钢纤维碱矿渣再生骨料混凝土的制备及性能研究

陈海鹏

(新疆水利发展投资(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 材料与方法

1.1 试验原材料

矿渣：试验过程中所需的矿渣主要化学成分及力学参数详见表1与表2，矿渣的粒度分布见图1。

图1 矿渣粒度分布

表1 矿渣的化学组成成分

表2 矿渣的力学参数

试验所用粗骨料均为再生骨料，细骨料为河砂，比重为2600 kg/m3，试验所需水为自来水。碱激发剂用水玻璃与NaOH配置而成，钢纤维力学性能如表3所示。

表3 钢纤维力学参数

1.2 试件制作

本试验考虑了钢纤维掺入量占比与再生骨料掺入量占比两个因素，制作了7种不同配比的碱矿渣再生混凝土试件，其具体的配合比及试件参数详见表4。首先将再生骨料与水按照一定比例进行混合；其次将水玻璃、NaOH与水按照一定的比例进行均匀搅拌，直至NaOH全部溶解为止；然后将矿渣磨成粉末后与砂一同加入再生骨料溶液中，用搅拌机匀速搅拌5 min，随后加入碱性激发剂，继续搅拌5 min；最后将搅拌后的混合物放入100 mm×10 mm×100 mm模具中，静止10 min 后进行标准养护。

表4 试件配合比及相关参数

1.3 试件测试方法

试验过程严格按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)执行，其中立方体测试的荷载加载速率为0.50 MPa/s，劈裂抗拉及抗折测试时的加载速率为0.05 MPa/s。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度分析

不同掺量占比的再生骨料试件抗压强度的测试结果如图2所示。可以看出，当再生骨料的掺量占比为0%时，其抗压强度为60 MPa；当再生骨料含量增加到50%时，其抗压强度为47 MPa；随着再生骨料含量的逐步增加，强度出现了下降的现象，当再生骨料完全替代天然骨料时，其抗压强度减小至40 MPa。对比数据发现，再生骨料掺量为50%和100%时试件抗压强度分别比天然骨料低22%和33%。分析原因一方面是由于天然骨料的强度本身就高于再生骨料，随着天然骨料逐步被再生骨料代替，试件强度会出现明显降低的现象；另一方面是由于再生骨料在成模时，材料会在荷载的作用下出现裂缝，随着压力的持续增大，裂缝处有应力集中的现象出现，从而使试件立方体抗压强度下降。

不同掺量的钢纤维试件抗压强度测试结果如图3所示，抗压强度随钢纤维的掺量的增加先升高后降低。数据分析表明，当钢纤维的掺量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%时，相比于未掺钢纤维的试件，其抗压强度分别提高了14%、24%、54%、26%，虽然后期掺量的增加抗压强度提高值会下降，但整体高于未添加钢纤维的试件。结果表明，适量的钢纤维掺量会提高混凝土抗压强度，主要是由于钢纤维具有良好的抗压性能，能抑制混凝土内部裂缝的发育；但是钢纤维掺入超过0.6%时，强度不再继续升高，主要是混凝土其余骨料含量的降低，导致试件抗压强度有所下降[1-4]。

图3 钢纤维对试件抗压强度的影响

2.2 劈裂抗拉强度分析

再生骨料掺量对试件的劈裂抗拉强度影响如图4所示，可以看出，随着再生骨料的掺入，其劈裂抗压强度出现一定的下降，但整体的下降幅度未出现突变的情况，其变化范围较小。当再生骨料掺量占比为试件的一半时，劈裂抗拉强度为8.5 MPa；当再生骨料完全替代天然骨料时，劈裂抗拉强度为8.1 MPa。通过与天然骨料对比可以看出，试件抗拉强度值分别下降了5%和10%。分析原因主要是荷载的增加，使试件的裂缝进一步增加，从而降低了试件的抗拉强度，这与试件所表现出来的抗压强度具有相似的变化规律。

