掺聚苯乙烯颗粒的高钛渣混凝土力学性能试验

潘宏青， 孙金坤， 李 奎， 田文状

(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)

高钛渣混凝土是使用攀西地区攀钢集团冶炼钒钛磁铁矿石后产生的一种TiO2的含量高达22 %的高钛型高炉渣代替普通混凝土中的骨料而制成的一种高钛型高炉渣混凝土[1](简称高钛渣混凝土)。将攀钢集团冶炼矿石后形成的渣石破碎成大小不均的颗粒，其中粒径大于4.5 mm的颗粒可以用于作混凝土的粗骨料，小于4.5 mm的颗粒可以用做混凝土的细骨料，。孙金坤[1-2]等人的研究表明这种经过破碎后形成的大小不均的颗粒完全可以代替普通混凝土中粗、细骨料用于生产高钛渣混凝土。丁庆军[3-4]等人用高钛重矿渣制备出C30自密实混凝土，并发出保水性能较好的高钛重矿渣基料混凝土专用外加剂；在高钛渣混凝土添加一种经过特殊工艺处理的钢纤维制备出耐磨、抗收缩的用于桥面铺装的C40高钛渣混凝土。李林泽[5]等人用高钛渣混凝土制备出自密实混凝土，根据高钛渣吸水率的大的特点提出高钛渣自密实混凝土的合理用水量的计算方法。以上的相关研究表明高钛渣完全可以替代普通混凝土中的粗骨料和细骨料制备出满足实际工程需要的的混凝土。

高钛渣的堆积密度较普通碎石的密度大，这也就导致制备出的高钛渣混凝土的质量超过了相同体积普通混凝土的质量，本研究的目的是在尽量保证混凝土强度不受影响的情况下减轻高钛渣混凝土的自重，为高钛渣混凝土在轻型结构中的应用提供依据。本试验通过在高钛渣混凝土中加入聚苯乙烯颗粒、聚丙烯纤维等掺合料以达到改变混凝土性能的目的。

1 混凝土力学性能试验

1.1 试验用原材料

(1)骨料：试验所用的粗骨料为攀枝花市东区秀清建材经营部提供的高钛渣碎石，与普通碎石相比高钛渣为内部含有大量气孔类似于蜂窝状，其吸水率高达6.4 %，表观密度为2 740 kg/m3。试验将连续级配的粗骨料用4.5～19 mm方孔筛筛选出用于制备混凝土。细骨料同样是采用攀枝花市东区秀清建材经营部提供的山沙，沙子为粗砂其细度模数为3.31。

(2)水泥：水泥使用的是P.O.42.5R级普通硅酸盐水泥和P.C.32.5R级复合硅酸盐水泥。

(3)外加剂：早强剂使用上海顺存建材材料有限公司生产的早强剂。

(4)水：实验室清洁的自来水。

(5)聚苯乙烯颗粒：聚苯乙颗粒采用粒径为2～3 mm的碎散堆放的颗粒。

(6)聚丙烯纤维：试验采用的聚丙烯纤维由长沙正德建材科技有限公司提供，其直径为13 μm, 断裂伸长率为36.4 %，抗拉强度为586 MPa。

1.2 试件制备

试验用高钛渣先淋水润湿后再按照试验配合比设计的质量秤取一定量的高钛渣。山沙采用粗砂，在其干燥状态下按照试验用配合比的质量秤取一定量的山沙，将秤出的高钛渣和沙子倒入搅拌机中搅拌均匀后再倒入试验用的水泥，试验用的聚苯乙烯颗粒表面与水不容，为了改善聚苯乙烯颗粒与水分子的结合性能的特点通过查阅相关资料[5]采用聚醋酸乙烯—乙烯乳液(VAE)CW40-907改变聚苯乙烯颗粒表面的性质。聚苯乙烯颗粒按单位体积掺量秤取后，将其放置于聚醋酸乙烯—乙烯乳液∶水为1∶1.5的混合溶液中搅拌使聚苯乙烯颗粒表面都有溶液润湿，然后将聚苯乙烯颗粒从溶液中捞出倒入搅拌机中。把高钛渣、沙子、聚苯乙烯颗粒和水泥倒入搅拌机后再把称取的聚丙烯纤维的均匀的洒在混合料中，然后再把秤出的早强剂倒水制备混凝土用的水中。最后将混有早强剂的水倒入搅拌均匀的混合料中，搅拌90 s后，将制备好的水泥浆料装入模具中，然后在振动台上振捣密实，振捣时间严格控制在90 s内。振捣密实后将试件试块连带模具放置于常温下养护24 h后脱模，并将其放置于常温水中养护。

1.3 试验方法

混凝土的抗压强度和劈裂强度试验均采用标准的150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，抗压强度试验采用攀枝花学院力学实验室的STYE-3000B型压力试验机，加载速度控制在4-5 kN/s。劈裂试验采用攀枝花学院力学实验室的CSS-WAW1000电液伺服万能试验机，加载速度控制在0.8～1.5 kN/s。

