纤维及矿物掺合料对煤矸石混凝土力学性能的改性研究*

杨秋宁,景严谊, 张东生

(1. 宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021； 2. Department of Civil Engineering, KU Leuven, Bruges 8200, Belgium)

0 引 言

煤炭产业仍是我国工业发展之重，宁夏地区煤炭资源储备量位于全国前列。煤矸石是在采煤、洗煤过程中与煤层伴生的固体废弃物，属沉积岩石材，可以作为粗骨料代替混凝土中的天然碎石[1-2]。邱继生教授等研究煤矸石理化性质、替代率对混凝土力学性能的影响，得出煤矸石的物理性能皆低于天然碎石，随着替代率的提高，混凝土强度也会相应降低[3-4]。Daming Luo等通过对掺入不同类型钢纤维的煤矸石混凝土进行试验，得出钢纤维优化了煤矸石混凝土强度及抗冻性，钢纤维的掺入不仅可以改善煤矸石混凝土脆性大、易开裂等特点，而且混凝土内部呈三维乱向分布的纤维随着阻裂作用的提高，对混凝土强度的提高也有正向效果[5-7]。更为环保经济的合成纤维也受到了学者的关注，目前，已有研究将聚丙烯纤维加入煤矸石混合料中，表明在一定掺量范围内，同样可以达到提高混凝土力学性能的作用，但使用自身抗拉性能更好的聚乙烯醇纤维增强煤矸石混凝土力学性能的试验较少[8-9]。为减少二氧化碳排放，寻找替代水泥的新型环保胶凝材料成为了研究热点，粉煤灰和矿粉具有微集料及火山灰效应，替代水泥后影响混凝土的早期性能[10-11]，因此在此基础上研究纤维对掺矿物掺合料煤矸石混凝土力学性能的改性作用，可以减少水泥用量、保护环境，同时达到性能要求。

采用煤矸石全替代设计强度等级C40的普通混凝土中天然碎石，拌制煤矸石混凝土。基于两种不同改性方案，对煤矸石混凝土进行抗压、劈裂抗拉及抗折强度试验：方案一为引入3种不同类型及掺量的纤维(聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)、钢(ST)纤维)，方案二为基于方案一中混凝土达到最佳力学性能时的单一纤维及掺量配比，继而对不同水泥替代率的单掺粉煤灰及复掺粉煤灰、矿粉煤矸石混凝土改性，得到的煤矸石混凝土具有改性后高力学性能，以实现大量堆积的煤矸石再利用。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用宁夏赛马水泥厂产P·O42.5水泥，矿物掺合料分别采用宁夏化工热电厂产Ⅲ级粉煤灰和S95级矿粉。粗骨料中煤矸石取自内蒙古鄂托克前旗上海庙煤矸石渣场，选用两级配粒径混掺，粒径范围在5～10 mm和10～20 mm，主要物理力学参数，见表1。

表1 煤矸石物理力学性能Table 1 Performance index of coal gangue

细骨料为天然河砂，选用表观密度为2 660 kg/m3的中砂，含水率为1.27%；减水剂选用聚羧酸高效液体减水剂，减水率为27%。纤维分别选用上海锴源化工科技有限公司生产的PVA纤维、上海影佳实业发展有限公司生产的PP纤维及河北普方路桥养护有限公司生产的铣削端勾式ST纤维，纤维基本性能，见表2。

表2 纤维基本性能Table 2 The basic properties of fibres

1.2 试验方案

根据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计C40强度等级的普通混凝土配合比，采用煤矸石全替代天然碎石拌制煤矸石混凝土。OMC为未掺纤维的普通煤矸石混凝土，A、B、C组分别为体积掺量(0.1%、0.2%、0.4%)的PVA纤维、(0.1%、0.15%、0.2%)的PP纤维和(0.6%、1.2%、2%)的ST纤维掺入煤矸石混凝土。D组为水泥质量替代率(15%、30%、45%)粉煤灰单掺的煤矸石混凝土；E组以D2为基准，在水泥质量替代率30%时，粉煤灰/矿粉不同替代比例(1∶2、1∶1、2∶1)复掺及矿粉单掺的煤矸石混凝土，试验用配合比见表3。