图4 再生骨料对试件劈裂抗拉强度的影响

图5显示了钢纤维掺量对试件劈裂抗拉强度的影响，随着钢纤维掺量的增加，强度值呈现先增后减的趋势。与未掺钢纤维的试件相比，钢纤维掺入量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的试件劈裂抗拉强度分别提高了5%、9%、29%、17%。通过数据分析，适量的钢纤维对劈裂抗拉强度具有明显的提升作用，主要原因是钢纤维与混凝土粗骨料之间产生了更强的黏结力；但是掺量超过一定量后，强度值会有所下降，分析原因主要是由于过多的钢纤维在混凝土内部容易出现成团的现象，未达到钢纤维承受的拉力值，进而降低了试件的劈裂抗拉强度。

图5 钢纤维对试件劈裂抗拉强度的影响

2.3 抗折强度分析

再生骨料掺量对试件的抗折强度影响如图6所示，可以看出，随着再生骨料掺量的增加，试件抗折强度呈现下降的趋势。当再生骨料掺入量为50%时，抗折强度为4.5 MPa；掺入量为100%时，抗折强度为3.8 MPa。相比天然骨料，试件抗折强度下降了13%和26%。主要是因为试件的破坏过程往往伴随着裂缝的产生，随着加载量越来越大，最终会导致裂缝贯穿整个试件，最终形成贯穿缝，从而导致试件抗折强度的降低。

图6 再生骨料对试件抗折强度的影响

图7显示了钢纤维掺量对试件抗折强度的影响，随着钢纤维掺量的增加，试件抗折强度呈现上升趋势，较未掺钢纤维相比，钢纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的抗折强度分别提高了6%、13%、17%、30%。钢纤维掺量的增加会使抗折强度持续增加，主要是由于钢纤维的增加可以有效地抑制试件内部裂缝的产生，并且钢纤维可以有效连接裂缝，对裂缝的发展起到了阻碍的作用。

图7 钢纤维对试件抗折强度的影响

3 机理分析

3.1 再生骨料掺量对试件力学性能的影响机理分析

再生骨料掺量对试件整体力学性能影响如图8所示，其中，f为不同再生骨料掺量所对应的强度，f0为天然骨料的强度。可以看出，随着再生骨料掺量的增加，试件的整体力学性能较天然骨料都有一定程度的下降。其中，抗压强度值下降最为明显，抗拉强度有略微下降，当再生骨料完全代替天然骨料时，试件抗压和抗拉强度分别下降了33%和10%。出现上述现象的原因主要是再生骨料本身的强度低于天然骨料，随着再生骨料掺量的增多，天然骨料在混凝土中所占的比例变小，因此会出现强度下降的现象。

图8 再生骨料对试件整体力学性能的影响

3.2 钢纤维掺量对试件力学性能的影响机理分析

钢纤维掺量对试件整体力学性能影响如图9所示，其中，f为不同钢纤维掺量所对应的强度，f1为未掺钢纤维的强度。可以看出，随着钢纤维掺量的增加，试件的抗压强度与劈裂抗拉强度均表现出先增加后减小的趋势，在钢纤维掺量0.6%时强度出现突变，主要是因为过量的钢纤维在试件内部容易形成团聚，随着荷载的增加，钢纤维继续缩聚，最终导致试件内部的孔洞增多，从而使试件的抗拉强度和抗压强度降低。此外，抗折强度一直呈现增加的趋势，当钢纤维掺量为0.8%时，试件抗折强度是未掺钢纤维的1.3倍，主要是钢纤维的抗拉强度远远高于混凝土试件，而抗折强度提高的本质是试件受拉区混凝土受拉破坏所导致的，随着荷载的增加，在混凝土开裂后钢纤维可继续承担拉应力，从而进一步增加试件的抗折强度。

图9 钢纤维掺量对试件整体力学性能的影响

4 结 论

(1)再生骨料的掺入导致混凝土试件的抗压强度、劈裂强度与抗折强度下降，其中再生骨料含量对抗压强度的影响最大，对抗拉强度影响最小。

(2)试件的抗折破坏形式主要为受拉区混凝土的失效，随着钢纤维的持续增加，抑制了裂缝的产生，进而提高混凝土的抗折强度。一定量的钢纤维能够有效增加试件的各项性能，但钢纤维含量过量时，出现团聚现象，导致混凝土抗压和抗拉性能下降。