1.4 正交试验设计

1.4.1 正交试验影响因素及变量确定

减轻高钛混凝土质量的常用方法就是使用轻质骨料或者尽量少用高钛渣骨料。本试验通过在混凝土中掺入大量的表观密度较低的聚苯乙烯颗粒，以达到减轻高钛渣混凝土的自重。通过前期的试验研究发现，混凝土在振捣的时候混凝土中的聚苯乙烯颗粒会逐渐上浮。当采用粒径相对较大的4～5 mm粒径的聚苯乙烯颗粒，在混凝土表面浮起的聚苯乙烯颗粒由于粒径较大、体积大，容易使得混凝土表面在10 mm的范围内都大量分布着聚苯乙烯颗粒这改变了混凝土作为均质材料的特点。试验采用粒径相对较小的2～3 mm的聚苯乙烯颗粒。聚苯乙烯颗粒作为抗压强度很低的骨料掺入到混凝土中将导致混凝土的强度降低，相关学者[7]的研究表明混凝土的强度随水胶比的增加而降低，本试验将水胶比设定为变量因素，通过前期的相关试验表明，水胶比过大的混凝土塌落度相对较大，混凝土的流动性较好，这将导致混凝土在振捣时混凝土中的聚苯乙烯颗粒能够迅速上浮，容易造成混凝土的分层，破坏了混凝土做为均质材料的特点。在混凝土中掺入聚丙烯纤维提高其抗裂性能。在试验加入了大量的聚苯乙烯颗粒，其粒径近似于沙子。故本试验有必要分析在既定聚苯乙烯颗粒掺量的情况下混凝土的最优砂率。将水泥标号做为影响混凝土强度一个影响因素。综上所述本试验选定水胶比、砂率、聚丙烯纤维掺量、聚苯乙烯颗粒掺量和水泥标号做为变量因素，结合前期的试验研究确定各因素变量水平如表1所示。

表1 正交试验各变量因素水平

1.4.2 正交试验设计

正交试验各个变量因素组合如表2所示；单位体积混凝土配合比的材料用量及试验结果见表3。

2 试验结果分析

2.1 各变量因素对混凝土28 d劈裂强度的影响分析

由表3计算各因素不同水平下的混凝土28 d劈裂强度试验结果极差分析见表4，各因素水平变动对混凝土28 d的劈裂强度的影响见如图1所示，各因素水平变量对混凝土混凝土28 d劈裂强度影响的方差计算结果见表5。

表2 正交试验设计

图1 各因素水平变化对混凝土28 d劈裂强度影响

由表4、表5和图1可得出如下结论：

由表4的极差分析可以看出对混凝土28 d劈裂强度影响由大到小依次是：聚苯乙烯颗粒的体积掺量>聚丙烯纤维掺量>水胶比>水泥标号>砂率。

由表5的方差分析可以看出对混凝土劈裂强度影响具有显著水平的是聚苯乙烯颗粒的体积掺量，其它因素的变化对混凝土劈裂强度的影响具备显著性。

由图1可以看出混凝土的28 d劈裂强度随着聚苯乙烯颗粒的体积掺量的增加快速下降。当聚苯乙烯颗粒的体积掺量为10 %时混凝土的28 d劈裂强度为2.85 MPa,当聚苯乙烯颗粒的体积掺量超过20 %时，混凝土的28 d劈裂强度随着聚苯乙烯颗粒体积掺量程的增加迅速下降。从劈裂试件破坏的结果来看，当聚苯乙烯颗粒的体积掺量超过20 %时，试件的劈裂面便不再保持在混凝土中间的一个平整的劈裂面，劈裂的断面几乎没有看到粗骨料高钛渣被劈开的断裂面。而聚苯乙烯颗粒的体积掺量为10 %的试件劈裂面基本保持在试件中间且劈裂面相对比较平整，大量的高钛渣碎石被劈开。当聚丙烯纤维的单位体积掺量小于1.5 kg时，混凝土28 d的劈裂强度随其掺量的增加呈现出增长的趋势，这一结果与王志钊[8]的研究结果相类似。当聚丙烯纤维的单位体积的掺量超过1.5 kg时，混凝土28 d的劈裂强度随其掺量的增加而降低。结合在搅拌混凝土时掺入的聚丙烯纤维容易结成团的特点，故不推荐经聚丙烯纤维用于混凝土，推荐将聚丙烯纤维用于具有抗裂要求的水泥砂浆中，但使用时应该严格控制其掺量，在搅拌时严防其抱结成团，从而降低其性能的发挥。

表3 混凝土配合比用量及试验测试结果

表4 混凝土28 d劈裂强度极差分析

表5 混凝土28 d劈裂强度试验结果方差分析

2.2 各变量因素对混凝土28 d抗压强度的影响分析

由表3计算各因素不同水平下混凝土28 d抗压强度的试验结果的极差分析见表6，各因素水平变量对混凝土混凝土28 d抗压强度影响的方差计算结果见表7，各因素水平变动对混凝土28 d的抗压强度的影响见图2。

