鮑文博，底高浩，陳四利，李林鳳

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

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高性能環(huán)保型尾礦砂水泥基復(fù)合材料增韌性能研究*

鮑文博，底高浩，陳四利，李林鳳

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

針對項目組研發(fā)的高性能環(huán)保型建材即替代比率達50%的尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料，采用立方體抗壓實驗、薄板四點彎曲實驗和薄板拉伸實驗，分別測得了該復(fù)合材料的抗壓強度、彎曲荷載-撓度位移和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變等特性曲線,獲得了該復(fù)合材料的彎曲韌性和彎曲強度以及斷裂能和抗拉強度。通過實驗，研究PVA纖維摻量和水膠比等因素對尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料增強和增韌性能的影響。實驗結(jié)果表明，配合比對尾礦砂PVA纖維增韌水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響；合適的配合比可使該復(fù)合材料獲得準(zhǔn)應(yīng)變硬化和多裂縫特征，使其具有良好的彎曲韌性和抗拉延性以及較好的抗壓強度、彎曲強度和抗拉強度。綜合評價了尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的強度、韌性及其適用性，為該環(huán)保型復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

水泥基復(fù)合材料；尾礦砂；PVA纖維；韌性

0 引 言

水泥基材料是目前工程上使用最為廣泛的建筑材料之一，但隨著使用范圍的拓展和用量的提高，傳統(tǒng)水泥基材料韌性差、耐久性不足等問題日益突出[1]，制約了水泥基材料自身的發(fā)展。解決水泥基體材料延性問題的有效辦法，是在其基體內(nèi)摻加一定量的纖維，通過纖維與水泥基體的粘結(jié)力阻止裂縫的進一步擴展，從而提高水泥基材料的韌性和抗拉強度[2]。典型的纖維增強水泥基材料是密歇根大學(xué)的Li教授和麻省理工的Leung教授研發(fā)的超高韌性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite，縮寫為ECC)[3-4]，這種材料是基于微觀力學(xué)原理優(yōu)化設(shè)計的，具有假應(yīng)變硬化和多縫開裂特征的一種新型材料[5]。另一方面，傳統(tǒng)水泥基材料的制備需要消耗大量的天然砂，隨著水泥基材料的廣泛應(yīng)用天然砂的消耗量越來越大，許多地區(qū)的天然砂資源已日益枯竭，對大自然形成很大威脅。早在20世紀(jì)60年代，國外就開始利用尾礦生產(chǎn)建筑材料。這個時期，前蘇聯(lián)利用尾礦研制生產(chǎn)了膠凝材料、瀝青混凝土和墻體材料，美國將回收的尾礦絕大多數(shù)用做混凝土骨料、地基及瀝青輔料，日本利用鐵尾礦燒制出輕型骨料，加拿大研制出尾礦石灰干壓磚。我國利用鐵尾礦作為建筑材料的研究起步于80年代，并陸續(xù)取得了一系列成果，先后研制出了路面基料、免燒磚、飾面磚和混凝土空心砌塊等建筑材料，尾礦做為細骨料在混凝土制備中也得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。但是，利用尾礦砂做為細骨料進行增韌水泥基材料的研制是近幾年才開始的工作。2008年，東南大學(xué)姜國慶等學(xué)者采用尾砂替代磨細石英砂來制備生態(tài)環(huán)保型的ECO-ECC材料，并取得初步成果[8]；本課題組于2010年開始研制尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料，在配合比、制備工藝及其力學(xué)性能方面進行了系統(tǒng)研究[9-10]，驗證了尾礦砂大比率替代天然砂的可行性，掌握了制備尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)。尾礦砂做為礦業(yè)廢渣，資源豐富、價格低廉，使用尾礦砂部分取代天然砂應(yīng)用到水泥基復(fù)合材料中，既能解決建筑用砂資源日益短缺的問題，又能減少尾礦砂存放對環(huán)境污染和占用大量土地的問題，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗原材料

水泥，采用遼寧山水工源水泥有限公司制造的普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號為P.O 42.5。細骨料，采用遼陽雞冠山鐵礦尾礦砂和天然砂混合細骨料，其粒徑為0.15～0.315 mm。減水劑，采用大連西卡公司減水劑，摻量為膠凝材料的1.0%。粉煤灰，采用沈陽熱海電廠的一級粉煤灰。纖維，采用山東泰安同伴纖維有限公司提供的PVA纖維，長度為12 mm。增稠劑，采用的是濮陽市三普化工有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素。