表3 试验配合比Table 3 Mix design ofcoal gangue concre

根据规范[12]共成型试件17组，每组9个试件，尺寸分别为两组100 mm×100 mm×100 mm及一组100 mm×100 mm×400 mm，试件浇筑后24 h脱模，送入标准养护室养护7，、28 d后，分别进行混凝土抗压、劈裂抗拉及抗折强度试验。

2 结果与讨论

2.1 纤维对煤矸石混凝土力学性能的影响

2.1.1 试件抗压试验结果分析

A、B、C 3 组煤矸石混凝土7及28 d抗压强度对比如图1所示，相较OMC强度均有一定增大。PVA和PP纤维在掺入煤矸石混凝土后，随着纤维体积掺量增加，抗压强度呈现出先升高后降低的趋势，说明掺量过多并未对其强度有较好的效果。随着ST纤维掺量增加，煤矸石混凝土的强度不断升高，C3(ST-2%)混凝土未出现抑制强度增长的现象。A2(PVA-0.2%)、B2(PP-0.15%)、C3(ST-2%)混凝土试件相较OMC，7 d抗压强度的提高幅度分别为29.5%、29.2%、50.4%，28 d抗压强度提高幅度分别为17.6%、14.5%、35.3%，纤维对于早期煤矸石混凝土抗压强度的提高影响较大，且ST纤维比PVA、PP纤维具有更好的增强作用。其中，C3(ST-2%)煤矸石混凝土28 d抗压强度达到了37.9 MPa，均高于其他组。

图1 混凝土7 d/28 d抗压强度对比Fig 1 Comparison of 7 d/28 d compressive strength of concrete

2.1.2 试件劈裂抗拉试验结果分析

PVA、PP及ST纤维对煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度均有较大幅度的提高，图2中，A、B、C组混凝土相较OMC，随着龄期的增长，提高的幅度也在相应增大，28 d的最大提高幅度分别为43%、39.7%、101.7%，对比混凝土28 d抗压强度增幅，PVA、PP纤维对煤矸石混凝土抗拉强度增强效果更好，PVA、PP纤维更具阻裂作用。掺入ST纤维的混凝土强度高于掺入PVA、PP纤维的混凝土，ST纤维端头锚固作用较强，混凝土在试验中，随着纤维拨出脱粘逐渐失效，裂缝由上至下不断拓展延伸[13-14]，其中C3(ST-2%)煤矸石混凝土28 d劈裂抗拉强度增幅为7 d劈裂抗拉强度的两倍多，具有最佳改性效果。

图2 混凝土7 d/28 d劈裂抗拉强度对比Fig 2 Comparison of 7 d/28 d splitting tensile strength of concrete

2.1.3 试件抗折试验结果分析——抗折强度

图3中，煤矸石混凝土抗折强度变化规律与抗压强度及劈裂抗拉强度变化相似，同样A2(PVA-0.2%)、B2(PP-0.15%)、C3(ST-2%)煤矸石混凝土出现了纤维掺量内抗折强度峰值。相较OMC，A、B、C组混凝土试件28 d抗折强度的最大提高幅度分别为28.6%、17.1%、60.0%。PVA纤维自身抗拉强度较高，在混凝土开裂时桥接作用明显，PP纤维较短，抗拉强度小，所以对混凝土试件抗折强度改善效果最差[15-16]。ST纤维相较PVA纤维长径比更大，对混凝土抗折强度的影响更大，说明纤维长径比相比个体抗拉强度对混凝土抗折性能更具正向作用。其中，C3(ST-2%)煤矸石混凝土的28 d抗折强度可以达到5.6 MPa。

