钢纤维增强增韧煤矸石陶粒轻集料混凝土试验研究

[摘 要]煤矸石陶粒和其他轻集料类似，由于密度小、强度低、内部空隙多的特点，导致配制出的混凝土的脆性比普通集料混凝土大，严重制约了煤矸石陶粒在建材领域中的推广应用。为此，选用朝阳华龙科建股份有限公司生产的煤矸石陶粒作粗集料，钢纤维作增强增韧材料，设计了5组不同钢纤维掺量的混凝土试件，采用拉压比作为脆性评价指标，通过试验数据和试件破坏形态分析钢纤维对煤矸石陶粒轻集料混凝土脆性的增强增韧作用。研究结果表明：当钢纤维掺量小于1.5%（体积分数）时，随着钢纤维掺量的增加，煤矸石陶粒轻集料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度都有不同程度的提高，脆性逐渐减小，显著改善了煤矸石陶粒轻集料混凝土的受压、受拉变形和破坏特性，使煤矸石陶粒轻集料混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑性的破坏形态。

[关键词]煤矸石陶粒；脆性；拉压比；钢纤维

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.10.229

煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的坚硬岩石，是在煤炭开采和洗选加工过程中被分离出来的固体废弃物，包括岩巷及煤巷掘进中排除的矸石。随着近年来我国煤炭产量的迅猛增长，采煤工艺技术及设备日新月异，煤矸石已成为我国排放量最大的固体废弃物之一。去年我国煤炭产量约37亿吨，其中煤矸石占当年煤炭产量的20%左右。至2012年全国累计堆有煤矸石山1500多座，约45亿吨，占地1.3万公顷以上，而且每年以1亿～2亿吨的速度递增，每年形成新增占地400多公顷。[1]由于大量的煤矸石堆积，而且未能充分利用和处置，给生态环境带来了沉重的负担，同时也给人们的生活带来了巨大的危害。当前，煤矸石在建筑材料领域的综合利用，主要是替代黏土生产烧结砖、制作混凝土砌块、生产水泥的掺合料等[2][3]，生产轻集料并不多见，并且其中大部分都是自燃烧结、破碎形成的自燃煤矸石。而自燃煤矸石的集料离散性较大，各项性能较普通集料相差过多，配制出的混凝土性能有限。

煤矸石陶粒密度小、比强高、保温性、耐火性、耐久性、抗冻性较好，用其配制轻集料混凝土有利于建筑向高层、大跨度方向发展，应用前景广泛。本文选用煤矸石陶粒替代普通石子配制轻集料混凝土，并用钢纤维作增强增韧材料，通过试验研究了钢纤维对煤矸石陶粒轻集料混凝土脆性的增强增韧作用及破坏形态的改变。

1 试验内容

1.1 材料

胶凝材料采用辽宁工源水泥有限责任公司生产的P.S32.5R型普通矿渣硅酸盐水泥，其主要性能见表1；粗集料采用朝阳华龙科建股份有限公司生产的煤矸石陶粒，基本性能见表2；细集料采用普通中沙，细度模数2.6，堆积密度1349kg/m3，级配合格；减水剂采用北京德昌伟业建筑工程技术有限公司生产的DC―WR1型萘系高效减水剂，掺量为0.5%～1.0%（质量分数），减水率为12%～20%，在保持水泥用量和水灰比不变的情况下，可提高坍落度10cm以上；水用普通自来水；钢纤维采用河北衡水前进工程橡塑有限公司生产的钢板剪切型短钢纤维，长度30～35mm，宽度1mm，抗拉强度400～600MPa。

1.2 基准配合比

按照《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51―2002）的设计步骤，设计抗压强度等级为LC30的煤矸石陶粒轻集料混凝土。由此得出本次试验的初始配合比，通过多次试配调整得出实际基准配合比，见表3。

1.3 试验步骤

由于本次试验配制的是煤矸石陶粒轻集料混凝土，故其拌合、成型过程与普通集料混凝土不同，只能参考《轻集料混凝土技术规程》（JGJ51―2002）和《轻集料及其试验方法》（GB/T17431.2―2010）进行。试验过程中既要考虑煤矸石陶粒吸水性强的特点，又要考虑到振捣过程中可能出现的集料上浮现象。经过多次试拌，确定制作流程见图1。

试件尺寸为100mm×100mm×100mm，试件成型24h后脱模、编号，然后放到装满饱和Ca（OH）2溶液的养护箱内养护至规定龄期后，按《轻集料混凝土实验规程》（JTT-053-94）进行各项力学性能指标测试。

2 验结果与分析讨论

2.1 试验结果

采用表3中的基准配合比和图1中的制作流程，调整钢纤维掺量配制钢纤维增强增韧煤矸石陶粒轻集料混凝土试件，成型养护至28d后分别测定抗压强度、劈裂抗拉强度见表4。

煤矸石陶粒轻集料混凝土拉压比与钢纤维掺量的关系见图2。

由此可得：不掺钢纤维时，煤矸石陶粒轻集料混凝土的脆性比相同强度等级下普通集料混凝土的脆性大（C30普通集料混凝土的拉压比一般为0.105）；煤矸石陶粒轻集料混凝土的脆性随钢纤维掺量的增大而减小，但钢纤维掺量超过一定范围时，增强增韧效果会变差，钢纤维掺量以控制在1.5%左右为宜。

