尾矿砂水泥基复合材料

关键词：

尾矿砂水泥基复合材料（精选四篇）

尾矿砂水泥基复合材料 篇1

目前, 尾矿已成为我国目前产出量最大、综合利用率最低的大宗固体废弃物之一, 累积堆存110亿t以上, 年产出量达到12亿t, 占全世界尾矿产出量的50%以上, 大量尾矿存在, 不仅大量占有了农田、污染了生态环境, 而且是引发重大工程与地质灾害的事故源, 同时, 因建立尾矿存库, 其基建费和运输费国家每年要投入10亿元以上[1,2,3,4]。据专家预测, 尾矿利用将是21世纪矿产综合利用范围最广、潜力最大的领域。

与粉煤灰、煤矸石等大宗工业固体废弃物相比, 尾矿的综合利用技术更复杂、难度更大, 多年来, 我国尾矿利用率长期徘徊在7%~9% (远低于国外60%的水平) 。目前, 尾砂主要用来制作建筑材料、用作土壤改良剂及微量元素肥料、充填矿山采空区等[5,6,7,8]。但是部分尾矿不仅有坚硬的颗粒, 而且有诸多与活性掺合料相似的成分, 具有用来制备高性能、超高性能混凝土材料的潜力。虽然近年来人们注意了这个问题的研究, 但研究开发的力度却依然微弱, 而且也没有充分认识到尾矿本身的物理与化学优势。本文将尾矿细粒部分取代普通砂, 探索制备不同层次的生态型超高性能水泥基复合材料, 对节约资源、改善环境、促进我国水泥基混凝土走生态环保之路具有十分重要的意义。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

水泥:P·Ⅱ52.5级硅酸盐水泥。

超细粉煤灰:南京热电厂产超细粉煤灰, 比表面积400m2/kg。

硅灰:埃肯公司生产的微硅粉, 比表面积22000m2/kg。

细集料:最大粒径2.5mm的普通黄砂, 细度模数2.26, 连续级配;南京地区铁尾矿砂, 化学成分见表1。

%

高效减水剂:聚羧酸型高效减水剂, 固含量40%, 减水率大于40%。

钢纤维:超细钢纤维, 表面镀铜, 直径0.2mm, 长度13mm, 弹性模量210GPa, 抗拉强度1800MPa。

超高性能水泥基复合材料的配合比见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 成型

混凝土成型过程中先将原材料 (超细混合材、水泥、砂) 干拌均匀, 然后在搅拌过程中将混合均匀的水和外加剂缓慢地倒入搅拌机内, 湿拌2~3 min。当混合料进入粘流状态后, 均匀地撒入钢纤维, 继续搅拌2~3min。之后在模具中浇铸成型, 并适当加以振动以增进混凝土的密实性。标准养护1d后拆模, 试件标准养护到规定龄期后测试其各项力学性能。

kg/m3

1.2.2 力学性能

弯曲试件尺寸为:40mm×40mm×160mm的棱柱体, 采用三点弯曲, 跨距100mm。试验设备为深圳某公司生产的CMT5105电子万能试验机, 加载速度为1mm/s, 试验记录下试件的弯曲荷载-挠度曲线。

弯曲韧性测试采用美国材料与试验协会ASTM1018-98中的韧性指数法来衡量钢纤维增强超高性能混凝土的弯曲韧性。此法是利用理想弹塑性体作为材料韧性的参考标准, 选用弯曲荷载-挠度曲线的初裂点挠度δ的倍数作为终点挠度, 即3倍 (3δ) 、5.5倍 (5.5δ) 、10.5倍 (10.5δ) , 如图1所示。弯曲韧性指数用I5、I10、I30表示, 即I5=OACD面积/OAB面积;I10=OAEF面积/OAB面积;I30=OAGH面积/OAB面积。

抗压试件尺寸为:40mm×40mm×40mm的立方体, 实验设备为无锡某公司生产的TYA-2000型电液式压力试验机。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

