蔣中友 孫金坤 李曉明 馬雙獅 曾 倩

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與分析

蔣中友1孫金坤2李曉明2馬雙獅1曾 倩2

（1.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

通過不同體積摻量玄武巖纖維（0.2%、0.4%和0.6%）的摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土和普通高鈦重礦渣的抗壓、劈裂抗拉和抗折來分析玄武巖纖維的不同體積摻量對(duì)摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，玄武巖纖維可顯著改善試件劈裂抗拉性能和抗折性能，對(duì)抗壓性能影響不大?？箟簭?qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，纖維摻量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值，28d強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別增長(zhǎng)了14.26%和28.89%，而劈裂抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加而持續(xù)增加，纖維摻量為0.6%時(shí)，28d強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土增長(zhǎng)了39.24%。該種纖維混凝土可解決混凝土開裂的施工問題。

玄武巖纖維；高鈦重礦渣；混凝土；力學(xué)性能

0 引言

高鈦重礦渣是攀鋼集團(tuán)冶煉釩鈦磁鐵礦而形成的一種疏松多孔廢渣，其具有含鈦量高，強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1,2]。近年來，隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)固態(tài)廢棄物資源化利用的重視，一些學(xué)者提出以高鈦重礦渣代替天然砂石作為粗、細(xì)骨料用于混凝土材料來實(shí)現(xiàn)高鈦重礦渣綜合資源化利用[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)高鈦重礦渣的應(yīng)用研究范圍較廣，如孫金坤[4]等就高鈦重礦渣為粗、細(xì)骨料進(jìn)行路面混凝土配合比優(yōu)化研究，試驗(yàn)結(jié)果表明水膠比可以決定道路混凝土的抗彎拉性能；孫金坤和劉靜[5]等就高鈦重礦渣代替粘土作為墻體材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)利用高鈦重礦渣制作的混凝土空心砌塊的物理性能滿足規(guī)范要求。但高鈦重礦渣混凝土也具有脆性大，抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，而玄武巖纖維對(duì)混凝土可以起增強(qiáng)作用，可以明顯改善混凝土的劈裂抗拉和抗折性能[6-8]{周浩, 2019 #141;周強(qiáng), 2019 #140}，玄武巖纖維應(yīng)用于普通混凝土的研究已經(jīng)比較廣泛，但將其應(yīng)用于高鈦重礦渣混凝土的研究還比較少。本文通過在高鈦重礦渣混凝土摻入0、0.2%、0.4%和0.6% 4種不同摻量的玄武巖纖維，采用正交試驗(yàn)制備一種新型摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析不同摻量的玄武巖纖維對(duì)摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用主要材料為：

（1）粗骨料：采用粒徑為5mm-20mm的連續(xù)級(jí)配的高鈦重礦渣碎石；

（2）細(xì)骨料：采用細(xì)度模數(shù)為3.2的高鈦重礦渣砂；

（3）水泥：攀枝花本地生產(chǎn)的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥；

（4）玄武巖纖維：采用上海某有限公司生產(chǎn)的18mm短切玄武巖纖維；

（5）外加劑及其他礦物摻合料：

①減水劑：采用陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的Q8081-均衡性-液體聚羧酸系高性能減水劑，摻量為0.3%；②粉煤灰：攀枝花環(huán)業(yè)公司采用Ⅰ級(jí)粉煤灰；③硅灰：采用四川朗天資源綜合利用公司生產(chǎn)的SLT92U硅灰；

（6）水：攀枝花市的實(shí)驗(yàn)室清潔自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 55-2011）進(jìn)行試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)，水膠比為0.32，砂率設(shè)計(jì)為35%，基準(zhǔn)混凝土的具體配合比見表1。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）[9]的相關(guān)要求，使用CSS-WAW1000 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為100mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件、劈裂抗拉試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件和抗折試驗(yàn)采用的是100mm×100mm×400mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件。每組3個(gè)試件，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值為其實(shí)測(cè)值的算術(shù)平均值，并考慮尺寸效應(yīng)，將抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度所測(cè)值分別乘上換算系數(shù)0.95和0.85。

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土立方體試件的7d、14d和28d抗壓強(qiáng)度可按式1計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果表

