尾矿砂钢纤维混凝土复合材料的基本力学性能.pdf

2 0 1 5年 第 1期 ( 总 第 3 0 3 期) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T印巳 ORFnCAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 1 0 1 0 尾矿砂钢纤维混凝土复合材料的基本力学性能 鲍文博 ，盐立辉。底高浩 ( 沈阳工业大学 建筑工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 7 0 ) 摘要： 将尾矿砂按一定 比例取代标准砂 ， 并在其中加入钢纤维， 制成混凝土试件 ， 测定其抗压强度和劈裂强度 ， 确定尾矿砂 和 钢纤维的最佳掺入比例 。 试验结果表明， 当尾矿砂的替代比例为4 0 、 6 0 时 ， 尾矿砂混凝土的抗压强度值最大。 在尾矿砂混凝土 中， 当钢纤维的掺量为 1 时， 尾矿砂钢纤维混凝土复合材料的基本力学性能较好 ， 复合材料的抗压强度不会随着钢纤维掺量的 增加而增加， 钢纤维的加入可以改善混凝土的脆性破坏。 关键词： 尾矿砂 ； 钢纤维 ； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 3 8 0 3 T h e b a s ic me c h a n i c a l p r op e r t i e s o f t a l l i n g s s t e e l f i b e r c o n c r e t e c omp o s it e ma t e r i a l s B0 We n b o， QuLi h u i ， DIO a 曲a o ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C hin a ) Abs t r ac t： Ex p e r i me nt a l r es ul t s s h o w t h a twh e nthe r e pl a c e me n t r a tio o fta i lmi n e r a l s andi s40 an d 6 0 ， the c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f t a i l i n g s c o n c lte i s l a r g e s t I n t a i l i n gs c o nc r e t e， wh e n the s tee l fib e r c o n ten t o f 1 ， the b e t t e r the b a s i c me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f t a i l i n gs s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o mp os i te ma t e r i al， an d c o mp r e s s i v e s ue n g t h of the c o mp o s i te ma t e r i al wi l l n ot i n c r e a s e wi t h s t e e l fibe r c o n t e n ti n c r e a s e s ， s t ee lfibe r c a i1i mp r o v ethe b r i t t l ef ail u r e o fthe c o n c r e te K e y wo r d s： t a i l i n g； s tee l fi be r s ； me c h a n i c a l p r o pe r t i e s 0 引言 由于基本建设的快速发展 ， 混凝土在建筑行业 的大量 需求 ， 导致了很多地 区天然砂 资源减少 ， 过度 的开采严 重 破坏 了农 田、 河道 ， 破坏 了 自然 生态系统 。 另一 方面 ， 由于 矿山的大量开采， 导致了大量的尾矿砂滞留问题 ， 尾矿砂 作为一种矿山废弃 物 占用大量耕地 ， 排 出的重 金属 ， 有毒 有害物质对水、 土造成 了严重的污染 ， 对于尾矿砂 的解决 也迫在眉睫。 因此， 在国内一些学者利用尾矿砂代替天然 砂进行 了一些研究工作 ， 清华大学土木工程系覃维祖教授 和 田景松指出 ， 将铁尾 矿砂与机制砂混合组成 混合砂 ， 按 照颗粒级配理论合理调整铁尾矿砂与机制砂的混合比例， 能配制 出工作性 能和力学性能及耐久性 能能满 足现在施 工技术要求的不 同强度等级的混凝土 ； 北京建 筑工程学 院的陈家珑教授 利用铁 尾矿砂 配制 混凝土 ， 试验结 果表 明， 在同等条件下， 尾矿砂替代细骨料的混凝土， 其抗压性 能较天然砂混凝土好 。 