超高性能水泥基复合材料在不同龄期 (7d、28d、90d) 下的抗压强度见图2。

由图2可以看出, 不同系列的超高性能水泥基复合材料的抗压强度随着龄期的增长而增大, 在相同养护龄期条件下, 随着钢纤维掺量的提高, 其抗压强度大幅提升, 尤其是掺加了3%的钢纤维后, 其抗压强度提升幅度十分明显, 90d抗压强度可达到180MPa左右。相对于未掺加尾矿砂的材料而言, 掺加30%或50%的尾矿砂后, 材料在不同龄期条件下的抗压强度不仅没有明显的下降趋势, 反而有所增加。主要原因是:一方面, 尾矿砂的自身强度很高, 在材料中起到很好的增强相的作用;另一方面, 由于尾矿砂的颗粒直径非常细小, 存在大量的微米级颗粒, 在材料中能起到很好的填充效应, 从而使得复合材料整体的均匀性得以大幅提升, 从而宏观上表现为材料的抗压强度得以提高。另外可以肯定的是, 随着龄期的增加, 火山灰反应不断进行, 其抗压强度还可以进一步提高。

2.2 抗折强度

不同养护龄期下超高性能水泥基复合材料的抗折强度见图3。

由图3可以看出, 不同系列的超高性能水泥基复合材料的抗折强度随着龄期的增长而增大, 未掺加尾矿砂的超高性能水泥基复合材料基体的90d抗折强度为18.2MPa。随着钢纤维掺量的提高, 抗折强度也不断提高, 掺入3%钢纤维后, 超高性能水泥基复合材料的抗折强度提高到基体混凝土的2.17倍, 这是由于超细钢纤维在基体中分散均匀, 随着纤维掺量的增加, 单位体积中的纤维数量不断增加, 纤维间距不断缩小, 充分发挥出纤维的阻裂和增强作用, 从而使超高性能水泥基复合材料的抗折强度得到不断提高。超高性能水泥基复合材料中掺入的超细工业废渣, 随着养护龄期的延长, 其火山灰效应不断发挥, 提高了超高性能水泥基复合材料基体的密实度和纤维与基体的界面粘结力, 因此, 可以推测该材料的抗折强度将随着龄期的增大而大幅提高。

尾矿砂加入后, 超高性能水泥基复合材料的抗折强度较相同纤维体积率的无尾矿砂的超高性能水泥基复合材料不仅没有下降, 反而有上升的趋势。以掺加3%钢纤维及养护龄期28d为例, 在掺加30%和50%尾矿砂之后, 超高性能水泥基复合材料的抗折强度相比不掺加尾矿砂的材料分别提高了17.8%和26.6%, 这主要是由于尾矿砂的掺入增强了材料密实度, 使得基体-纤维的界面粘结强度得以提高, 材料整体结构非常密实, 从而在宏观上表现为加入尾矿砂的超高性能水泥基复合材料的抗折强度相对得以提升。

2.3 弯曲韧性

以90d养护龄期的超高性能水泥基复合材料为例, 其典型的荷载-挠度曲线如图4所示。

分析图4可得90d龄期下超高性能水泥基复合材料的弯曲韧性指数, 结果见表3。从表3中可以看出, 在相同养护龄期 (90d) 内, 对超高性能水泥基复合材料而言, 未掺钢纤维材料的韧性指数最低, 掺入3%钢纤维的超高性能水泥基复合材料韧性指数最高。由此可以推断出, 随着钢纤维掺量的增加, 纤维的增韧效果更加显著, 但也并非越多越好, 钢纤维掺量过多会使得材料自身流动度降低, 纤维分散不均匀, 容易发生纤维结团的现象, 从而影响纤维增韧效果的发挥。因此, 存在一个纤维掺量临界率, 即最佳掺量。经过大量实验发现, 3%的纤维掺量效果最好。

用尾矿砂取代50%普通砂后, 材料的弯曲韧性有所提高, 这要归功于尾矿砂及纤维二者之间协同效应的发挥。

从宏观角度看, 韧性可以定义为材料或结构从荷载作用到失效为止吸收能量的多少, 即可以用能量法, 以荷载-挠度曲线下包围的面积来表示韧性。通过计算超高性能水泥基复合材料弯曲荷载-挠度曲线下的面积得到超高性能水泥基复合材料的抗弯韧性, 结果见表3。从表3中可以看出, 随着钢纤维掺量的增加, 超高性能水泥基复合材料的抗弯韧性不断提高。将抗弯韧性与纤维体积率Vf的比值定义为单位体积纤维掺量的增强效率, 计算结果见表3。从表3可以看出, 钢纤维的增强效率在掺量为1%时最大, 随着纤维掺量的提高, 增强效率下降。但也可看出, 在加入尾矿砂后, 随着纤维掺量的增加, 增强效率下降趋势趋于缓和, 从而也充分说明了尾矿砂在超高性能水泥基复合材料中与钢纤维共同发挥了增强增韧的效果。

