種磷肥、飼料添加劑、洗滌劑等，除此以外還被應(yīng)用于化工、輕工、國(guó)防等領(lǐng)域。全球磷礦石資源總量約為五百億噸，中國(guó)的儲(chǔ)量占百分之十七，然而我國(guó)磷礦石資源“豐而不富”，磷礦石平均品位（五氧化二磷的含量）僅為百分之二十三，而摩洛哥、美國(guó)以及一些非洲國(guó)家的磷礦品位一般都在百分之三十以上[2]。另一方面，磷礦石作為一種不可再生的礦產(chǎn)資源，在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的大規(guī)模開(kāi)采之后，磷礦資源呈現(xiàn)出逐漸枯竭的跡象且品位也逐漸降低。為了應(yīng)對(duì)磷礦資源的短缺和磷礦品位的不斷下降的現(xiàn)狀，人們開(kāi)始積極探索中低品位磷礦的開(kāi)發(fā)利用。由于磷礦的大量開(kāi)采，也導(dǎo)致磷尾礦的大量產(chǎn)生，大量的磷尾礦建庫(kù)堆放帶來(lái)一系列的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：占用大量土地、存在安全隱患、尾礦庫(kù)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用高[3]等。

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)磷尾礦提出了創(chuàng)建無(wú)尾礦山的目標(biāo)（無(wú)尾礦山是指少?gòu)U、甚至無(wú)廢），改進(jìn)選礦工藝并拓寬磷尾礦的應(yīng)用范圍，對(duì)尾礦的利用率甚至可以達(dá)到百分之六十到八十，利用磷尾礦中的某些有用的成分來(lái)制備一些高附加值產(chǎn)品，例如：功能陶瓷、復(fù)合陶瓷、鑄石等?；蛘邔⑽驳V整體加以利用，如用作微晶玻璃原料、尾礦磚、混凝土骨料、筑路回填料等。我國(guó)對(duì)利用磷尾礦制備建筑材料的綜合研究與利用，主要用于熔制型尾礦建材、燒結(jié)型尾礦建材[4]、水合型尾礦建材[5]、膠結(jié)型尾礦建材[6]等。磷尾礦因?yàn)槠浼夹g(shù)水平不高、經(jīng)濟(jì)效益低從而難以實(shí)際運(yùn)用，使得其長(zhǎng)年堆積，不僅長(zhǎng)期占有土地資源，又對(duì)環(huán)境造成了一系列污染。而磷尾礦中有大量可用于制備建筑材料的有用礦物，它們可以被應(yīng)用在建筑材料領(lǐng)域，這樣既可以滿足國(guó)家不斷提高的節(jié)能減排的需要，也可以更好地實(shí)現(xiàn)資源化利用。

1.2 玻璃纖維及其作用

玻璃纖維是以葉臘石、石英砂、石灰石、白云石、硼鈣石、硼鎂石六種礦石為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾個(gè)微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。其主要優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差，是一種種類繁多、性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料。

玻璃纖維比有機(jī)纖維耐溫高，不燃，抗腐，隔熱、隔音性好，抗拉強(qiáng)度高，電絕緣性好，在建筑領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、電子領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。

在混凝土中加入玻璃纖維后，纖維以亂向分布的形式存在于混凝土基體中，玻璃纖維在混凝土中形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加混凝土的連通性和緊密度，同時(shí)增加混凝土的承載能力和抗剪性，這種增強(qiáng)作用能夠抵抗混凝土的變形，使其更加結(jié)實(shí)和耐久，從而大大增強(qiáng)材料的延性，使得混凝土在遇到力學(xué)作用時(shí)，體現(xiàn)出高延性、應(yīng)變硬化能力強(qiáng)等特性，從而使材料的結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性較普通混凝土更強(qiáng)。

2 玻璃纖維磷尾礦混凝土試驗(yàn)原材料選擇

2.1 磷尾礦

本試驗(yàn)所用磷尾礦是來(lái)自湖北省襄陽(yáng)?？悼h楚磷礦貿(mào)有限公司的反浮選磷尾礦（以下簡(jiǎn)稱磷尾礦），磷尾礦的主要化學(xué)成份、粒徑分布、放射性檢測(cè)分別如表1、表2、表3所示。見(jiàn)圖1。

表1 磷尾礦主要化學(xué)成份

表2 磷尾礦粒徑分布（%）

表3 磷尾礦放射性檢測(cè)

圖1 磷尾礦砂

從表1-表3中可知，該磷尾礦的主要物相為石英、磷灰石和白云石，且具有火山灰活性的石英相的含量很低，所以該磷尾礦幾乎沒(méi)有活性，粒徑分布與混凝土用中粗砂相近，且其放射性達(dá)標(biāo)故不用擔(dān)心利用磷尾礦作為原材料制備混凝土?xí)?dǎo)致放射性超標(biāo)而引發(fā)人體疾病，可直接使用作為混凝土惰性集料。