近年来， 钢纤维混凝土作为一 种新 型复合材料 ， 应用较 为广泛 ， 它拥有普通混凝 土 的特 性 ， 还能推迟和限制裂缝 开展 ， 提高 了混凝土 的延性和韧 性等特性。 钢纤维的加入 ， 混凝土抗 压强度提高 了 1 0 左 右 ， 钢纤维的掺量过大时 ， 混凝土的强度反而会下 降， 由于 大掺量的纤维加人 ， 在基 体中产生薄弱界 面， 使其 强度降 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 -1 2 3 8 低 引。 混凝土的抗拉强度提高 了 4 0 一 8 0 左右 ， 钢纤维 混凝土 的抗 弯强度 比普通 混凝 土高很 多 ， 抗弯 试件初 裂 后 ， 受拉 区裂缝宽度 随着荷载 的增大而增 大， 达 到极限抗 弯强度后 ， 它不会 马上折 断 ， 而是随着裂缝宽度 的扩大而 缓慢卸载 。 1 试验原材料 1 1 骨料 粗骨料为碎石， 粒径小于2 0 ra i n ， 级配良好， 细骨料分 别为河砂和尾矿砂 ， 河砂为天然中级砂 ， 细度模数为 2 8 9 ， 含泥量小 于 0 9 。 试 验 中使用 的尾矿 砂来 自辽 宁省本 溪市铁矿 ， 细度模数为 1 0 7 8 。 表 1中是尾矿砂的化学成分 分析 。 表 1 尾矿砂的化学成分 1 2 水 泥 选用工源牌 P O 4 2 5级水泥， 普通硅酸盐水泥的比表 3 0 0 m 2 k g ； 初凝时间 4 5 m i n ， 终凝时间6 0 0 m i n ； 该 水泥的 3 d 抗压强度 l 7 MP a ， 2 8 d 抗压强度4 2 5 MP a 。 其主要化学成分如表 2 所示。 表 2 P O4 2 5级水泥的化学成分 ( 质量分数 ) 1 3 粉 煤灰 由深海热电厂提供的 J G J 2 8 8 6 I 级粉 煤灰 ， 其 化学 成分见表 3 。 表 3粉煤灰 的化学成分( 质量分数 ) 1 4 钢纤 维 鞍山生产 的钢纤维 ， 抗拉强度 6 0 0 MP a ， 长径 比 4 4 3 ， 长度值 3 1 i n n 1 ， 等效 0 7 。 1 5 减水 剂 试验选用 的是大连卡西建 筑材料有 限公司生产 的高 性能减水剂 S i k a V i s c o C r e t e 3 3 1 0 E ， 最高减水率达4 0 。 1 6 水 试验室用水， 符合J G J 6 3 1 9 8 9混凝土拌和用水标准 的规定 。 2试验方案 2 1 试验 的基 本配合 比 表4 混凝土基本配合比 2 2试 验 内容 本试验研究的主要内容是用部分尾矿砂替代天然砂， 一 共有六种替代标准砂的比例， 分别为0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 、 1 0 0 。 并在其中加入钢纤维 ， 钢纤维的比例分别为 0 、 1 、 1 5 、 2 。 制备的试件进行抗压试验和劈裂试验 ， 从 抗压强度指标和劈裂强度指 标确定最佳尾矿 砂替代率 和 钢纤维掺人量。 3试验 方法与结果 3 1 抗 压 试 验 方 法 尾矿砂钢纤维混凝土的抗压强度试验采用 1 5 0 m l n x 1 5 0 ra i nx 1 5 0 i n i n的立方体标 准试件 ， 每组 三个试件 ， 共 2 4组 ， 7 2个试 件 ， 试件 的尺寸 和平整 度符 合规 范要求 且 边角无缺损。 采用 Y E S一2 0 0 0型数显式压 力试验机 对试 件进行连续 、 均 匀加载 ， 按照 G B T 5 0 0 8 1 - - 2 0 0 2 ( 普 通混 凝土力学性能试验方法标准 中的相关规定进行试验。 以 0 3 0 5 MP a s 的速 度连续 而均匀地对 试件加 载 ， 当试件 临近破坏而开始变形加速 时， 应 调整试验机油 阀 ， 直至试 件破坏 。 3 2劈裂试验方 法 尾矿砂钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验采用 1 5 0 i n n l x 1 5 0 ra i n x 1 5 0 m i l l 的立方体标准试件， 每组三个试件 ， 共 9组 ， 2 7个试件 ， 试件 的尺寸 和平整度符合 规范要求且 边 角无缺损 。 跟混凝土抗压试验一样 ， 依 旧采用 Y E S一 2 0 0 0 型数显式压力试 验机对试件进 行连续 、 均匀加载 ， 但在 试 件上下对角线各放一根截面为 5 m lT l X 5 m n l ， 长约 2 0 0 r n n q 的钢制平 直方 垫条 。 按 照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通 混 凝 土力学性能试验方法标准 中的相关规定进行试验。 以 0 0 4 O 0 6 MP a s的 速度 连续 而 均 匀地 对 试件 加 载 ， 当 试件接近破坏时 ， 停止调整油 阀， 直至试件破坏 ， 记 录破坏 荷载。 