3 结论

(1) 利用尾矿砂部分取代普通砂成功制备出不同系列的超高性能水泥基复合材料, 其力学性能 (抗折强度、抗压强度及韧性) 均有提高, 显示出优异的高强度、高韧性和高阻裂特性, 并且显著提高了材料的性价比, 具有绿色环保性。

(2) 尾矿砂的最佳掺量应控制在取代50%以下普通砂时。掺加过多的尾矿砂会降低材料的流动性, 从而影响其力学性能。超高性能水泥基复合材料宏观性能的提高是尾矿砂与纤维协同效应发挥的结果。

摘要：通过大掺量超细工业废渣、尾矿砂部分取代普通砂及采用普通工艺成功制备了不同配合比的超高性能水泥基复合材料, 分别测试了其在不同龄期下的抗压强度和抗折强度, 并对其弯曲荷载-挠度曲线进行了分析, 讨论了尾矿砂对其力学性能的影响。结果表明, 尾矿砂的适量加入可以提高超高性能水泥基复合材料的的力学强度, 且在钢纤维的协同作用下表现出良好的韧性。

关键词：尾矿砂,超高性能水泥基复合材料,力学性能,韧性

参考文献

[1]孟跃辉, 倪文, 张玉燕.我国尾矿综合利用发展现状及前景[J].中国矿山工程, 2010, 39 (5) :4-9.

[2]崔孝炜, 倪文, 吴辉.水胶比对铁尾矿混凝土强度的影响[J].金属矿山, 2011 (11) :166-168.

[3]杨国华, 郭建文, 王建华.尾矿综合利用现状调查及其意义[J].矿业工程, 2010, 8 (1) :55-57.

[4]常前发.我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展[J].金属矿山, 2010 (3) :1-6.

[5]赖才书, 胡显智, 字富庭.我国矿山尾矿资源综合利用现状及对策[J].矿产综合利用, 2011 (4) :11-14.

[6]李柏山.程潮铁矿废石和尾矿的综合利用技术研究[J].环境科学与管理, 2011, 36 (7) :36-39.

[7]肖力光, 伊晋宏, 崔正旭.国内外铁尾矿的综合利用现状[J].吉林建筑工程学院学报, 2010, 27 (4) :22-26.

尾矿砂水泥基复合材料 篇2

PVA水泥基复合材料是今年来开发的一种新型建筑复合材料[1,2], 主要应用与建筑、大坝、路面和桥梁等工程。其制备是把低体积掺量的PVA纤维加入水泥砂浆形成类似混凝土的复合材料。国外大量工程实践证明, PVA纤维因其较高的抗拉强度和弹性模量不仅提高水泥基复合材料的抗裂性能、抗弯性能、抗弯韧性和疲劳特性, 还降低传统复合材料的成本, 是21世纪最为理想的建筑复合材料。2000年以来, 大连理工大学的徐世烺教授、高淑玲博士[3,4]、李贺东博士、王洪昌对水泥基复合材料的制备工艺, 力学性能和耐久性性能等试验研究并提出单轴抗拉的本构关系, 清华大学张君[5,6]研究水泥基复合材料的力学性能和耐久性能, 东南大学姜国庆通过抗压试验和抗弯试验研究尾矿砂替代PVA水泥基复合材料配合比[7]。国内何兆芳[8,9]、陈家珑[10]、蔡基伟[11]等研究尾矿砂替代混凝土中的天然砂, 这样不仅解决天然砂缺乏还解决尾矿砂占地、污染环境等问题。

