摘要：為研究鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的工程性能，利用不同鐵尾礦砂替代石英砂作為細(xì)骨料，制備了新型纖維鐵尾礦混凝土，并對(duì)其開(kāi)展了立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂制備新型混凝土具備高度可行性，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時(shí)，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的綜合性能最佳，此時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均取得最大值，分別為37.15、3.02和4.58 MPa，較普通混凝土分別提升23.22%、54.87%和29.01%。研究成果為新型鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒作用。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦砂；細(xì)骨料；混凝土；PVA纖維；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ172.9；TU201.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0090-03

Study on the mechanical properties and strength of concrete"floor slabs improved by iron tailings and fibers

HUANG Baoyin

（China 22nd Metallurgical Group Co.，Ltd.，Tangshan 063000，Hebei China）

Abstract：To study the engineering performance of iron tailings concrete in prefabricated composite floor slabs，anew type of fiber iron tailings green concrete was prepared by using different iron tailings sand instead of quartzsand as fine aggregate. Cube compressive strength，splitting tensile strength，and bending strength tests were con?ducted on it. The results indicated that using iron tailings sand as a partial substitute for quartz sand to prepare anew type of green concrete was highly feasible. When the substitution rate of iron tailings sand was 40% and thePVA fiber content was 2%，the comprehensive performance of the new fiber improved iron tailings green concretewas the best. At this time，its cubic compressive strength and splitting tensile strength were expected to reach theirmaximum values，with 37.15，3.02，and 4.58 MPa，respectively，which were 23.22%，54.87% and 29.01% higherthan ordinary concrete. The research results provide a reference for the design and application of new iron tailingsconcrete in prefabricated composite floors.

Key words：iron tailings；fine aggregate；concrete；PVA fiber；mechanical properties

鐵尾礦是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一種副產(chǎn)品，主要由鐵礦石的非金屬礦物成分組成，包括石英、蛇紋石、方解石等。鐵尾礦的主要問(wèn)題在于其無(wú)法自然分解，因此會(huì)占用大量土地資源并對(duì)環(huán)境造成污染[1-3]。因此，如何合理回收利用鐵尾礦資源逐漸成為熱門(mén)研究領(lǐng)域。

近年來(lái)，研究人員開(kāi)始探索利用纖維改良混凝土的力學(xué)性質(zhì)，以提升其綜合性能[4-6]。利用纖維改良鐵尾礦混凝土，具備廣闊的研究前景。目前，鐵尾礦混凝土的研究主要包括鐵尾礦混凝土的基本性能，研究了鐵尾礦混凝土的基本物理力學(xué)性能，如壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B透性等[7-9]。此外，還有部分學(xué)者提出可以對(duì)鐵尾礦混凝土的材料配合比進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)控制鐵尾礦與其他原材料的配合比例，研究如何獲得性能更好的混凝土材料[10-12]。

本次研究制備了新型纖維改良鐵尾礦混凝土，并對(duì)其開(kāi)展了立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。研究成果為新型鐵尾礦混凝土在裝配式組合樓板中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒作用。

1試驗(yàn)部分

1. 1試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)主要原材料如下：（1）膠凝材料。試驗(yàn)研究所用的膠凝材料包括水泥、粉煤灰和偏高嶺土，其中水泥為山西某建筑材料生產(chǎn)有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為3.05 g/cm3，28 d抗壓強(qiáng)度51.9 MPa；粉煤灰為產(chǎn)自河北的一級(jí)粉煤灰，主要成分為SiO2（22.1%）、Al2O3（5.2%）、CaO（64.3%）、Fe2O（35.5%）；偏高嶺土，白度95.5，水懸浮液pH值為7；（2）細(xì)骨料。細(xì)骨料采用石英砂，并使用鐵尾礦砂部分替代石英砂。其中，石英砂的密度為2.65 g/cm3，莫氏硬度為6.95；鐵尾礦砂主要成分為SiO2和Fe2O3，其密度為2.78 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.8；（3）纖維。采用產(chǎn)自江蘇省蘇州市某化工產(chǎn)品有限公司的高強(qiáng)度聚乙烯醇（PVA）纖維，纖維材料親水性好，強(qiáng)度高。平均長(zhǎng)度為12 mm，直徑為40μm，密度為1.35 g/cm3，拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 500 MPa；（4）減水劑。采用產(chǎn)自江蘇省南京市某化工產(chǎn)品有限公司的聚羧酸減水劑，密度為1.20 g/cm3，減水率為19%。