图3 混凝土7 d/28 d抗折强度对比Fig 3 Comparison of 7 d/28 d flexural strength of concrete

2.1.4 试件抗折试验结果分析——韧性

图4为OMC和C3(ST-2%)煤矸石混凝土荷载-挠度曲线对比图，图中A点为初裂点，C点为等效弯曲强度点。

图4 荷载-挠度曲线对比Fig 4 Comparison of concrete load-deflection curves

根据《纤维混凝土试验方法标准》规范中混凝土四点弯曲试验[17]，28 d混凝土荷载-挠度曲线下的弯曲韧性指标：初裂强度fcr、初裂韧度ΩOAB、等效弯曲强度fe、弯曲韧性比Re，相关计算公式如式(1)、(2)：

(1)

式中：δC=L/150，L为跨径(即为300 mm)；ΩOCD为挠度在δC之前，荷载-挠度曲线下的包围面积(N·mm)；b、h分别为试件的宽度和高度(即100 mm)。

(2)

以及文献[18-19]中的折压比fcf/fcu，fcu为抗压强度、fcf为抗折强度，衡量纤维混凝土的弯曲韧性性能。计算结果如表4所示。

表4 煤矸石混凝土韧性指标计算Table 4 Calculation of toughness index of coal gangue concrete

荷载-挠度曲线 煤矸石混凝土在抗折试验中，随着荷载的增大，发生了突然地折断破坏。PVA和PP纤维虽然提高了混凝土抗裂性，但对抑制宏观裂缝发展作用较小，随外荷载的增加，裂缝处PVA和PP纤维突然断裂，荷载迅速下降而失效，因此以上均无法参考规范得出等效弯曲强度。ST纤维的掺入不但提高了初裂强度及韧性，对峰值点后宏观裂缝的抑制作用更明显，体现在桥接在裂缝处的ST纤维不断耗能拔出，混凝土的韧性也随之增强。初裂强度占峰值荷载作用下抗折强度的50.4%～67.6%，随着初裂强度的增加，初裂韧性提高，混凝土抗折强度越高，等效弯曲强度和弯韧比也越大，说明规范法评价纤维煤矸石混凝土韧性具有一定的参考度，C3(ST-2%)煤矸石混凝土增韧效果最显著。

折压比 随着纤维掺量的增加，折压比出现了不规律的变化，说明折压比无法从不同纤维掺量的角度评价纤维煤矸石混凝土的韧性，但整体折压比值由大到小为C组>B组>A组。在抗压强度增加的同时，C组煤矸石混凝土的抗折强度增幅更大，因此比值更大，同样体现出掺入ST纤维的煤矸石混凝土韧性更好。

2.2 纤维改性单掺粉煤灰煤矸石混凝土力学性能

由上文得出，C3(ST-2%)煤矸石混凝土具有最优力学性能，故据此研究ST纤维体积掺量为2%时改性D组单掺粉煤灰及E组复掺粉煤灰/矿粉替代水泥的煤矸石混凝土力学性能。

2.2.1 抗压强度

图5中，对比无单掺粉煤灰的C3煤矸石混凝土抗压强度，随着粉煤灰替代率的增加，D组混凝土试件抗压强度逐渐减小，并且在替代率达到45%时，D3混凝土7，28 d抗压强度相较C3分别减小了25.6%和16.0%。由于Ⅲ级粉煤灰活性低，大掺量粉煤灰导致了混凝土早期强度降低明显。当粉煤灰替代率为15%时，掺入ST纤维的D1混凝土强度略有降低。

图5 混凝土7 d/28 d抗压强度发展趋势Fig 5 Development trend of 7 d/28 d compressive strength of concrete

2.2.2 劈裂抗拉强度

对比C3煤矸石混凝土，D组混凝土试件的劈裂抗拉强度也出现了降低。图中D1、D2、D3煤矸石混凝土28 d劈裂抗拉强度相较对应混凝土试件7 d强度增幅分别为30.8%、35.3%、38.4%，ST纤维对单掺粉煤灰煤矸石混凝土劈裂抗拉强度改性效果优于抗压强度，使其在28 d龄期时抗拉性能出现了较大的提高。

图6 混凝土7 d/28 d劈裂抗拉强度发展趋势Fig 6 Development trend of 7 d/28 d splitting tensile strength of concrete