目前国内学者关于PVA水泥基复合材料力学性能的研究较多, 但关于尾矿砂替代PVA水泥基复合材料细骨料的研究较少, 在PVA尾矿砂水泥基复合材料抗弯性能方面的研究未见报道。本文在已研究的基础上研究不同体积纤维掺量、不同铁尾矿砂替代率对水泥基复合材料抗弯冲击性的影响, 并通过对破坏冲击次数、延性指数、冲击能和冲击疲劳强度的分析得到一些有价值的结论。

2 试验材料和方案

2.1 试验材料

水泥:采用翼东牌PR42.5R普通硅酸盐水泥。

细骨料:采用辽阳鸡冠山的铁尾矿砂和天然砂, 材料的粒径为0.315 mm~0.15 mm。

减水剂:采用大连西卡公司减水剂, 掺量为胶凝材料的1.0%。

粉煤灰:沈阳热海电厂的一级粉煤灰。

纤维:采用山东泰安同伴纤维有限公司提供的纤维长度为12 mm, 纤维的品质指标见表1。

2.2 试验方案

2.2.1 PVA纤维水泥基复合材料制备

PVA纤维水泥基复合材料制备配合比参考尾矿砂水泥基复合材料的制备和力学性能试验[12]如表2所示。材料的制备工艺如图1示, 15 mm薄板一次浇筑足够的厚度, 30 mm薄板分两层浇筑, 每层浇筑振捣1 min, 试件浇筑抹面后加盖塑料薄膜以防止水分的散失, 试验模具为自制的木模。48 h后拆模, 在湿度90%以上, 温度为20℃±3℃的环境中养护28 d, 取出晾干两天再试验。

2.2.2 抗弯冲击试样

试样的板厚分别为15 mm和30 mm, 试样编号见表3, 15 mm板厚的编号首字母为B, 30 mm板厚的编号首字母为H, 每组试件3个试件。

2.2.3 抗弯冲击装置

抗弯冲击试验采用自制的三点弯曲试自由落锤冲击装置, 跨距为350 mm, 锤重为1.35 kg, 15 mm薄板的冲击高度为300 mm, 30 mm薄板的冲击高度为500 mm, 图2所示为试验装置示意图。试验时为了防止落球直接冲击试件引起的应力集中造成试件的损伤, 在试件的表面垫有一块钢板, 落球的中心线与试件的中心线对齐, 落锤自由下落砸在试件的中心, 进行多次循环。

2.2.4 抗弯冲击试验

水泥基板破坏时出现的裂缝次数为破坏冲击次数, 尾矿砂水泥基复合材料的抗冲击性能用抗弯冲击能W、延性指标β和冲击疲劳强度R进行评价, 延性指标表示水泥基复合材料从出现裂缝到破坏阶段所需要冲击能量与板初裂之前所需能量的比值, 它直观上反映尾矿砂水泥基复合材料在初次出现裂缝后的延性。冲击能W (N·m) 、延性指标β和冲击疲劳强度R (J/cm3) 的采用以下公式[13]计算:

式中N1—初次开裂冲击次数, 次;

N2—破坏冲击次数, 次;

m—钢球的质量, kg;

g—重力加速度, 9.8 m/s2;

h—落锤至试件表面的高度, m;

V—试件的体积, cm3。

3 试验结果与分析

3.1 冲击试验结果

试验记录15 mm、30 mm尾矿砂水泥基复合材料的初裂及破坏冲击次数试验结果及数理统计结果见表4、表5。

由表4和表5所知薄板尾矿砂水泥基复合材料的初裂冲击次数相差不大, 这说明材料在初次裂缝出现前纤维对基体不存在增强作用, 破坏冲击次数平均值由大到小的顺序依次为Bc、Be、Bg、Bb、Bd、Bg、Ba和Hc、He、Hg、Hb、Hf、Hd。纤维体积掺量为1.5%时, Bb、Bd、Bf的破坏冲击次数较Ba分别提高1.9、1.8和1.6倍, 纤维体积掺量为2%时, Hb、Hd、Hf的破坏冲击次数较Ha分别提高11.5、3.8和2.73倍, 这表明随着PVA纤维掺量的增多, PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗裂冲击性能显著提高。表4和表5表明, 在一定的纤维体积掺量作用下, 该材料承受动力荷载的效果随尾矿砂替代率的增大递减。破坏冲击次数表明30 mm板抵抗动力荷载的性能指标强于15 mm板, 这与尺寸效应和制备工艺有关。

