梁健+汪光鑫+朱志成
[摘 要]煤矸石陶粒和其他輕集料類(lèi)似,由于密度小、強(qiáng)度低、內(nèi)部空隙多的特點(diǎn),導(dǎo)致配制出的混凝土的脆性比普通集料混凝土大,嚴(yán)重制約了煤矸石陶粒在建材領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。為此,選用朝陽(yáng)華龍科建股份有限公司生產(chǎn)的煤矸石陶粒作粗集料,鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料,設(shè)計(jì)了5組不同鋼纖維摻量的混凝土試件,采用拉壓比作為脆性評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試件破壞形態(tài)分析鋼纖維對(duì)煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強(qiáng)增韌作用。研究結(jié)果表明:當(dāng)鋼纖維摻量小于1.5%(體積分?jǐn)?shù))時(shí),隨著鋼纖維摻量的增加,煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高,脆性逐漸減小,顯著改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性,使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。
[關(guān)鍵詞]煤矸石陶粒;脆性;拉壓比;鋼纖維
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.10.229
煤矸石是一種在煤形成過(guò)程中與煤伴生、共生的堅(jiān)硬巖石,是在煤炭開(kāi)采和洗選加工過(guò)程中被分離出來(lái)的固體廢棄物,包括巖巷及煤巷掘進(jìn)中排除的矸石。隨著近年來(lái)我國(guó)煤炭產(chǎn)量的迅猛增長(zhǎng),采煤工藝技術(shù)及設(shè)備日新月異,煤矸石已成為我國(guó)排放量最大的固體廢棄物之一。去年我國(guó)煤炭產(chǎn)量約37億噸,其中煤矸石占當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的20%左右。至2012年全國(guó)累計(jì)堆有煤矸石山1500多座,約45億噸,占地1.3萬(wàn)公頃以上,而且每年以1億~2億噸的速度遞增,每年形成新增占地400多公頃。[1]由于大量的煤矸石堆積,而且未能充分利用和處置,給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān),同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了巨大的危害。當(dāng)前,煤矸石在建筑材料領(lǐng)域的綜合利用,主要是替代黏土生產(chǎn)燒結(jié)磚、制作混凝土砌塊、生產(chǎn)水泥的摻合料等[2][3],生產(chǎn)輕集料并不多見(jiàn),并且其中大部分都是自燃燒結(jié)、破碎形成的自燃煤矸石。而自燃煤矸石的集料離散性較大,各項(xiàng)性能較普通集料相差過(guò)多,配制出的混凝土性能有限。
煤矸石陶粒密度小、比強(qiáng)高、保溫性、耐火性、耐久性、抗凍性較好,用其配制輕集料混凝土有利于建筑向高層、大跨度方向發(fā)展,應(yīng)用前景廣泛。本文選用煤矸石陶粒替代普通石子配制輕集料混凝土,并用鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料,通過(guò)試驗(yàn)研究了鋼纖維對(duì)煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性的增強(qiáng)增韌作用及破壞形態(tài)的改變。
1 試驗(yàn)內(nèi)容
1.1 材料
膠凝材料采用遼寧工源水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.S32.5R型普通礦渣硅酸鹽水泥,其主要性能見(jiàn)表1;粗集料采用朝陽(yáng)華龍科建股份有限公司生產(chǎn)的煤矸石陶粒,基本性能見(jiàn)表2;細(xì)集料采用普通中沙,細(xì)度模數(shù)2.6,堆積密度1349kg/m3,級(jí)配合格;減水劑采用北京德昌偉業(yè)建筑工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DC—WR1型萘系高效減水劑,摻量為0.5%~1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),減水率為12%~20%,在保持水泥用量和水灰比不變的情況下,可提高坍落度10cm以上;水用普通自來(lái)水;鋼纖維采用河北衡水前進(jìn)工程橡塑有限公司生產(chǎn)的鋼板剪切型短鋼纖維,長(zhǎng)度30~35mm,寬度1mm,抗拉強(qiáng)度400~600MPa。
1.2 基準(zhǔn)配合比
按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51—2002)的設(shè)計(jì)步驟,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30的煤矸石陶粒輕集料混凝土。由此得出本次試驗(yàn)的初始配合比,通過(guò)多次試配調(diào)整得出實(shí)際基準(zhǔn)配合比,見(jiàn)表3。
1.3 試驗(yàn)步驟
由于本次試驗(yàn)配制的是煤矸石陶粒輕集料混凝土,故其拌合、成型過(guò)程與普通集料混凝土不同,只能參考《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51—2002)和《輕集料及其試驗(yàn)方法》(GB/T17431.2—2010)進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中既要考慮煤矸石陶粒吸水性強(qiáng)的特點(diǎn),又要考慮到振搗過(guò)程中可能出現(xiàn)的集料上浮現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多次試拌,確定制作流程見(jiàn)圖1。
試件尺寸為100mm×100mm×100mm,試件成型24h后脫模、編號(hào),然后放到裝滿(mǎn)飽和Ca(OH)2溶液的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后,按《輕集料混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTT-053-94)進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論
2.1 試驗(yàn)結(jié)果
采用表3中的基準(zhǔn)配合比和圖1中的制作流程,調(diào)整鋼纖維摻量配制鋼纖維增強(qiáng)增韌煤矸石陶粒輕集料混凝土試件,成型養(yǎng)護(hù)至28d后分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表4。
煤矸石陶粒輕集料混凝土拉壓比與鋼纖維摻量的關(guān)系見(jiàn)圖2。
