钢纤维对铁尾矿砂再生混凝土力学性能影响

孙夏令 朱倩 陈记豪 彭湃

摘 要：通过6组共54个铁尾矿砂再生混凝土试块试验，研究了水灰比对不同取代率再生混凝土力学性能的影响，试验结果表明：水灰比为0.3的铁尾矿砂再生混凝土（再生粗骨料取代率50%）的综合力学性能较好;铁尾矿砂和钢纤维的共同作用下，抗压强度提升16.4%，劈裂抗拉强度提高69.5%;级配良好的铁尾矿砂（中砂）可以在强度等级C45的混凝土中完全替代天然砂。

关键词：钢纤维;铁尾矿砂;力学性能

中图分类号：TU528   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.016

Effect of Steel Fiber on the Mechanical Properties of Iron Tailings

Recycled Concrete

SUN Xialing1    ZHU Qian2    CHEN Jihao1    PENG Pai1

（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;

2.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Through 6 groups of 54 iron tailings recycled concrete test blocks，the effect of water-cement ratio on the mechanical properties of recycled concrete with different replacement rates was studied.The experimental results showed that iron tailings recycled concrete with a water-cement ratio of 0.3（recycled coarse aggregate）Replacement rate of 50%）has better comprehensive mechanical properties;under the combined action of iron tailings sand and steel fiber，the compressive strength is increased by 16.4%，and the splitting tensile strength is increased by 69.5%;the well-graded iron tailings（medium sand）It can completely replace natural sand in concrete with strength grade C45.

Keywords：steel fiber; iron tailings; mechanical properties

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，工业与民用建筑的数量越来越多，对混凝土的需求量也迅猛增加。混凝土的主要材料为砂。天然砂是指自然生成的、经人工开采和筛分的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒[1]。河砂指河水中自然石经自然力的作用（河水的冲击和侵蚀）形成的有一定质量标准的建筑材料[2]。湖砂和河砂相似。由风化岩石经开挖、爆破筛分而成的砂称之为山砂，也是天然砂的一种，目前已经不多见。海砂由于本身带有腐蚀性的氯离子等碱性物质会腐蚀钢筋，降低建筑使用年限，所以不能被直接应用在工程建筑上[3]。通过海砂淡化设备进行加工后的海砂，氯离子含量降低到符合建筑要求标准后，可以被使用，但加工的成本较高，不易大量推广。其中河砂是现在建筑行业用得最多的。河砂中的砂是最常用的细度模数。随着现在经济的发展，建造大量建筑，对河砂的需求增多，出现开采过度的现象，亟须研制一种材料来部分替代或全部替代天然砂。

1 研究背景

据百年建筑网调研，2020年全国砂石产量为190.3亿 t，同比增长1.17%，2021年上半全国砂石产量约82亿 t，同比上涨18.8%[4]。河砂的大量开采导致生态环境恶化，多个地区已禁止开采河砂[5]。2018—2020年全国范围内严打非法采砂，加上长江、洞庭湖、鄱阳湖合法开采量减少，天然砂供应持续走紧，导致天然砂价格居高不下[6]。同时，我国各地矿山产生了大量的废弃的尾矿，不仅占用大量耕地，并且国内外都曾发生过特别重大的尾矿库溃坝事故。近年來，持续开采石子，不仅使得山体被挖空，也破坏了当地生态环境，若遇到极端天气，极易发生泥石流、山体滑坡等自然灾害。另外建筑垃圾的日益增加，占用大量的城市用地，不仅对环境造成影响，也造成土地资源的浪费。目前建筑垃圾总体资源化率不足10%，远低于欧美国家的90%和日韩的95%[7]。若用铁尾矿砂、再生骨料分别代替天然河砂、天然骨料配制混凝土，则既能够解决天然河砂、天然骨料短缺的问题，又可以解决尾矿与建筑垃圾带来的一系列问题[5]。

铁尾矿砂混凝土指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、铁尾矿砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的混凝土。尾矿就是选矿厂在特定的技术条件下，将矿石磨碎、选取“有用组分”后所排放的废弃物，也是矿石经选别出精矿后剩余的固体废料，是工业固体废物的主要组成部分，其中含有一定数量的有用金属、非金属矿物，可视为一种“复合”的硅酸盐、碳酸盐等矿物材料，并具有粒度细、数量大、污染和危害环境的特点，但同时又是一种潜在的二次资源[8]。粒径小于4.75 mm的尾矿被称为尾矿砂。铁尾矿砂指的是铁矿石经磨细、分选后产生的粒径小于4.75 mm的颗粒[9-10]。其细度模数多为中砂和细砂。

2 研究综述

材料的力学性能达到要求，才能更深入地研究其他性能。目前，国内外对再生混凝土（简称RAC）[11-13]与铁尾矿砂混凝土[14-16]的力学性能进行了较多研究，而对铁尾矿砂-再生混凝土（简称IT-RPC）的研究与报道较少。

王嘉晖等人[11]的研究表明水灰比和再生粗骨料（简称RCA）替代率对RAC的力学性能影响很大，RCA改性会对RAC的力学性能产生积极影响，纤维对RAC力学性能的提升最显著。BAI等人[12]的研究指出，通过剥离旧砂浆来提高再生集料的性能并不是促进再生集料应用的唯一途径，还可以通过控制水灰比、调整骨料含水率和不同搅拌方式等简单经济的方法来提高再生混凝土的性能，以满足混凝土质量的要求。张婷[13]的试验表明，再生混凝土的抗压强度等级随着再生粗骨料的取代率增大而逐渐减小，但是基本满足C35以下的混凝土强度要求。用再生粗骨料制备再生混凝土，其配合比设计方法与普通混凝土配合比设计方法基本相同。但是再生粗骨料有较大的吸水性，而且表面水泥砂浆成分也比较高，在配制时需要通过附加用水的方法来处理。

