掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土力学性能试验与分析

2021-01-18蒋中友孙金坤李晓明马双狮

四川水泥 2021年1期

关键词：矿渣抗折玄武岩

蒋中友孙金坤李晓明马双狮曾倩

Cement and concrete production 水泥与混凝土生产

掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土力学性能试验与分析

蒋中友1孙金坤2李晓明2马双狮1曾倩2

（1.西华大学土木建筑与环境学院，四川成都 610039；2.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000）

通过不同体积掺量玄武岩纤维（0.2%、0.4%和0.6%）的掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土和普通高钛重矿渣的抗压、劈裂抗拉和抗折来分析玄武岩纤维的不同体积掺量对掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土力学性能的影响。结果表明，玄武岩纤维可显著改善试件劈裂抗拉性能和抗折性能，对抗压性能影响不大。抗压强度和抗折强度随玄武岩纤维掺量的增加呈先增加后降低趋势，纤维掺量为0.4%时达到最大值，28d强度较基准混凝土分别增长了14.26%和28.89%，而劈裂抗拉强度随玄武岩纤维掺量的增加而持续增加，纤维掺量为0.6%时，28d强度较基准混凝土增长了39.24%。该种纤维混凝土可解决混凝土开裂的施工问题。

玄武岩纤维；高钛重矿渣；混凝土；力学性能

0 引言

高钛重矿渣是攀钢集团冶炼钒钛磁铁矿而形成的一种疏松多孔废渣，其具有含钛量高，强度高和化学稳定性好等特点[1,2]。近年来，随着国家对工业固态废弃物资源化利用的重视，一些学者提出以高钛重矿渣代替天然砂石作为粗、细骨料用于混凝土材料来实现高钛重矿渣综合资源化利用[3]。国内外对高钛重矿渣的应用研究范围较广，如孙金坤[4]等就高钛重矿渣为粗、细骨料进行路面混凝土配合比优化研究，试验结果表明水胶比可以决定道路混凝土的抗弯拉性能；孙金坤和刘静[5]等就高钛重矿渣代替粘土作为墙体材料进行试验研究，研究发现利用高钛重矿渣制作的混凝土空心砌块的物理性能满足规范要求。但高钛重矿渣混凝土也具有脆性大，抗拉强度低等缺点，而玄武岩纤维对混凝土可以起增强作用，可以明显改善混凝土的劈裂抗拉和抗折性能[6-8]{周浩, 2019 #141;周强, 2019 #140}，玄武岩纤维应用于普通混凝土的研究已经比较广泛，但将其应用于高钛重矿渣混凝土的研究还比较少。本文通过在高钛重矿渣混凝土掺入0、0.2%、0.4%和0.6% 4种不同掺量的玄武岩纤维，采用正交试验制备一种新型掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土，并对其进行力学性能试验，分析不同掺量的玄武岩纤维对掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土力学性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

本试验所用主要材料为：

（1）粗骨料：采用粒径为5mm-20mm的连续级配的高钛重矿渣碎石；

（2）细骨料：采用细度模数为3.2的高钛重矿渣砂；

（3）水泥：攀枝花本地生产的P.O 42.5R普通硅酸盐水泥；

（4）玄武岩纤维：采用上海某有限公司生产的18mm短切玄武岩纤维；

（5）外加剂及其他矿物掺合料：

①减水剂：采用陕西秦奋建材有限公司生产的Q8081-均衡性-液体聚羧酸系高性能减水剂，掺量为0.3%；②粉煤灰：攀枝花环业公司采用Ⅰ级粉煤灰；③硅灰：采用四川朗天资源综合利用公司生产的SLT92U硅灰；

（6）水：攀枝花市的实验室清洁自来水。

1.2 配合比设计

根据《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ 55-2011）进行试验基准配合比设计，水胶比为0.32，砂率设计为35%，基准混凝土的具体配合比见表1。

表1 基准混凝土配合比

2 试验方案

本次试验根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）[9]的相关要求，使用CSS-WAW1000 电液伺服万能试验机进行抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验。试验中抗压强度试验采用边长为100mm的非标准立方体试件、劈裂抗拉试验采用边长为150mm的标准立方体试件和抗折试验采用的是100mm×100mm×400mm的非标准立方体试件。每组3个试件，混凝土立方体抗压强度值为其实测值的算术平均值，并考虑尺寸效应，将抗压强度和抗折强度所测值分别乘上换算系数0.95和0.85。

2.1 混凝土抗压强度试验

掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土立方体试件的7d、14d和28d抗压强度可按式1计算，其计算结果如表2所示。

表2 掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗压强度结果表

由表2可知，相较于基准混凝土，当纤维掺量不大于0.4%，随着玄武岩纤维掺量的增加，掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗压强度和受压破坏荷载也随之增加，但当掺量大于0.4%时，试件抗压强度呈下降趋势，整体增长比较均匀。当纤维掺量为0.4%时，试件28d抗压强度达到最大值69.9MPa，28d受压破坏荷载达到746.8kN，分别较基准混凝土提高了14.26%和14.15%。

2.2 混凝土抗折强度试验

掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土立方体试件的7d、14d和28d抗折强度可按式2计算，计算结果如表3所示。

表3 掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗折强度结果表

由表3可知，相较于基准混凝土，掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加而持续增加，整体增长趋势比较均匀。当纤维掺量为0.6%时，试件28d劈裂抗拉强度和28d劈裂受拉荷载均达到最大值，分别为4.79MPa和171.2kN，分别较基准混凝土提高了39.24%和37.29%。

2.3 混凝土抗折强度试验

掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土棱柱体试件的7d、14d和28d抗折强度可按式3计算，计算结果如表4所示。

表4 掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗折强度结果表

由表4可知，相较于基准混凝土，掺玄武岩纤维高强高钛重矿渣混凝土抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加而增加，纤维掺量在0-0.2%内时，试件抗折强度增长速率较快；纤维掺量在0.2%-0.4%时，试件抗折强度基本无变化；纤维掺量在0.4%-0.6%时，试件抗折强度呈下降趋势。当纤维掺量为0.4%，试件28d抗折强度和28d受弯拉破坏荷载达到最大值，分别为7.63MPa和31.9kN，较基准混凝土分别提高了28.89%和31.82%。

据此可知，当玄武岩掺量不大于0.4%时，混凝土抗压强度和抗折强度与掺量呈增长趋势；当玄武岩掺量大于0.4%时，混凝土抗压强度和抗折强度与掺量却呈下降趋势，这可能是因为玄武岩纤维掺量过多，导致其结团成块，在混凝土中不均匀，内部出现空隙，形成应力集中点，从而造成强度有所降低。而混凝土劈裂抗拉强度与玄武岩掺量始终呈增长趋势，这可能是因为混凝土破坏后，后续的抗力完全是由玄武岩纤维间的桥接作用提供。