3 3 试验结果与分析 3 3 1 尾矿砂钢纤维混凝土的抗压强度 表 5 不 同尾矿砂替代率下试件不同龄期的抗压强度 尾矿砂替代率 7 d 抗压强度值1 4 d 抗压强度值2 8 d 抗压强度值 ， ， 胁， 胁 表 6不同尾矿砂替代率和钢纤维掺量下试件不同龄期的抗压强度 3 _ 3 2 尾矿砂钢纤维混凝土的劈拉强度 表 7不同尾矿砂替代率和钢纤维掺量下试件的抗拉强度 3 9 图 1 不同尾矿砂替代 比例对混凝土强度的影响曲线 0 2 0 40 6 0 8 0 1 O 0 尾矿砂替代率 ， 图2 7 d不同钢纤维掺量对混凝土强度的影响曲线 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O 0 尾矿砂替代率 ， 图3 2 8 d不同钢纤维掺量对混凝土强度的影响曲线 图4 2 8 d 纤维掺量为 O时。 不同尾矿砂掺量下的劈拉强度 0 0 5 1 0 1 5 2 0 尾矿砂替代率 ， 图5 2 8 d尾矿砂掺量为 1 0 0 时 。 不 同钢纤维掺量下的劈拉强度 在试验过程 中发现 ， 随着载荷 的逐渐增 大 ， 混 凝土 的 顶部受压区产生对称 的微裂缝 ， 并随着试验 的进 行 ， 裂缝 40 逐渐扩展但速度较慢 ， 在受压 区域 内的混凝土表面发生剥 落和掉渣 ， 继而随着试验荷 载继续 增大 ， 混凝土 由于达到 极限抗压强度 而发 生破坏 ， 但钢纤维混凝土裂 而不碎 ， 钢 纤维混凝土抗压试块不是脆性破坏而是整体呈塑性破坏。 对于钢纤维混凝土立方体抗压试块 ， 由于粉煤灰等量取代 水泥， 粉煤灰的加入改善混凝土的微观结构 ， 钢纤维与基 体间的黏结强度增大， 其增强作用得到更好的发挥， 能够 有效地抑制混凝土内部裂缝的扩展， 延缓裂缝的出现和改 善混凝土的韧性 ， 尾矿砂以等量取代砂子， 对细集料的级 配调整更完善。 因而 ， 钢纤维 混凝 土破坏后基体保持原来 的完整性 ， 裂而不散 ， 有较强的整体性 ， 只出现裂纹和发生 剥落 ， 所 以钢纤维的加入使混凝土 的破坏形 态发生改 变 ， 由脆性 变为塑性 。 从表 5和图 1 中得到 ， 当龄期为 7 d时 ， 当尾矿砂 的比 例为 2 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 ， 其各 自对应的强度值均大于 0 掺量时混凝土的强度值， 而且当尾矿砂的比例为 6 0 时强 度值最 大为 3 7 5 6 MP a ， 强度 值相对 于 0掺 量时 增加 了 1 6 6 1 。 然而 1 0 0 尾矿 砂 的比例 时 ， 混凝 土 的强 度会 下 降， 强度值相对于0掺量时降低了 1 3 1 5 。 由于尾矿砂的 掺人 ， 试件的前期和后期强度上 升的快 ， 中期强度上 升缓 慢。 当龄期为 2 8 d时 ， 4 0 和 6 0 尾矿砂掺量 的混凝 土 的 强度值最大5 3 8 i P a ， 相对于0掺量时提高了6 4 。 从上 面的数据中我们可以得到， 当尾矿砂的掺量为2 0 、 4 0 、 6 0 时混凝土的强度均略高于 0掺量 时的强度值 。 4 0 和 6 0 的掺量时强度值总是最大 ， 然 而 1 0 0 尾矿砂掺量 时， 混凝土 的强度与 0 掺量时的强度相 比总是在下降 ， 当龄期 越大时， 强度下降的越明显。 大量尾矿砂的掺入影响中期 强度但不影响最终强度。 4 0 、 6 0 的级配好的细骨料可以 提高混凝土的最终强度。 从表 6和图 2 、 3中得出 ， 当钢纤维的掺量 为 1 、 1 5 时 ， 不掺尾矿砂混凝 土的抗压强度值最 大， 随着尾矿砂掺 量 的变化 ， 混凝 土的强度下降 ， 但是他们 的强度值之 间相 差不大。 当钢纤维的掺量为 2 时， 尾矿砂 掺量为 4 0 时 ， 混凝土的强度值最大 为 3 4 3 6 1V I P a ， 其他不 同尾矿砂掺 量 的混凝 土的抗压强度与之相差不大 ， 当尾矿砂和钢纤维同 时加入混凝土中时 ， 当尾矿砂 的掺量为 0 、 1 0 0 时试 件的 前期强度变化明显 ， 试件的后期强度提高很大并且基于稳 定 ， 通过试验可 以看 出， 当钢纤维 的掺 量为 l 时 ， 混凝 土 的前期和后期强度很稳定 。 从表 7和图 4 、 5中可 以得到 ， 当钢纤维的掺量为0时 ， 尾矿砂 的加 入 对劈 裂 强 度 都 有所 增 加 ， 当尾 矿 砂 的 掺 量为4 0 、 8 0 时， 劈裂强 度提高 的最大， 分 别增长 了 2 2 4 7 和 2 5 8 4 。 随着 尾 矿砂 掺量 的增 加并 没 有 形 成 规律性的变化 。 当掺 入 钢纤 维之 后 ， 劈 裂 强度 随着 纤 维 掺量 的增 加而增大 ， 当纤维 掺量为 2 时 ， 劈裂强 度增 加 最大为 4 3 6 7 ， 所 以我们 可以得 出 ， 钢纤维 的掺量对劈裂 强度的影 响很 大 ， 而且 钢 纤 维 起 到 了很 好 的阻 裂 增 韧 效果 。 