1. 2試樣制備

設(shè)置了2個(gè)試驗(yàn)組開(kāi)展本次試驗(yàn)研究，其中，第1組為不摻PVA纖維的混凝土，第2組為摻2%PVA纖維的混凝土。此外，2組均設(shè)置4種不同鐵尾礦砂替代率的混凝土試樣，替代率分別為0%、20%、40%和60%。本次試驗(yàn)制備混凝土的基礎(chǔ)配比為細(xì)骨料?水?粉煤?偏高嶺土?水泥?減水劑=565.6 kg?440.3 kg?377.4 kg?188.7 kg?692 kg?5.66 kg，對(duì)應(yīng)各試樣中鐵尾礦砂的質(zhì)量分別為0、113.12、226.24和339.36 kg。按照上述配合比設(shè)計(jì)稱(chēng)取相應(yīng)質(zhì)量的原材料并倒入攪拌機(jī)后進(jìn)行攪拌，將拌合完成的混凝土放入模具中分別養(yǎng)護(hù)3 d后取出開(kāi)展試驗(yàn)研究。

1. 3試驗(yàn)方案

為研究新型纖維改良鐵尾礦混凝土試驗(yàn)的工程性能，本次研究依照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的試樣開(kāi)展了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以及抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，所用試樣均為標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm、300 mm×76 mm×13 mm和φ100 mm×200 mm。

2結(jié)果與討論

3

2. 1立方體抗壓強(qiáng)度

表1展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

由表1可知，在鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度均產(chǎn)生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先增大后減小。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度為30.15 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗壓強(qiáng)

度分別達(dá)到33.15、32.78和30.68 MPa。分析認(rèn)為，這是由于當(dāng)鐵尾礦砂取代率在合理范圍內(nèi)，鐵尾礦砂內(nèi)部的SiO充分與水泥中的Ca（OH）水化22反應(yīng)生成水化硅酸鈣（C—S—H〉凝膠材料能夠很好的填充混凝土內(nèi)部孔隙及改善基體結(jié)構(gòu)，使得鐵尾礦混凝土的抗壓強(qiáng)度増加[13-14]。但是，當(dāng)鐵尾礦砂取代率超過(guò)合理值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致砂級(jí)配不良，使得基體內(nèi)部存在缺陷，形成薄弱層，這些薄弱層在受壓時(shí)容易形成裂紋貫穿整個(gè)試件，致使其抗壓強(qiáng)度降低[15]。

PVA纖維明顯提升了混凝土的承載能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為34.06、36.33、37.15和34.29 MPa。當(dāng)鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時(shí)，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度最大，此時(shí)為37.15 MPa，較普通混凝土提升23.22%。

2. 2劈裂抗拉強(qiáng)度

圖1展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1可知，在鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均產(chǎn)生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也先增大后減小。普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為1.95 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到2.07、2.11和2.06 MPa，分別相對(duì)增大6.15%、8.21%和5.64%，提升幅度較小。但是，PVA纖維則明顯提升了混凝土的抗拉能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為2.68、2.85、3.02和2.78MPa，較不摻PVA纖維組強(qiáng)度增幅分別達(dá)到37.43%、37.68%、43.13%和34.95%。當(dāng)鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時(shí)，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)為3.02 MPa，較普通混凝土提升54.87%。2. 3抗彎強(qiáng)度

圖2展示了新型纖維改良鐵尾礦混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

由圖2可知，鐵尾礦砂和PVA纖維的作用下，混凝土的抗彎強(qiáng)度均產(chǎn)生了一定程度的變化。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。普通混凝土的抗彎強(qiáng)度為3.55 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到3.62、3.81和3.70 MPa，分別相對(duì)增大1.97%、7.32%和4.23%，提升幅度較小。但是，PVA纖維則明顯提升了混凝土的抗彎能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗彎強(qiáng)度分別為4.09、4.33、4.58和4.36 MPa，較不摻PVA纖維組強(qiáng)度增幅分別達(dá)到15.21%、19.61%、20.21%和17.84%。當(dāng)鐵尾礦砂替代率為40%、PVA纖維摻量2%時(shí)，新型纖維改良鐵尾礦混凝土的抗彎強(qiáng)度最大，此時(shí)為4.58 MPa，較普通混凝土提升29.01%。

3結(jié)語(yǔ)

（1）利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先增大后減小。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度為30.15 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到33.15、32.78和30.68 MPa。PVA纖維明顯提升了混凝土的承載能力。摻入2%PVA纖維后，不同替代率下混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為34.06、36.33、37.15和34.29 MPa；

（2）普通混凝土的抗彎強(qiáng)度為3.55 MPa，利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，混凝土的抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到3.62、3.81和3.70 MPa，分別相對(duì)增大1.97%、7.32%和4.23%，提升幅度較??；

（3）利用鐵尾礦砂部分替代石英砂后，隨著鐵尾礦砂替代率的增大，混凝土的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。利用鐵尾礦砂部分替代石英砂均會(huì)小幅度提升混凝土的抗彎強(qiáng)度，但是摻入纖維后混凝土的抗彎強(qiáng)度會(huì)明顯增大。

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