2.2 试件破坏形态分析

（1）抗压破坏形态分析。由表4可得，当钢纤维体积掺量在2.0%以下时，煤矸石陶粒轻集料混凝土的抗压强度提高幅度不超过11%。但是，钢纤维的掺入却改变了煤矸石陶粒轻集料混凝土抗压破坏的形态。图3、图4分别为钢纤维体积掺量为0%和1.5%时煤矸石陶粒轻集料混凝土的抗压破坏照片。由图3和图4的对照比较可见，未掺钢纤维的煤矸石陶粒轻集料混凝土破坏后表面碎裂并脱落，试件外形破坏严重；而掺入钢纤维的煤矸石陶粒轻集料混凝土破坏后裂而不散，表明其抗压韧性有显著提高。通过分析钢纤维煤矸石陶粒轻集料混凝土裂缝发展的过程发现，由于裂缝首先出现在煤矸石陶粒内部，钢纤维与裂缝平行，因此在裂纹稳定、缓慢发展阶段，钢纤维起不到增韧阻裂作用；当裂缝扩展至即将硬化的水泥砂浆基体时，跨越裂缝的钢纤维开始起增韧阻裂作用，使裂缝扩展的速度减慢。当试件内裂缝体系开始变得不稳定，试件达到其所能承受的最大应力――混凝土极限强度（即抗压强度）时，混凝土试件解体破坏，裂缝迅速扩展，宏观裂缝随之增大，而横跨裂缝的钢纤维则可以有效地阻止裂缝的发展，使试件韧性增加，最后，随着宏观裂缝的不断增大，钢纤维被逐渐拔出。由此可见，钢纤维的增强增韧作用只有在试件受力达到抗压强度之后，裂缝从煤矸石陶粒扩展到水泥砂浆基体之中时才得以发挥作用。这就是钢纤维掺入后对煤矸石陶粒轻集料混凝土抗压强度提高不大，而混凝土抗压韧性却有很大改善的根本原因。[4][5][6]

（2）劈裂抗拉破坏形态分析。由表4可知，当钢纤维体积掺量从0%增至1.5%时，煤矸石陶粒轻集料混凝土28d劈裂抗拉强度由3.23MPa增大到5.76MPa，提高幅度非常显著，拉压比从0.0811增至0.1327；当钢纤维体积掺量从1.5%增至2.0%时，煤矸石陶粒轻集料混凝土28d劈裂抗拉强度由5.76MPa降至5.63MPa，拉压比从0.1327减小到0.1285。不掺钢纤维的煤矸石陶粒轻集料混凝土达到劈裂抗拉强度时沿劈裂线劈成两半，掺入钢纤维的煤矸石陶粒轻集料混凝土达到劈裂抗拉强度时虽出现裂纹，但试件形状基本没有被破坏。钢纤维体积掺量为0%和1.5%时煤矸石陶粒轻集料混凝土的劈裂抗拉破坏照片如图5、图6所示。

2.3 钢纤维增强增韧机制分析

对于掺入钢纤维的煤矸石陶粒轻集料混凝土而言，当其受到拉应力时，钢纤维将在受拉区基体开裂后起到承担拉应力并保持基体裂缝缓慢扩展的作用，从而使基体裂缝界面也保持着一定的残余应力。随着裂缝扩展，基体裂缝间残余应力将逐步减小，而钢纤维具有较大变形能力可继续承担截面上的拉应力，直到钢纤维被拉断或从基体中拔出，而这个过程是逐步发生的，这样钢纤维就起到了明显的增韧减脆效果。因为钢纤维使煤矸石陶粒轻集料混凝土在受力和破坏过程中做了更多的功，故有效地改善了煤矸石陶粒轻集料混凝土的脆性特征。另外，随着钢纤维掺量增加，钢纤维所占百分比也就相应提高，钢纤维间距减小，所以煤矸石陶粒轻集料混凝土的劈裂抗拉强度得到不断提高。但值得注意的是，当钢纤维掺量过高时，劈裂抗拉强度和拉压比反而减小，这可能是因为钢纤维掺入过多导致纤维结团，从而影响了钢纤维对煤矸石陶粒轻集料混凝土的增强增韧作用。

3 结 论

（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，强度低等明显特点。正是由于这些差别，使得煤矸石陶粒轻集料混凝土的脆性比普通集料混凝土更大。

（2）当钢纤维掺量小于1.5%时，煤矸石陶粒轻集料混凝土脆性随钢纤维掺量的增大而减小；当钢纤维掺量大于1.5%时，增强增韧效果反而变差。钢纤维作增强增韧材料掺入煤矸石陶粒轻集料混凝土时，掺量控制在1.5%左右为宜。

（3）在煤矸石陶粒轻集料混凝土中掺入一定量的钢纤维，虽然对抗压强度的贡献不大，但对劈裂抗拉强度的提高非常明显，并且极大地改善了煤矸石陶粒轻集料混凝土的受压、受拉变形和破坏特性，使煤矸石陶粒轻集料混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑性的破坏形态。

参考文献：

[1]刘迪.煤矸石的环境危害及综合利用研究[J].气象与环境学报，2006（3）：60-62.

[2]范锦忠.利用煤矸石生产节能型超轻陶粒[J].新型墙材，2006（8）：19-22.

[3]宋素莉，舒新前，李钢，等.利用煤矸石制备轻质多孔材料的研究现状与展望[J].矿产综合利用，2008（2）：23-26.

[4]Kayali O.，Hague M.N.，Zhu B.Some Characteristics of High Strength Fiber Reinforced Light-Weight Aggregate Concrete[J].Cement and Concrete Composites，2003，25（2）：207-213.

[5]秦根.钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响[J].建筑材料学报，2003，6（4）：363-368.

[6]沈荣熹，工璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006.