表6 混凝土28 d抗压强度极差分析

表7 混凝土28 d抗压强度试验结果方差分析

图2 各因素水平变化对混凝土28 d抗压强度影响

由表6、表7和图2可得出如下结论：

由表6的极差分析可以很直观的看出对混凝土28 d抗压强度影响由大到小依次为：聚苯乙烯颗粒掺量>水胶比>聚丙烯纤维掺量>砂率>水泥标。

由表7方差分析可以看出聚苯乙烯颗粒的单位体积掺量对混凝土28 d的抗压强度的影响是非常显著，其次是砂率对混凝土的抗压强度的影响也是显著的。

由图2可以看出，当混凝土中聚苯乙烯颗粒的体积掺量小于10 %时，混凝土抗压强度能够保持在40 MPa左右，可见小掺量的聚苯乙烯颗粒对混凝土的抗压强度影响不大。聚苯乙烯颗粒单位体积的掺量每增加10 %，混凝土28 d的抗压强度下降8 MPa左右，同时由表7的方差计算结果的分析表可以看出聚苯乙烯颗粒的体积掺量对混凝土的28 d抗压强度的影响也是非常显著的。由试件抗压试验的破坏状态可以看出，掺入聚苯乙烯颗粒的高钛渣混凝土的抗压试验破坏已经不具备普通混凝土抗压试验破坏的典型特征，即混凝土抗压破坏后表面的裂缝开展相对比较杂乱，究其原因在于混凝土掺入大量的聚苯乙烯颗粒，这些颗粒在混凝土中的间断或连续分布导致在混凝土的内部存在抗剪薄弱层，混凝土在受压时这些薄弱层首先发生滑移破坏。由表7的方差分析可以看出在10 %的显著性水平下也是可以认为高钛渣混凝土砂率的变化对其28 d的抗压强度也是有影响的，但表6的极差分析结果表明砂率的变化混凝土的28 d抗压强度的影响最小的，结合图2可以看出混凝土28 d的抗压强度随砂率的变动出现了不规则波动，由此可以得出导致方差分析中影响因素砂率的方差的数值超过10 %的显著性水平的的原因是混凝土强度随砂率变化的不规则波动。故可以判定高钛渣混凝土中砂率的变化对其28 d的抗压强度的影响不大。

2.3 聚苯乙烯颗粒掺量对混凝土质量影响的分析

由表3计算得出不同聚苯乙烯颗粒掺量对单位体积混凝土的质量变化如图3所示，通过图3可以看出高钛渣混凝土中聚苯乙烯颗粒的体积掺量每增长10 %，混凝土的单位体积质量下降200 kg左右。

图3 聚苯乙烯颗粒体积掺量与混凝土单位体积质量的关系曲线

3 试验结论

分析水胶比、聚丙烯纤维掺量和聚苯乙烯颗粒颗粒掺量等因素变化对混凝土28 d的劈裂强度、抗压强度和混凝土的单位体积的质量得出如下结论：

(1)在混凝土中掺入的聚苯乙烯颗粒的粒径不宜大于3 mm，掺入聚苯乙烯颗粒的混凝土的塌落度不宜大于30 mm。为了避免混凝土在浇筑成型时分层，一定要将振捣时间控制在90 s以内。

(2)当混凝土中聚苯乙烯颗粒的体积掺量超过10 %时，混凝土的28 d的劈裂强度和抗压强度降低非常明显，且该状态下混凝土的水胶比的变化引起的混凝土强度的变化并不显著。

(3)正交试验方差分析的结果表明：聚丙烯纤维掺量、水胶比、砂率、水泥标号等因素的变化的变化对混凝土强度影响并不显著。

(4)用高钛渣制备质量较轻的混凝土的配合比为是：水胶比为0.37、单位体积的用水量为160 kg、砂率为32.5 %，聚苯乙烯颗粒的单位体积掺量为0.1 m3，早强剂为6.6 kg/m3。

[1] 黄双华, 陈伟, 孙金坤, 等. 高钛高炉渣在混凝土材料中的应用[J]. 新型建筑材料, 2006(11):71-73.

[2] 孙金坤. 全高钛重矿渣混凝土应用基础研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2006.

[3] 丁庆军, 刘小清, 牟廷敏, 等. 高钛重矿渣制备低收缩耐磨桥面铺装层混凝土的研究[J]. 混凝土, 2014(05):138-140.

[4] 丁庆军, 牟廷敏, 刘小清, 等. C30高钛重矿渣自密实混凝土研究与应用[J]. 施工技术, 2015(3):57-60, 69.

[5] 李林泽. 高钛型高炉渣自密实混凝土配制研究[D]. 成都: 西华大学, 2016.

[6] 陈明凤, 谢厚礼, 彭家惠, 等. 粘结剂和纤维对EPS保温砂浆性能的影响[J]. 房材与应用, 2001(5):22-24.

[7] 孙彦魁, 高雪超, 房志华. 水胶比对混凝土强度的影响分析[J]. 内蒙古水利, 2011(3):16-17.

[8] 王志钊. 聚丙烯纤维混凝土综合性能试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2004.