3.2 冲击性能

冲击延性指标反应水泥基复合材料的承受动力荷载的冲击韧性, 冲击疲劳强度表示水泥基复合材料吸收动能的大小, 可以认为, 冲击锤在冲击过程中所消耗的动能是通过钢球将能量均匀的传递到试件内部并被吸收。试件完全开裂时的冲击次数为冲击能、冲击韧性和冲击疲劳强度的衡量尺度, 15 mm和30 mm薄板的试验结果见表6和表7。

纤维的加入增加材料的韧性。从表6、表7可以看出纤维体积掺量为2%的冲击能、延性指数, 冲击疲劳强度是1.5%的纤维体积掺量各性能1~2倍。纤维体积掺量为2%时, Bg的冲击能和延性指标较Ba分别提高2.07和4.8倍, Hg的冲击能和延性指标较Ha分别提高2.23和4.09倍。

试验结果表明:PVA纤维增强水泥基复合材料的抗弯冲击韧性和提高材料的延性指数, 尾矿砂能够替代复合材料中的细骨料并且具备良好的物理性能和力学性能。PVA和尾矿砂不仅提高材料的力学性能而且环保, 解决环境污染, 值得进一步研究和广泛应用。图3纤维为2%时尾矿砂与破坏冲击次数N2和延性指标β的关系 (图中15, 30代表板厚) 。由图值知尾矿砂水泥基复合材料的破坏冲击次数和延性指数β随尾矿砂替代率的增大以此递减。

通过尾矿砂水泥基复合材料的冲击试验现象和结果表明, 纤维对裂缝面的桥接作用可以抑制水泥基复合材料裂缝的张开和扩展。不加纤维的材料呈现脆性, 发生初裂后裂缝很快贯穿断面, PVA纤维抑制水泥基复合材料裂缝的张开和扩展, 并且吸收能量, 提高材料的冲击性能。PVA尾矿砂水泥基复合材料在冲击荷载作用下破坏呈现多裂缝开裂, 损伤小, 整体性强, 能量耗散力强。

4 结论

掺入PVA纤维的延性指标较不加纤维天然砂水泥基复合材料的提高1.75~7.5倍, 试件破坏过程比较缓慢, 呈现塑性破坏特征。

试验结果表明, 纤维的体积掺量为1.5%~2%时, 纤维对改善水泥基复合材料的抗弯冲击性能效果较好, 工程应用建议采用体积掺量为2%。

PVA尾矿砂水泥基复合材料在冲击荷载作用下破坏呈现多裂缝开裂, 损伤小, 整体性强, 能量耗散力强。

尾矿砂水泥基复合材料 篇3

随着国内基础建设日益的发展, 砂的需求量不断增长, 我国不少地区因天然砂的超量开采已对农田、河道造成严重破坏, 国务院和各地政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定[1,2,3,4]。我国是一个矿业大国, 90%的能源及80%的原材料均来自矿产资源。目前, 我国国有矿山8850座, 集体及私人矿山25万座, 尾矿废料的年排放量为1.5亿t[5,6]。美国、加拿大、法国、德国、前苏联等国投入大量的资金对铁尾矿砂的综合利用进行了研究, 并取得显著的社会效益和经济效益[7]。我国从20世纪80年代开始加强铁尾矿砂的综合利用和管理, 已在铁尾矿开发利用方面取得一些进展和成果, 但由于形成规模很小, 利用率很低, 不能从根本上解决尾矿堆放占用土地及破坏、影响环境的问题[8]。

目前, 我国正处于城镇化大规模基础工程建设时期, 需要大量的建筑材料, 且我国很多地方处于高烈度地震区。而国内工业废料, 如粉煤灰、尾矿砂等储量较大, 因此, 充分利用地方性材料和工业废料研制高性能生态建筑材料并将其应用于工程结构有重要意义。鉴于此, 本试验研究了铁矿砂替代PVA水泥基复合材料中细骨料后, 复合材料的抗压及抗弯性能, 以期为工业废料尾矿砂的综合利用提供理论依据。