由此可得:不摻鋼纖維時(shí),煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比相同強(qiáng)度等級(jí)下普通集料混凝土的脆性大(C30普通集料混凝土的拉壓比一般為0.105);煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小,但鋼纖維摻量超過(guò)一定范圍時(shí),增強(qiáng)增韌效果會(huì)變差,鋼纖維摻量以控制在1.5%左右為宜。
2.2 試件破壞形態(tài)分析
(1)抗壓破壞形態(tài)分析。由表4可得,當(dāng)鋼纖維體積摻量在2.0%以下時(shí),煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度提高幅度不超過(guò)11%。但是,鋼纖維的摻入?yún)s改變了煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓破壞的形態(tài)。圖3、圖4分別為鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時(shí)煤矸石陶粒輕集料混凝土的抗壓破壞照片。由圖3和圖4的對(duì)照比較可見(jiàn),未摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后表面碎裂并脫落,試件外形破壞嚴(yán)重;而摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土破壞后裂而不散,表明其抗壓韌性有顯著提高。通過(guò)分析鋼纖維煤矸石陶粒輕集料混凝土裂縫發(fā)展的過(guò)程發(fā)現(xiàn),由于裂縫首先出現(xiàn)在煤矸石陶粒內(nèi)部,鋼纖維與裂縫平行,因此在裂紋穩(wěn)定、緩慢發(fā)展階段,鋼纖維起不到增韌阻裂作用;當(dāng)裂縫擴(kuò)展至即將硬化的水泥砂漿基體時(shí),跨越裂縫的鋼纖維開(kāi)始起增韌阻裂作用,使裂縫擴(kuò)展的速度減慢。當(dāng)試件內(nèi)裂縫體系開(kāi)始變得不穩(wěn)定,試件達(dá)到其所能承受的最大應(yīng)力——混凝土極限強(qiáng)度(即抗壓強(qiáng)度)時(shí),混凝土試件解體破壞,裂縫迅速擴(kuò)展,宏觀(guān)裂縫隨之增大,而橫跨裂縫的鋼纖維則可以有效地阻止裂縫的發(fā)展,使試件韌性增加,最后,隨著宏觀(guān)裂縫的不斷增大,鋼纖維被逐漸拔出。由此可見(jiàn),鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用只有在試件受力達(dá)到抗壓強(qiáng)度之后,裂縫從煤矸石陶粒擴(kuò)展到水泥砂漿基體之中時(shí)才得以發(fā)揮作用。這就是鋼纖維摻入后對(duì)煤矸石陶粒輕集料混凝土抗壓強(qiáng)度提高不大,而混凝土抗壓韌性卻有很大改善的根本原因。[4][5][6]
(2)劈裂抗拉破壞形態(tài)分析。由表4可知,當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增至1.5%時(shí),煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度由3.23MPa增大到5.76MPa,提高幅度非常顯著,拉壓比從0.0811增至0.1327;當(dāng)鋼纖維體積摻量從1.5%增至2.0%時(shí),煤矸石陶粒輕集料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度由5.76MPa降至5.63MPa,拉壓比從0.1327減小到0.1285。不摻鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達(dá)到劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)沿劈裂線(xiàn)劈成兩半,摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土達(dá)到劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)雖出現(xiàn)裂紋,但試件形狀基本沒(méi)有被破壞。鋼纖維體積摻量為0%和1.5%時(shí)煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉破壞照片如圖5、圖6所示。
2.3 鋼纖維增強(qiáng)增韌機(jī)制分析
對(duì)于摻入鋼纖維的煤矸石陶粒輕集料混凝土而言,當(dāng)其受到拉應(yīng)力時(shí),鋼纖維將在受拉區(qū)基體開(kāi)裂后起到承擔(dān)拉應(yīng)力并保持基體裂縫緩慢擴(kuò)展的作用,從而使基體裂縫界面也保持著一定的殘余應(yīng)力。隨著裂縫擴(kuò)展,基體裂縫間殘余應(yīng)力將逐步減小,而鋼纖維具有較大變形能力可繼續(xù)承擔(dān)截面上的拉應(yīng)力,直到鋼纖維被拉斷或從基體中拔出,而這個(gè)過(guò)程是逐步發(fā)生的,這樣鋼纖維就起到了明顯的增韌減脆效果。因?yàn)殇摾w維使煤矸石陶粒輕集料混凝土在受力和破壞過(guò)程中做了更多的功,故有效地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性特征。另外,隨著鋼纖維摻量增加,鋼纖維所占百分比也就相應(yīng)提高,鋼纖維間距減小,所以煤矸石陶粒輕集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度得到不斷提高。但值得注意的是,當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)高時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比反而減小,這可能是因?yàn)殇摾w維摻入過(guò)多導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán),從而影響了鋼纖維對(duì)煤矸石陶粒輕集料混凝土的增強(qiáng)增韌作用。
3 結(jié) 論
(1)煤矸石陶粒和普通石子相比,具有密度小,吸水率高,孔隙多,強(qiáng)度低等明顯特點(diǎn)。正是由于這些差別,使得煤矸石陶粒輕集料混凝土的脆性比普通集料混凝土更大。
(2)當(dāng)鋼纖維摻量小于1.5%時(shí),煤矸石陶粒輕集料混凝土脆性隨鋼纖維摻量的增大而減小;當(dāng)鋼纖維摻量大于1.5%時(shí),增強(qiáng)增韌效果反而變差。鋼纖維作增強(qiáng)增韌材料摻入煤矸石陶粒輕集料混凝土?xí)r,摻量控制在1.5%左右為宜。
(3)在煤矸石陶粒輕集料混凝土中摻入一定量的鋼纖維,雖然對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大,但對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提高非常明顯,并且極大地改善了煤矸石陶粒輕集料混凝土的受壓、受拉變形和破壞特性,使煤矸石陶粒輕集料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。
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