下转第 4 4页 如 皇 、 暾出憾g 印 如 们 w 鲁苣 越氍幽 雹q N O 5 O 5 O 5 7 6 6 5 5 4 日 龟 想辊 p 8 N 3 结 论 本研究通过在混凝土试样制作过程中掺入引气剂， 模 拟混凝土 内部大小不同的初始缺 陷， 进行了混凝 土准静态 弯 曲过程 的试验 ， 可以得到 了如下结论 ： ( 1 ) 随着掺入引气剂含量的增加， 混凝土内部所受到的 初始损伤随之增加 ， 混凝土应力 一 应变全 曲线变得越平缓 。 ( 2 ) 随着掺入引气剂含量的增加， 混凝土的抗弯强度、 弹性模量相应减小， 峰值应变则基本保持不变。 ( 3 ) 通过 曲线拟合 获得掺 入引气剂 混凝 土的弹性模 量 ， 得到不同引气剂含量下混凝土的初始损伤值， 为进一 步采用数值方法进行含初 始缺陷混凝土结构 的安 全分析 奠定 了基础 。 参考文献 ： 1 陈厚群 对水工抗震的思考 J 中国电力企业管理， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 3 5 3 5 2 H S U T T C， S L A T E F O， S T U R MA N G M， e t a 1 Mi c r o c r a c k i n g o f p l a i n c o n c r e t e a n d t h e s h a p e o f the s t r e s s s t r a i n c u r v e c 上 接第 3 7页 2 2 J I A B， L I Z， T A O J ， e t a 1 S H P B T e s t o n H i g h T e m p e r a t u r e D y n a mi c a l Me c h a n i c a l B e h a v i o r of C o n c r e t e J J o u r n al o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T ech n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 2 1 ) ： 3 4 3 7 2 3 刘传雄， 李玉龙 ， 吴子燕 ， 等 高温后混凝土材料的动态压缩力 学性能 J 土木工程学报， 2 0 1 I ， 4 4 ( 4 ) ： 7 8 8 3 2 4 郭进军， 刘忠， 张雷顺 混凝土高温损伤研究评述 J 四川建筑 科学研究 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 1 3 01 3 2 2 5 沈新普， 沈国晓 ， 刘继行 高温下混凝土水力、 热及变形耦合数 学模型 J 岩土力学， 2 0 0 7 ， 2 8 ( S ) ： 1 3 71 4 3 2 6 李忠友， 刘元雪 高温作用下混凝土热 一水 一 力耦合损伤分析 模型 J 应用数学和力学 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 4 4 4 4 5 9 2 7 L I L， P U R K I S S J S t r e s ss tr a i n c o n s ti t u ti v e e q u a ti o n s o f c o n 一 上接第 4 0页 4 结论 ( 1 ) 适量尾矿砂的掺人可以提高混凝土的抗压和劈拉 强度 ， 本试验得出的结论是 当尾 矿砂 的替代 比例为 4 0 、 6 0 时， 其抗压强度提高提高最大 ， 当尾矿砂替代 比例大于 6 0 时， 其抗压强度会 降低。 ( 2 ) 适量的钢纤维加入会进一步提高混 凝土的强度 ， 对其劈拉强度影响最明显， 起到了很好的阻裂效果 ， 当钢 纤维的掺量为 1 、 1 5 时， 尾矿砂钢纤维混凝土复合材料 的力学性能相对较好 。 ( 3 ) 当尾矿砂 的替代 比例大 于 8 0 ， 钢纤维 的掺量在 2 时， 复合材料的力学性能已不再优越， 所以尾矿砂的最 佳替代 比例为 4 0 、 6 0 ， 钢纤维的最佳掺入量为 1 时， 复 合材料的力学性能提高最大。 