由表2可知，相較于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)纖維摻量不大于0.4%，隨著玄武巖纖維摻量的增加，摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度和受壓破壞荷載也隨之增加，但當(dāng)摻量大于0.4%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，整體增長(zhǎng)比較均勻。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，試件28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值69.9MPa，28d受壓破壞荷載達(dá)到746.8kN，分別較基準(zhǔn)混凝土提高了14.26%和14.15%。

2.2 混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土立方體試件的7d、14d和28d抗折強(qiáng)度可按式2計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗折強(qiáng)度結(jié)果表

由表3可知，相較于基準(zhǔn)混凝土，摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增加而持續(xù)增加，整體增長(zhǎng)趨勢(shì)比較均勻。當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，試件28d劈裂抗拉強(qiáng)度和28d劈裂受拉荷載均達(dá)到最大值，分別為4.79MPa和171.2kN，分別較基準(zhǔn)混凝土提高了39.24%和37.29%。

2.3 混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土棱柱體試件的7d、14d和28d抗折強(qiáng)度可按式3計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗折強(qiáng)度結(jié)果表

由表4可知，相較于基準(zhǔn)混凝土，摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增加而增加，纖維摻量在0-0.2%內(nèi)時(shí)，試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快；纖維摻量在0.2%-0.4%時(shí)，試件抗折強(qiáng)度基本無變化；纖維摻量在0.4%-0.6%時(shí)，試件抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)纖維摻量為0.4%，試件28d抗折強(qiáng)度和28d受彎拉破壞荷載達(dá)到最大值，分別為7.63MPa和31.9kN，較基準(zhǔn)混凝土分別提高了28.89%和31.82%。

據(jù)此可知，當(dāng)玄武巖摻量不大于0.4%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度與摻量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)玄武巖摻量大于0.4%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度與摻量卻呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樾鋷r纖維摻量過多，導(dǎo)致其結(jié)團(tuán)成塊，在混凝土中不均勻，內(nèi)部出現(xiàn)空隙，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，從而造成強(qiáng)度有所降低。而混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與玄武巖摻量始終呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榛炷疗茐暮?，后續(xù)的抗力完全是由玄武巖纖維間的橋接作用提供。

3 結(jié)論

1）玄武巖纖維可以改善摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土的力學(xué)性能，對(duì)抗壓性能的影響較小，但對(duì)劈裂抗拉和抗折性能的影響比較顯著。

2）玄武巖纖維的加入，明顯增強(qiáng)了試件的抗折性能和劈裂抗拉性能，從而可以有效抑制混凝土的開裂。

3）摻玄武巖纖維高強(qiáng)高鈦重礦渣混凝土較傳統(tǒng)高鈦重礦渣的強(qiáng)度等級(jí)高，達(dá)到C60級(jí)強(qiáng)度等級(jí)，可以應(yīng)用于其他需高強(qiáng)度等級(jí)的工程領(lǐng)域，為高鈦重礦渣的綜合利用提供一種新方法。

[1] 孫金坤. 全高鈦重礦渣混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].重慶大學(xué),2006.

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[3] 徐春生, 婁元濤, 鄧敏, 等.高鈦重礦渣混凝土的力學(xué)性能與自生體積變形[J].混凝土,2015 (01): 111-114.

[4] 孫金坤, 黃雙華, 念紅芬, 等.復(fù)高鈦重礦渣路面混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究 [J].混凝土,2011 (08): 135-137.

[5] 孫金坤, 劉靜, 馬海萍, 等.高品質(zhì)高鈦重礦渣空心砌塊的制備及性能試驗(yàn)研究 [J].建筑技術(shù),2016, 47 (09): 836-839.

[6] 周浩, 賈彬, 黃輝, 等.玄武巖纖維混凝土抗壓和抗折力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2019, 49 (08): 147-152.

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[8] 李德超,趙晨曦.玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能研究[J].公路,2020,65（06）：237-241.

[9] GB/T 50081-2019.混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2019.

蔣中友（1995- ），男，四川省資陽市，漢族，學(xué)歷：碩士研究生，單位：西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，研究方向：建筑材料。

孫金坤（1975- ），男，云南省江川縣，漢族，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：教授，單位：攀枝花學(xué)院土木建筑與工程學(xué)院，研究方向：土木與建筑工程結(jié)構(gòu)。

TQ172

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1007-6344（2021）01-0017-02