2.2.3 抗折强度

D组煤矸石混凝土7 d后抗折强度发展趋势不同于其余力学性能，随着粉煤灰替代率的增加，混凝土龄期为28 d相对7 d的抗折强度增幅出现了升高，D2及D3混凝土的强度增幅在147%，出现增幅的原因是粉煤灰后期的二次水化反应及其未反应的玻璃微珠等细颗粒填充了水泥浆促进了ST纤维与水泥浆的结合[20]。D1与C3混凝土试件抗折强度相差不大，因此混凝土配合比设计可以采用ST纤维改性后粉煤灰替代率为15%时的煤矸石混凝土。

图7 混凝土7 d/28 d抗折强度发展趋势Fig 7 Development trend of 7 d/28 d flexural strength of concrete

2.3 纤维改性复掺粉煤灰/矿粉煤矸石混凝土力学性能

2.3.1 抗压强度

对比图8的D2单掺粉煤灰煤矸石混凝土，粉煤灰与矿粉以不同比例复掺时具有叠加作用[21-22]，复掺后填充了水泥浆的孔隙，当其比例为1∶2时，E1混凝土出现了抗压强度峰值。随着粉煤灰替代比例的增加，抑制了E1、E2、E3混凝土试件7 d后强度增幅，说明粉煤灰与矿粉复掺时，随着替代比例增大，矿物掺合料叠加作用会逐渐减弱。E4单掺矿粉煤矸石混凝土的抗压强度高于D2混凝土试件，矿粉的活性高于粉煤灰，对混凝土早期强度发展具有正向作用。

图8 E组混凝土7 d/28 d抗压强度对比Fig 8 Comparison of compressive strength of concrete in E group

2.3.2 劈裂抗拉强度

图9中，E1、E2、E3混凝土试件随着龄期的增加，28 d抗折强度增幅均在43%左右，粉煤灰/矿粉复掺后，水泥浆与ST纤维粘结性更好，增强了抗拉试验中混凝土的阻裂性能。矿粉具有超细化及活性效应，由此E4煤矸石混凝土试件劈裂抗拉强度也有较大幅度提高，但改性后复掺粉煤灰及矿粉比例为1∶2的E1混凝土仍具有最优抗拉强度。

图9 E组混凝土7 d/28 d劈裂抗拉强度对比Fig 9 Comparison of splitting tensile strength in E group

2.3.3 抗折强度

煤矸石混凝土7 d后的抗折强度变化表现出均匀的增幅，粉煤灰及矿物不同的替代比例对随龄期变化的E组混凝土试件抗折强度影响不大，说明ST纤维对混凝土抗折强度的改性作用大于矿物掺合料，使得E1煤矸石混凝土的28 d最高抗折强度为6.1 MPa。

图10 E组混凝土7 d/28 d抗折强度对比Fig 10 Comparison of flexural strength in E group

3 结 论

(1)纤维煤矸石混凝土的力学性能均未低于普通煤矸石混凝土，且掺入纤维对煤矸石混凝土劈裂抗拉性能改性作用更大。PVA和PP纤维煤矸石混凝土中纤维掺量过多，强度相对下降；随着ST纤维掺量的增加，混凝土的强度不断增大，C3(ST-2%)煤矸石混凝土强度最高。

(2)参考现有规范中的弯曲韧性指标可以衡量掺入不同纤维种类及掺量的煤矸石混凝土，根据折压比仅可以衡量掺入不同种类纤维的煤矸石混凝土，以上指标得出C3(ST-2%)煤矸石混凝土具有更好的韧性。

(3)随着粉煤灰的替代率增大，煤矸石混凝土力学性能逐渐降低，掺入体积掺量为2%的ST纤维对单掺粉煤灰替代率为15%的煤矸石混凝土改性后，得到D1混凝土强度降低较小。

(4)替代比例1∶2的粉煤灰及矿粉复掺煤矸石混凝土中，不同粗细骨料填充了水泥浆孔隙，产生了叠加效应，ST纤维改性后E1混凝土试件出现了替代组合的强度峰值，具有最优力学性能。

致谢：

感谢宁夏大学研究生产教融合联合培养基地建设项目的大力支持！