参考文献： 1 田景松 铁尾矿砂混凝土的配制与应用研究 D 北京： 清华大 44 A C I J o u r n al P r o c e e d i n g s ， 1 9 6 3 ， 6 0 ( 2 ) ： 2 0 1 2 0 4 3 L I N E R S A D Mi c r o c r a c k i n g o f c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n a n d i t s i n fl u e n c e o n t e n s i l e s t r e n g th J Ma t e r i al s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 7 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 1 1 1 1 6 4 v U T S U R U S C h a r a c t e ri s ti c s of m i c r o c r a c k i n g i n c o n c r e t e u n d e r s t a ti c a n d r e pea t e d te n s i l e l o a d i n g - J C e m e n t and C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 1 9 8 7 ， 1 7 ( 2 ) ： 2 1 1 2 1 8 r 5 B AS C OUL A S tat e of the a r t r e p o r t P a r t 2： Me c h a n i c a l mi c r o c r a c k i n g o f c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 2 ) ： 6 77 8 6 邱玲， 徐道远 混凝土压缩时初始损伤及损伤演变的试验研 究 J 合吧工业大学学报： 自然科学版， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 6 ) ： 1 0 6 1 1 0 6 5 I- 7 邓爱民， 徐道远 混凝土单轴拉伸损伤试验研究 J 合肥工业 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 6 ( 1 ) ： 7 7 8 0 作者简介： 张云发( 1 9 8 6一) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 主要从 事混凝土损伤断裂研究。 联系地址 ： 联 系 电话 ： 江苏省南京市鼓楼区西康路 1 号 河海大学力学与材 料学院 ( 2 1 0 0 9 8 ) 1 8 6 51 78 1 6 2 4 c r e te ma t e r i al a t e l e v a t e d t e m per a t u r e s J F i r e S a f e ty J o u rnal， 2 0 0 5 ， 4 0 ( 7 ) ： 6 6 9 6 8 6 2 8 李荣涛， 李锡夔 混凝土中化学一热一湿 一力耦合过程的数值 方法 J 力学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 4 ) ： 4 7 1 4 7 9 2 9 李荣涛， 李锡夔 高温下混凝土的本构模拟及破坏分析 J 计 算力学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 5 ) ： 5 5 0 5 5 4 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 李波( 1 9 8 6一) ， 男， 硕士研究生， 主要从事混凝土材料 耐久性方面的研究。 江苏省南京市鼓楼区西康路 1 号 河海大学 6舍 1 1 1 室( 2 1 0 0 9 8 ) 1 8 7 5l 9 8 7 73 7 学土木工程系， 2 0 1 0 2 北京市节能和综合利用协会 北京地区尾矿废石资源化利 用 对策研究 z 2 0 0 6 ( 7 ) 3 丁言伟 ， 于小川 尾矿库利用 ： 擅自动工万万不可 J 当代矿 工 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 1 3 1 5 4 陈家珑 尾矿利用与建筑用砂 J 金属矿山， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 7 1 7 5 5 赵军， 高丹盈 纤维混凝土研究与应用的探讨 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 5 6 6 苏跃宏， 于海霞 钢纤维混凝土基本性能试验研究 J 内蒙古 工业大学报， 2 0 0 6 。 2 5 ( 3 ) ： 2 2 7 2 3 3 7 张建 钢纤维混凝土性能研究及其应用现状 J 山西建筑， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 5 ) ： 1 8 0 1 8 1 作者简介： 鲍文博( 1 9 5 8 一) ， 男， 教授。 一 联系地址： 沈阳经济技术开发区沈辽西路1 1 1 号 联系电话 ： 1 8 9 0 4 049 3 7 9