2.2 玻璃纖維

本試驗(yàn)玻璃纖維采用長(zhǎng)沙檸祥建材有限公司的玻璃纖維，均勻混合，易分散，無(wú)并絲，安全無(wú)毒，物理性能見(jiàn)表4，見(jiàn)圖2。

表4 玻璃纖維物理性能

圖2 玻璃纖維

2.3 水泥

本試驗(yàn)采用的水泥為江西省樂(lè)平市萬(wàn)年青水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2020《通用硅酸鹽水泥》要求，其基本性能見(jiàn)表5。

表5 普通硅酸鹽水基本性能

2.4 細(xì)骨料

本試驗(yàn)采用的細(xì)骨料為粗砂，粒徑大小在2-5mm之間，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14684-2022《建筑用砂》的要求。

2.5 粗骨料

本試驗(yàn)采用的粗骨料為碎石，粒徑大小在5-31.5mm之間，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14685-2022《建筑用卵石、碎石》的要求。

2.6 粉煤灰

本試驗(yàn)所用的粉煤灰為景德鎮(zhèn)市發(fā)電有限公司生產(chǎn)的粉煤灰，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

2.7 減水劑

本試驗(yàn)所用的減水劑為河北晴俊纖維素廠生產(chǎn)的萘系高效減水劑，滿足GB50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求，減水率≥18%，廠家建議摻量為膠凝材料的0.4%-1.2%，本次試驗(yàn)取減水劑摻量為0.75%。

3 配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)研究的要求，設(shè)計(jì)5種不同的取代率的磷尾礦細(xì)骨料來(lái)替代河砂制備混凝土，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)相關(guān)國(guó)家和行業(yè)規(guī)范，對(duì)C30混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來(lái)的混凝土配合比要同時(shí)滿足和易性、強(qiáng)度的要求和混凝土施工的具體要求。采用的水膠比為0.47。

在抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下，磷尾礦摻量的多少和纖維摻量的多少是本試驗(yàn)的目的所在。將磷尾礦直接作為惰性材料摻加，相應(yīng)中粗砂含量降低，由于磷尾礦沒(méi)有活性，只能以顆粒為整體被水泥漿料包裹，隨著磷尾礦中粗砂替代率的增加，最終導(dǎo)致混凝土試塊抗壓強(qiáng)度降低。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)磷尾礦替代中粗砂率分別為0%、30%、40%、50%、60%。玻璃纖維所占體積率為0.2%，對(duì)照組為0%。試驗(yàn)混凝土試塊配合比設(shè)計(jì)如表6所示。

表6 磷尾礦試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)（kg/m3）

3.2 試件制作與試驗(yàn)研究

依據(jù)混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×550mm，每個(gè)配合比成型9個(gè)試件。

按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試?？箟?、劈裂抗拉、抗折試驗(yàn)設(shè)備為美特斯工業(yè)YAW4206微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、SHT4106微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、CMT5504微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)工藝流程如下：

①按試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比稱取各種原材料。

②先將河砂、碎石、磷尾礦、水泥、粉煤灰、減水劑等干物料拌合，待干物料拌合均勻后，再邊攪拌邊倒入水，拌合均勻。

③將混凝土漿料注入模具中，振搗密實(shí)，蓋上一層薄膜，然后連同模具一起放入20攝氏度的混凝土試塊標(biāo)養(yǎng)箱，靜置24小時(shí)后混凝土試塊脫模繼續(xù)放入標(biāo)養(yǎng)箱，試塊裝模效果及拆模效果見(jiàn)圖3和圖4。

圖4 試塊拆模效果圖

④養(yǎng)護(hù)28天后將試件取出進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。試塊抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)效果圖例見(jiàn)圖5、圖6、圖7。

圖5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)效果圖例

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)效果圖例

圖7 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)效果圖例

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)混凝土試塊測(cè)試的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度結(jié)果如表7所示。

表7 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果（MPa）

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖8、圖9、圖10。

圖8 立方體抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖

圖9 劈裂抗拉強(qiáng)度趨勢(shì)圖

圖10 抗折強(qiáng)度趨勢(shì)圖

從圖8、圖9和圖10可以看出，當(dāng)不摻入玻璃纖維和摻入纖維的時(shí)候，隨著磷尾礦取代率的增加，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均逐漸升高再降低。當(dāng)保持磷尾礦取代率不變的情況摻入纖維，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均有所提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)整尾礦砂取代率和玻璃纖維摻量，研究了玻璃纖維磷尾礦混凝土的力學(xué)性能，通過(guò)試驗(yàn)表明，隨著磷尾礦砂取代率的增加，力學(xué)性能指標(biāo)基本變化規(guī)律為先增大后減小，玻璃纖維的加入能夠有效提高磷尾礦混凝土的力學(xué)性能。綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)玻璃纖維磷尾礦混凝土配合比設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究，為該材料在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。