苗振坤，田帥，陳中航，孫博

(遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

為提高冶金礦山固廢物的綜合利用率，減輕土地資源占用壓力[1]及降低運(yùn)輸費(fèi)用等，選用礦山中固廢物為實(shí)驗(yàn)原材做粗骨料應(yīng)用于混凝土中。早期時(shí)，我國對礦山固廢物利用已有初步研究工作。由于材料性能不同，在應(yīng)用上也存在差別，如將粗粒尾礦破碎后做混凝土骨料[2]，細(xì)粒尾礦可直接做建筑用砂[3]。目前為止，包慧明等[4]做了將赤泥的固廢物應(yīng)用于溫拌改善瀝青中的實(shí)驗(yàn)研究，何良玉等[5]研究將鋼渣作膠凝材料和細(xì)集料去制備高性能砂漿，朱向紅等[6]做了褐鐵礦可制備水泥的研究，鄭永超等[7]做了利用鐵尾礦制備抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)研究。盡管如此，當(dāng)下對于固廢物應(yīng)用在建筑材料中的性能研究仍較少?，F(xiàn)階段我國各地建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，涉及的工程領(lǐng)域越來越廣。眾多工程構(gòu)件在使用時(shí)將受到各種無法預(yù)知的沖擊荷載影響，如機(jī)械撞擊、爆炸、地震、海浪、不規(guī)則振動(dòng)沖擊等動(dòng)載荷。在動(dòng)荷載反復(fù)作用下，強(qiáng)大的沖擊力使構(gòu)件受到反復(fù)壓縮和拉伸，混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫不斷的誘發(fā)和擴(kuò)散。特別當(dāng)構(gòu)件受到固定約束時(shí)，荷載作用后所產(chǎn)生的沖擊波在混凝土內(nèi)部連續(xù)反彈，使得構(gòu)件壽命大大降低。為此，研究混凝土材料特性，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能是非常有意義的。

本文選用的實(shí)驗(yàn)原材為鐵元素質(zhì)量數(shù)10%～15%的超貧鐵礦石，前期在將其應(yīng)用于普通混凝土的實(shí)驗(yàn)研究中[8]，在理論與應(yīng)用方面已取得了階段性成果。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)中破壞現(xiàn)象，超貧鐵礦石還未能發(fā)揮出其本身特性，本文在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中。采用美國ACI 544委員會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)自由落錘實(shí)驗(yàn)方法，對強(qiáng)度等級C60～C90的貧鐵礦石混凝土開展抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)初裂次數(shù)、終裂次數(shù)、初裂終裂次數(shù)差、能量、抗裂能力[9]指標(biāo)對貧鐵礦石混凝土的抗沖擊性能及增強(qiáng)機(jī)理做出分析，并以石灰?guī)r混凝土為基準(zhǔn)做對比。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料準(zhǔn)備

水泥采用P·O 52.5級普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求。粗骨料為超貧鐵礦石，破碎成4.75 ～ 25 mm粒徑碎石，連續(xù)級配?；鶞?zhǔn)混凝土的粗骨料選用普通石灰?guī)r碎石，粗骨料物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 粗骨料物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

依據(jù)粗集料級配技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，兩種粗骨料均屬于I級料。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.73的河砂，表觀密度2610 kg/m3，含泥量1.8%。水采用自來水。

1.2 試樣制備及強(qiáng)度檢測

1.2.1 初步配比材料用量設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究，參考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，并充分考慮工程實(shí)際施工條件與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各項(xiàng)條件存在的差異等因素。為控制粗骨料用量變量，采用絕對體積法計(jì)算其用量，試件編號見表2。

表2 試件編號Table 2 Number of concrete specimens

經(jīng)計(jì)算得出混凝土初步配合比材料用量結(jié)果見表3。

1.2.2 強(qiáng)度檢測

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每組6個(gè)試件。按表3配合比備料進(jìn)行拌和實(shí)驗(yàn)。攪拌方式為人工攪拌，在振動(dòng)臺(tái)成型，24 h后脫模。實(shí)驗(yàn)室混凝土試件養(yǎng)護(hù)間溫度為20℃，相對濕度為95%。經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)，采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法測得的砼極限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表3 初步配合比材料用量Table 3 Material consumption of preliminary concrete mix proportion

表4 28 d抗壓強(qiáng)度/MPaTable 4 Pressure strength of 28 days

表4結(jié)果顯示,各組混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測值均高于標(biāo)準(zhǔn)值，強(qiáng)度符合要求，可參照表3設(shè)計(jì)配比用量開展抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)方法是將一個(gè)重4.55 kg的鋼錘從落距460 mm的高度自由下落沖擊試件。實(shí)驗(yàn)試件為圓餅狀，試件直徑150 mm、厚63.5(±2) mm。按照表3計(jì)算配比用料，按照表2的編號每組制備6個(gè)試件，共計(jì)48個(gè)。