ZHEN等人[14]的研究表明铁尾矿砂混凝土的棱镜抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.8～0.9，铁尾矿砂混凝土的弹性模量随其强度等级的增加而增加。程和平等人[15]的研究指出，铁尾矿砂掺量为10%时抗压强度最大，铁尾矿砂掺量为20%时抗折强度、冲击功及断裂吸收能量最大且抗碳化性能及抗渗性能最佳;铁尾矿砂掺量增加，同一水化时间下混凝土的水化放热量越小。李壮[16]的试验表明，铁尾矿砂和混合砂（混合砂使用50%铁尾矿砂和50%筛分后的粗河砂颗粒混合而成）混凝土平均强度较河砂混凝土分别提高24.1%和9.5%;铁尾矿砂和混合砂混凝土弹性模量较河砂混凝土分别降低13.7%和4.9%;铁尾矿砂和混合砂混凝土峰值应变较河砂混凝土分别提高13.4%和6.4%。

褚玲妹[17]的研究表明，当水灰比相同时，再生骨料取代率为50%，混凝土的强度达到最大。仝宵等人[18]的研究指出，在水灰比为0.35的条件下，当再生粗骨料掺量为30%时，再生混凝土抗压强度达到最大值，其值为38.34 MPa。

在此背景下，本研究采用再生粗骨料部分（取代率50%）代替天然骨料拌制铁尾矿砂混凝土，通过试验得到水灰比和钢纤维对铁尾矿砂再生混凝土力学性能的影响，以便为IT-RPC的工程应用提供理论依据。

3 试验概况

3.1 试验材料

水泥（秀建牌P·O 42.5级水泥），铁尾矿砂（来源于河南省洛阳市嵩县的铁矿厂，细度模数为2.3），天然粗骨料（采用级配良好的天然碎石），天然砂（来源唐河天然河砂，细度模数为2.2），再生粗骨料（来自本校科研使用完的废弃梁，经过破碎、筛分制备的再生粗骨料），粗骨料的基本物理指标均符合《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）[19]及《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）[20]的要求，其性能见表1。

3.2 试验配合比设计

本试验是基于细骨料为铁尾矿砂的情况，水灰比对IT-RPC力学性能研究，其试验配合比如表2所示，表中C45-R0-HS配合比中，砂为天然河砂，其余均为铁尾矿砂，F1表示钢纤维掺量为1%。

3.3 试块制作与养护

本试验对6组共54个IT-RPC试块的基本力学性能进行试验。混凝土拌合物采用SJD-100型强制式单卧轴混凝土搅拌机搅拌。试块进行标准条件养护，龄期达到后，再按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）[21]，分别采用TYE-1000E型压力试验机、WDW-100M型微機控制电子式万能试验机以加载速度0.6 MPa/s、0.18kN/s测定28 d的立方体抗压、劈裂抗拉强度值。

4 试验结果与分析

4.1 水灰比对IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的抗压和劈裂抗拉强度的影响

水灰比对IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）抗压、劈裂抗拉强度的影响曲线如图1所示。从图1可看出，抗压强度随着水灰比的减小呈增加的趋势，劈裂抗拉强度随着水灰比的降低呈现先下降后增加的趋势。

不同水灰比的增幅（增幅是相对于同等级的立方体混凝土抗压强度标准值）不同，水灰比0.55的增幅为20.3%，水灰比0.40的增幅为18.0%，水灰比0.30的增幅为7.3%。随着水灰比降低，抗压强度的增幅越来越小，这主要是由于水灰比变小，水泥用量增加，再生骨料的自由水抵消水泥用量增加所需要的自由水的能力逐渐削弱。

与水灰比为0.55相比，水灰比为0.40时，混凝土劈裂抗拉强度降低7.3%，当水灰比为0.30时，混凝土劈裂抗拉强度增加2.2%。随着水灰比降低，劈裂抗拉强度呈现先下降后增加的现象，这主要是由于水灰比较大或者较小时，混凝土拌合料更易充分捣实，故劈裂抗拉强度出现“两头大中间小”的现象。

4.2 铁尾矿砂和钢纤维对普通混凝土的抗压和劈裂抗拉强度的影响

铁尾矿砂和钢纤维对普通混凝土抗压、劈裂抗拉强度的影响曲线如图2所示。从图2可看出，铁尾矿砂和钢纤维对抗压强度都具有提升作用，铁尾矿砂对劈裂抗拉强度有轻微削弱作用，钢纤维对劈裂抗拉强度有明显增强作用。

铁尾矿砂使抗压强度的提升效果更明显，提升11.4%;在钢纤维和铁尾矿砂的共同作用下抗拉强度提升16.4%。铁尾矿砂使抗压强度降低5.2%;在钢纤维和铁尾矿砂的共同作用下增加69.5%。钢纤维可以完全消除铁尾矿砂对混凝土劈裂抗拉强度带来的轻微不利影响，并可大幅增强劈裂抗拉强度。

5 结语

①水灰比为0.3的IT-RPC（再生粗骨料取代率50%）的综合力学性能较好。

②铁尾矿砂和钢纤维的共同作用对抗压强度和劈裂抗拉强度均有明显提高，抗压强度提升16.4%，劈裂抗拉强度提高69.5%。

③级配良好的铁尾矿砂（中砂）可以在强度等级C45的混凝土中完全替代天然砂。

参考文献：

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