1.2 材料制備

項目組通過大量的研究，成功應(yīng)用尾礦砂大比例替代天然砂制備出尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料，并通過配比設(shè)計和制備工藝的改進，獲得了較好的抗彎和抗拉韌性性能。在前期研發(fā)工作的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)試配實驗優(yōu)化了尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料的配合比。尾礦砂替代天然砂的比例確定為50%，適當(dāng)提高尾礦砂的水膠比以增加材料的流動性；為解決制備中PVA纖維分散性差的難題，參考了大連理工大學(xué)徐世烺團隊的技術(shù)[11]，通過調(diào)整增稠劑摻量等措施有效地解決了纖維聚團現(xiàn)象。

1.3 實驗方案

本實驗在前期工作的基礎(chǔ)上，重點考察水膠比和纖維摻量對尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料延性的影響。實驗采用的配合比和試件編號如表1所示。采用抗壓、彎曲和拉伸實驗，綜合評價項目組研發(fā)的尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的韌性和強度。抗壓實驗、彎曲實驗和抗拉實驗每組試件制作6個，每組成功試件不少于3個。立方體試塊按照《GB/T50107 混凝土的檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊。薄板四點彎曲實驗和薄板抗拉實驗所用試件參考文獻[12]并根據(jù)實驗室條件制作，薄板試件尺寸為400 mm×100 mm×15 mm，抗拉試件尺寸為200 mm×50 mm×15 mm。制備并采用鋼模成型，拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(溫度(20±20) ℃，相對濕度95%)至28 d齡期。

表1 配合比及試件編號

1.4 實驗方法

材料的抗壓性能實驗采用直接加載；薄板試件彎曲實驗采用四點彎曲加載方式，實驗使用杭州邦威機電控制工程有限公司生產(chǎn)的JAW-500K電液伺服結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)加載，加載采用位移控制；拉伸實驗采用粘貼式[13]直接單軸拉伸位移加載模式。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 立方體抗壓實驗

對立方體抗壓試件進行實驗，得到尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料試件的平均抗壓強度，如表2所示。

表2 立方體抗壓實驗結(jié)果

尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料立方體抗壓實驗表明，PVA纖維摻量和水膠比對其強度均會產(chǎn)生影響。當(dāng)水膠比為0.4和0.45時，其抗壓強度隨著纖維摻量增加而增加，纖維體積摻加量達到2%時，其強度增加約20%～35%，；當(dāng)水膠比增大到0.5時，其抗壓強度隨著纖維摻量增加先是略有減小而后再增大，纖維體積摻量在2%時，其強度增加約10%，纖維增強作用有所減弱。

在尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的立方體抗壓實驗過程中，觀察到壓力荷載在達到峰值點之后沒有出現(xiàn)荷載陡然降低的現(xiàn)象，試件破壞后的荷載表現(xiàn)出了較為緩慢的下降過程，這與與普通水泥基復(fù)合材料的有著明顯的不同。圖1給出了未添加纖維和添加纖維兩種尾礦砂水泥基立方體試塊受壓破壞后的圖片。

圖1 立方體試塊的破壞形態(tài)

Fig 1 Damage images of cube specimens

由圖1可見，素尾礦砂水泥基立方體受壓破壞前裂縫集中，當(dāng)達到峰值荷載后迅速崩裂，承載力突然下降；而纖維尾礦砂水泥基立方體受壓破壞前形成細小分散裂縫，消耗大量變形能，隨著裂縫增加與擴展其承載力逐漸下降，體現(xiàn)出了纖維的增韌效果。

2.2 薄板的四點彎曲實驗

由尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料的薄板4點彎曲實驗，獲得的荷載-跨中撓度曲線如圖2所示，其中圖2(a)～(c)分別表示纖維體積摻量為0%，1.5%和2%時各試件的荷載-撓度曲線，每張圖中的A、B和C 3條曲線對應(yīng)的水膠比分別為0.4、0.45和0.5。薄板試件在實驗過程中出現(xiàn)大量細密的裂縫，如圖3所示。

薄板4點彎曲實驗表明，尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料具有較好的彎曲變形能力和裂縫分散能力，說明新工藝制備的薄板試樣中的PVA纖維分散均勻、橋聯(lián)作用充分，依靠界面粘結(jié)將基體釋放的應(yīng)力傳遞給周圍未開裂的基體，進而在試件純彎段表面出現(xiàn)了大量致密裂紋。薄板試樣從出現(xiàn)裂縫開始到達極限承載力的過程，是變形充分發(fā)展、多裂縫逐步形成的過程。當(dāng)試件達到峰值荷載時，試件能夠保持其完整性，但隨之在眾多裂縫中會出現(xiàn)一條主裂縫導(dǎo)致薄板試樣的承載力迅速下降直至完全喪失承載力。實驗還表明，水膠比對彎曲韌性和彎曲強度有一定的影響。當(dāng)材料的水膠比在0.4～0.5范圍內(nèi)增加時，其撓曲變形能力隨著水膠比的增加而增加，但彎曲強度卻隨之減小。實驗以控制位移方式加載，加載的速率取0.01 mm/min，測試數(shù)據(jù)如表3所示。同時參考《GB/T 15231-2008,玻璃纖維增強水泥性能實驗方法》和文獻[14]，依據(jù)測試數(shù)據(jù)對尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料薄板試樣的比例極限荷載、抗彎強度及預(yù)測拉伸應(yīng)變值進行了計算，一并列入表3。