儀器底端為鋼制底板，儀器本身具有固定試件功能，可保持試件形狀。試件上表面正中心位置放置一個(gè)直徑63.5 mm的鋼球，用自制鋼球固定墊固定。實(shí)驗(yàn)前需檢查試件中心位置確保其平整無凹凸部分。實(shí)驗(yàn)過程中，鋼錘自由下落先沖擊鋼球，鋼球再將能量傳遞給試件。循環(huán)實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)觀察試件表面首次出現(xiàn)裂縫時(shí)記錄下沖擊次數(shù)N1（初裂次數(shù)），并用讀數(shù)顯微鏡測出裂縫長度L、寬度c，深度d。繼續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)操作，每操作一次后觀察試件表面，當(dāng)試件表面的裂縫數(shù)不再增加時(shí)定義試件完全破壞，記錄破壞時(shí)的沖擊次數(shù)N2（終裂次數(shù)），再次測出破壞后的試件裂縫長度及寬度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定義此時(shí)的裂縫深度為試件厚度（63.5 mm）。

該實(shí)驗(yàn)方法通過以下幾項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)試件抗沖擊性能:初裂沖擊次數(shù)N1；終裂沖擊次數(shù)N2；初裂終裂沖擊次數(shù)差ΔN；試件初裂、終裂吸收的能量W；試件初裂、終裂抵抗破壞的能力P；參照美國ACI544委員會(huì)[10]推薦，使用（1）式計(jì)算混凝土受到的沖擊能量。

式中：W—沖擊能量；N—沖擊次數(shù)；h—重錘下落高度；m—重錘質(zhì)量；g—重力加速度，取9.81m/s2；

采用式（2）計(jì)算試件抵抗初裂、終裂破壞能力；

式中：P—試件抵抗破壞能力；W—初裂、終裂時(shí)沖擊能量；"ΔS" —裂縫開裂體積。

式中：L—測得裂縫長度；d—裂縫深度，終裂時(shí)取試件厚度為裂縫深度；c—裂縫寬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

圖1為兩種混凝土初裂破壞形態(tài)（取裂紋較為明顯試件）。在落錘反復(fù)錘擊后，試件中心位置先發(fā)生凹陷現(xiàn)象，初始裂紋由凹陷部分向外擴(kuò)散。兩種混凝土產(chǎn)生的初始裂紋寬度深度基本相似，貧鐵礦石混凝土試件表面裂紋數(shù)量較少，基準(zhǔn)混凝土表面裂紋數(shù)量較多，分散在試件表面，試件表面損傷更為嚴(yán)重。圖2為兩種混凝土終裂破壞形態(tài)。

圖1 初裂破壞Fig.1 First crack

圖2 終裂破壞Fig.2 Final crack

由圖3可見，貧鐵礦石混凝土試件的表面裂縫近乎呈一條直線，實(shí)驗(yàn)過程中落錘錘擊試件聲音較為清脆。當(dāng)出現(xiàn)初始裂紋后，錘擊聲音逐漸變小?；鶞?zhǔn)混凝土的裂縫根據(jù)初始裂縫位置的不同，在試件表面隨機(jī)擴(kuò)展，呈現(xiàn)出不規(guī)則的放射狀。

圖3 C 80貧鐵礦石混凝土斷面Fig.3 Section of C 80 gradepoor iron ore concrete

每組混凝土破壞后斷面形態(tài)也各不相同，體現(xiàn)在斷面上骨料斷裂數(shù)量。這與兩種混凝土的粗骨料本身特性是密不可分的，為研究骨料斷裂程度對混凝土中裂縫發(fā)展及抗沖擊性能影響，統(tǒng)計(jì)各組試件的骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂表面比率，結(jié)果見表5。

表5 骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂面比率Table 5 Ratio of aggregate to apparent fracture surface of hardened cement paste

表5結(jié)果可見，C80級貧鐵礦石混凝土的骨料斷裂數(shù)量較大。

破壞后的斷面較為平整，斷裂的骨料在斷面呈明顯對稱狀態(tài)。

C 60、C 70級貧鐵礦石混凝土骨料斷裂數(shù)量較少，斷面凹凸不平，破壞裂縫主要貫穿于硬化水泥漿體與骨料界面見圖4、5。

圖4 C 60級貧鐵礦石混凝土斷面Fig.4 Section of C 60 gradepoor iron ore concrete

各等級基準(zhǔn)混凝土破壞后的斷面上基本相似，骨料斷裂和骨料砂漿界面在斷面處清晰可見，見圖5。隨著強(qiáng)度等級的提升，骨料與硬化水泥漿體表觀斷裂面比值也在逐漸提高。

圖5 C 70級基準(zhǔn)混凝土斷面Fig.5 Section of C 70 grade normal concrete

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對48個(gè)試件進(jìn)行自由式落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，為避免試件制備或加載時(shí)的人工操作不當(dāng)?shù)纫蛩貙Y(jié)果影響，確保結(jié)果準(zhǔn)確。取初裂沖擊次數(shù)、終裂沖擊次數(shù)的有效數(shù)據(jù)平均值作為結(jié)果數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，強(qiáng)度等級與沖擊次數(shù)、能量指標(biāo)的關(guān)系見圖6、7。