圖2 薄板彎曲荷載-跨中撓度曲線

Fig 2 Bending load-midspan deflection curves of thin plates

圖3 典型薄板四點彎曲試樣多裂縫破壞模式

名稱開裂撓度/mm開裂荷載/kN極限撓度/mm極限荷載/kN開裂強度/MPa抗彎強度/MPa預(yù)測拉伸應(yīng)變值/%A-00.350.280.450.303.374.000.05A-10.370.2813.150.833.7311.071.40A-20.460.3212.711.074.2714.271.36B-00.420.280.450.293.733.870.05B-10.410.2416.400.593.207.871.75B-20.420.3613.770.804.8010.671.47C-00.360.300.430.304.003.600.05C-10.310.2815.320.543.737.201.63C-20.440.2622.930.583.477.732.45

實驗顯示，尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料的開裂撓度在0.4 mm左右。盡管不同試件會在制備上存在一定的差異，但各個試件的開裂撓度相差不大，開裂荷載值接近，說明PVA纖維對于初次開裂幾乎沒有阻裂作用。基體開裂后，纖維的橋聯(lián)作用和裂縫間的應(yīng)力傳遞作用逐漸呈現(xiàn)出來，使得摻加纖維試件的抗彎強度增加。經(jīng)預(yù)測拉應(yīng)變的推算公式計算得到的拉伸應(yīng)變預(yù)測值均在1.3%以上，遠大于不摻纖維的試件的抗彎韌性，表明尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料具有良好的抗彎韌性和預(yù)測抗拉延性。實驗還表明，極限撓度會隨水膠比在一定范圍內(nèi)(0.4～0.5)的增加而增加，這是由于水膠比的增大，一方面改善了基體的流動性使得纖維分布更加均勻，另一方面基體與纖維的粘結(jié)有所減弱使得更多的纖維隨著裂縫的增加被拔出所致。

根據(jù)美國ASTM-C1018[15]的韌度指數(shù)定義，利用上述彎曲實驗結(jié)果，計算得到尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料薄板試樣的韌性指數(shù)I5、I10和I30，如表4所示。

表4 薄板試樣的彎曲韌性指數(shù)

表4中的I5、I10和I30為荷載曲線下面積的相對值即韌性指數(shù)。由該結(jié)果可見，未摻加纖維的尾礦砂水泥基復(fù)合材料韌性指數(shù)接近1，材料呈現(xiàn)脆性；尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的韌性指數(shù)顯著增大，具有較好的彎曲變形能力和裂縫分散能力(見圖3)，說明薄板試樣中的PVA纖維分散均勻、橋聯(lián)作用充分，能夠依靠界面粘結(jié)將基體釋放的應(yīng)力傳遞給周圍未開裂的基體，進而在試件純彎段表面出現(xiàn)了大量致密裂紋。薄板試樣從出現(xiàn)裂縫到荷載逐漸達到極限值的過程是變形充分發(fā)展、多裂縫逐步形成的過程。當(dāng)試件達到峰值荷載后，試件一般仍能保持其完整性，但隨之在眾多裂縫中會出現(xiàn)一條主裂縫，導(dǎo)致薄板試樣的承載力迅速下降直至完全喪失承載力。纖維摻量的增加可以增加其韌性指數(shù)，也就意味著可以讓其能夠吸收更多的能量并保持其不斷裂。一定程范圍內(nèi)增加PVA纖維摻量，可以顯著增加尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料吸收能量的能力，提升其綜合力學(xué)性能。

2.3 薄板的直接拉伸實驗

通過直接拉伸實驗，測定了尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料的拉伸性能，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，其中圖4(a)-(c)分別表示纖維體積摻量為0.0，1.5%和2.0%時各試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中A、B和C 3條曲線對應(yīng)的水膠比分別為0.40、0.45和0.50。

圖4 直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig 4 Direct tensile stress-strain curve

直接拉伸實驗過程中，尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)準(zhǔn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即水泥基體在試件開裂后荷載仍繼續(xù)增大，并呈現(xiàn)多裂縫狀態(tài)(如圖5所示)，相對于素尾礦砂水泥基復(fù)合材料一旦出現(xiàn)裂縫后便馬上退出工作，而尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料的變形能力大大增加，其極限應(yīng)變最大可達3%，遠大于普通水泥基復(fù)合材料的抗拉應(yīng)變。在拉伸過程中，素水泥基復(fù)合材料最大應(yīng)力達到2.41 MPa時試件即破壞，而摻加纖維的尾礦砂水泥基復(fù)合材料會出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，并且極限應(yīng)力最大提升2倍左右。水膠比對拉伸性能的影響與對彎曲性能的影響相似，水膠比在0.40～0.50范圍內(nèi)增加時，拉伸構(gòu)件的拉伸應(yīng)變增大，但拉伸強度降低。