表6 抗沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of impact test

圖6 強(qiáng)度等級與沖擊次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between strength grade and impact number

圖7 強(qiáng)度等級與能量關(guān)系Fig.7 Relationship between strength grade and energy

圖6 、7及表6結(jié)果可見，隨著強(qiáng)度等級的提升，兩種混凝土的初裂、終裂破壞次數(shù)、能量的指標(biāo)均呈現(xiàn)出明顯增加趨勢且變化規(guī)律基本一致。數(shù)據(jù)顯示各等級的貧鐵礦石混凝土初裂、終裂次數(shù)及能量指標(biāo)始終高于基準(zhǔn)混凝土，數(shù)值上提高了約0.65 ～ 2.03倍。強(qiáng)度達(dá)到C90級時(shí)貧鐵礦石混凝土N1、N2、W值最大。強(qiáng)度為C80級時(shí)提高的倍數(shù)最大，且在該等級時(shí)，圖8中直線斜率呈現(xiàn)大趨勢的增加，表5中骨料破壞程度也最大。說明了貧鐵礦石混凝土骨料破壞對平衡試件吸收的沖擊能量起到了決定性的作用。

圖8 強(qiáng)度等級與初裂終裂沖擊次數(shù)差關(guān)系Fig.8 Relationship between strength grade and impact times of frist crack and final crack

圖8 中顯示，基準(zhǔn)混凝土ΔN值始終高于貧鐵礦石混凝土。隨著強(qiáng)度等級的增加兩種混凝土ΔN差值逐漸的增大，C80級時(shí)的差值最大。實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)發(fā)生初裂破壞后試件很快就達(dá)到最終破壞。證明了將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中雖可增強(qiáng)混凝土抗沖擊性能，但也提高了混凝土的脆性程度，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中錘擊聲響的變化也證實(shí)了這一點(diǎn)。為更加直觀的體現(xiàn)出ΔN值對混凝土抗沖擊性能的影響程度，引用延性指標(biāo)β[11]對性能進(jìn)行評價(jià)。

其中：β1—貧鐵礦石混凝土延性程度；β2—基準(zhǔn)混凝土延性程度。經(jīng)（4）式計(jì)算的結(jié)果見表7。

表7 延性指標(biāo)Table 7 Ductility index

結(jié)果可見，貧鐵礦石混凝土較基準(zhǔn)混凝土的延性程度降低了約1.31 ～ 10.44倍。但由于ΔN與N1值相差較大，使得兩種混凝土β值的結(jié)果較小，說明了與N1值相比ΔN值對與貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能影響較小。

通過已測量的裂縫長度、深度與寬度，經(jīng)（2）式計(jì)算得出試件抵抗初裂、終裂破壞能力值，結(jié)果見表8。對強(qiáng)度等級與抵抗破壞能力做相關(guān)性檢驗(yàn)，回歸結(jié)果見表9，二者關(guān)系見圖10。

表8 抵抗破壞能力Table 8 Resistance to damage

表9 抵抗破壞能力線性回歸結(jié)果Table 9 Linear regression results of resistance to damage

圖10 抵抗破壞能力與強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系Fig.10 Relationship between resistance to damage and strength grade standard value

圖10 表明抵抗破壞的能力指標(biāo)與強(qiáng)度等級之間成一次線性關(guān)系。隨著強(qiáng)度等級的提高，兩種混凝土抵抗破壞能力均在提升。與基準(zhǔn)混凝土相比，貧鐵礦石混凝土的抵抗初裂、終裂破壞的能力均較強(qiáng)。相比較終裂破壞能力，抵抗初裂破壞的能力提升的幅度較大，且相關(guān)系數(shù)R2值也最大?？梢缘贸鲭S著強(qiáng)度等級的提高，貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能的增強(qiáng)主要是依靠提升了抵抗初裂的破壞能力來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，貧鐵礦石混凝土的抗沖擊性能有了顯著的增強(qiáng)。當(dāng)采用破壞次數(shù)以及能量指標(biāo)評價(jià)混凝土抗沖擊性能時(shí)，貧鐵礦石混凝土抗沖擊性能增強(qiáng)約0.67 ～ 2.03倍?；炷翉?qiáng)度C80級時(shí)超貧鐵礦石破壞程度最大，平衡的沖擊能量最大，骨料特性被充分利用，抗沖擊性能增強(qiáng)幅度達(dá)到最大。

（2）抵抗破壞能力與強(qiáng)度等級之間成一次線性關(guān)系，貧鐵礦石混凝土主要是以提升抵抗初裂破壞的能力增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能。超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中雖可增強(qiáng)混凝土抗沖擊性能，但也提高了混凝土的脆性程度。

（3）將超貧鐵礦石應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土中，既提升了固廢物利用率，降低了運(yùn)輸消耗等經(jīng)濟(jì)成本，又解決土地資源占用問題。同時(shí)，這對預(yù)制管樁（嵌巖樁）、機(jī)場路面、橋面等有高抗沖擊性能要求的結(jié)構(gòu)部位，有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。