將上述彎曲實驗預(yù)測拉伸應(yīng)變與直接拉伸應(yīng)變實驗結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，預(yù)測應(yīng)變值偏小，表明上述彎曲實驗預(yù)測拉伸應(yīng)變的方法存在一定的誤差。盡管如此，彎曲實驗預(yù)測的拉伸應(yīng)變與直接拉伸應(yīng)變具有一致性，作為拉伸應(yīng)變預(yù)測仍有一定使用價值。

圖5 典型薄板拉伸試樣多裂縫破壞模式

Fig 5 Typical multi-cracks failure mode of the tensile plate

參考《高性能合成纖維混凝土》[15]關(guān)于纖維混凝土裂縫與軸拉應(yīng)力關(guān)系的理論，計算得到直接拉伸試件的抗拉強度、最大應(yīng)變值和斷裂能，如表5所示。

表5 拉伸實驗結(jié)果

斷裂能值反映了尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料在斷裂過程中消耗的能量，斷裂能愈大，尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料在斷裂過程中消耗的能量愈多，纖維的阻裂效果愈顯著。PVA纖維的增韌增強效果顯著，摻加纖維與未摻加纖維的試件相比，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線相差很大，摻加纖維后試件的拉伸韌性明顯增大、抗拉強度增強，呈現(xiàn)出較大塑性變形特征。直接拉伸應(yīng)變在PVA纖維體積摻量0.0～2.0%范圍內(nèi)增加時，材料的拉伸韌性和抗拉強度隨之增強。由實驗可見，PVA纖維的摻量由1.5%增加到2.0%時，斷裂能增加19%～34%；水膠比由0.40增加至0.50時，斷裂能增加9%～34%。實驗結(jié)果表明，尾礦砂PVA纖維水泥基復(fù)合材料有很好的能量吸收能力，能大幅度提高水泥基復(fù)合材料的韌性。

3 結(jié) 論

(1) 高性能環(huán)保型尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料，具有良好的抗壓性能、抗彎韌性和抗拉延性，在拉伸和彎曲荷載作用下均表現(xiàn)出明顯的假應(yīng)變硬化和多縫開裂特性，其極限拉伸應(yīng)變可達3%左右，是一種具有延性變形特征的水泥基復(fù)合材料。具有很強的能量吸收能力，可以顯著改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗拉變形能力。

(2) 高性能環(huán)保型材料中水膠比對尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的韌性和強度有一定的影響。水膠比在一定范圍內(nèi)增加時，材料的變形能力有所增強，韌性變大，但相應(yīng)的強度有所降低。

(3) 在適當(dāng)?shù)乃z比范圍內(nèi)，高性能環(huán)保型材料中的PVA纖維對尾礦砂水泥基復(fù)合材料有明顯的增強作用和顯著的增韌作用，但隨著水膠比的增大其增強作用迅速退化。實驗表明，PVA纖維體積摻量為2.0%時比較合適。

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Toughening properties of high performance tailings cementitious composites with environmental protection

BAO Wenbo, DI Gaohao, CHEN Sili, LI Linfeng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang Uniersity of Technology, Shenyang 110870, China)

The toughening properties of the PVA fiber tailings cementitious composites developed by the project team were studied based on the cube resisting compression test, the four-point bending test of thin plates and the tensile test of thin sheets. The composite is a kind of high performance building material with environmental protection characteristics, the replacement ratio of natural sand with tailings of wicth is 50%. The characteristic curves of bending load-deflection and tensile stress-strain and compressive strength of were tested, and the flexural toughness, the bending strength, the fracture energy and the tensile strength of the composites were obtained. The effect of the fiber content and water-binder ratio on reinforcing and toughening properties of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites was studied by experiments. The results showed that the composite mix proportion has significant effect on the mechanical properties of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites; the composite materials with appropriate mix proportion would present pseudo-strain-hardening and multi-crack characteristics and have excellent flexural toughness, tensile ductility and better compressive, bending and tensile strength. This paper comprehensively evaluated the strength, toughness and applicability of the PVA fiber reinforced tailings cementitious composites, and provided the basis for the engineering application of the environmental protection composite material.

cementitious composites; tailings sand; PVA fiber; toughness

1001-9731(2016)11-11007-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51279109)

2015-05-04

2016-01-10 通訊作者：底高浩，E-mail: 964002457@qq.com

鮑文博 (1958-)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論、新型建筑材料及工程應(yīng)用等方面研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.002