目前, 关于尾矿砂PVA水泥基复合材料[9,10,11,12]力学性能和韧性性能的研究较少, 本试验在大连理工大学高淑玲、李贺东等学者对PVA-ECC水泥基复合材料研究和河北理工大学蔡基伟对铁尾矿砂取代天然砂研究的基础上, 研究了纤维长度及掺量对不同尾矿砂替代率复合材料抗压性能和抗弯性能的影响, 可为实际工程应用提供借鉴。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

本试验采用的尾矿砂取自辽阳某矿山;水泥为P·Ⅱ42.5R级水泥;粉煤灰为Ⅰ级灰;纤维为长6mm和12mm的PVA纤维, 掺量为20kg/m3和26kg/m3, 纤维的性能指标见表1。

1.2 试件的制备和养护

首先将水泥、粉煤灰和尾矿砂投入UJZ-15型砂浆搅拌机干拌2min, 而后加入水搅拌3min, 加入减水剂再搅拌3min, 此时砂浆具备良好地粘聚性和流动性, 最后人工加入PVA纤维搅拌4min, 尾矿砂PVA水泥基复合材料未发现纤维结团现象。薄板试件 (400mm×100mm×20mm) 一次浇筑完成, 立方体试块 (70.7mm×70.7mm×70.7mm) 和小梁试件 (160mm×40mm×40mm) 分两层浇筑, 每次在振动台上振捣1min。, 每组浇筑3个试件, 浇筑完成后盖上塑料薄膜以防水分挥发。48h拆模, 放入湿度90%以上, 温度 (20±3) ℃的养护室标准养护28d后取出, 晾干3d后进行试验。

1.3 配合比和试验编号

尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料配合比见表2, 试验编号见表3。

kg/m3

1.4 试验方法

1.4.1 抗压试验

采用YES-2000型数显式压力试验机对试件进行连续、均匀加载, 按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关规定进行试验。以0.4~0.5MPa/s的速度连续而均匀地对试件加载, 当试件临近破坏而开始变形加速时, 调整试验机油阀, 直至试件破坏, 计算立方体试件抗压强度。

1.4.2 抗弯试验

薄板和梁的抗弯试验采用JAW-500K电液伺服结构试验系统加载, 采用三不等分四点加载, 如图1所示, 采用位移控制, 速度为0.1mm/min。薄板采用三等分位置加载, 测试跨度为300mm;梁采用三不等分位置加载, 测试跨度为150mm。

2 试验结果

2.1 抗压试验

掺入6mm和12mm纤维试件的破坏图像见图2;抗压强度曲线见图3。图3中横坐标为试件编号。

2.2 薄板抗弯试验

受弯的薄板试件在加载过程中跨中出现多条细密裂缝且裂缝缓慢展开。随着试验的加载, 较近的部分裂缝互相贯通形成较大的裂缝, 部分较远的裂缝出现闭合现象, 见图4。从破坏照片可以看出, 薄板受力处有两条主裂缝, 其他部位的裂缝需经过处理方可看清。试件破坏断面粗糙, 纤维部分被拔出, 部分被拉断。

尾矿砂替代率0、50%和100%时, 薄板试件的荷载-挠度曲线见图5~图7。

2.3 梁抗弯试验

尾矿砂替代率0、50%和100%时, 梁的荷载-挠度曲线见图8~图10。

3 试验结果分析

3.1 抗压性能分析

纤维长度为6mm, 掺量为20kg/m3时, YL-c、YL-e试件的抗压强度为YL-a试件的1.35和1.30倍;当纤维掺量为26kg/m3时YL-d、YL-f试件的抗压强度为YL-b试件的1.10和1.00倍。纤维长度为12mm, 掺量为20kg/m3时, YS-c、YS-e试件的抗压强度为YS-a试件的1.32和1.32倍;纤维掺量为26kg/m3时YS-d、YS-f试件的抗压强度为YS-b试件的1.00和1.10倍。试验结果表明, 纤维掺量一定时, 以50%和100%尾矿砂替代天然砂可取得良好的抗压性能。同时, 掺12mm纤维试件较掺6mm纤维试件的抗压强度提高1.07~1.17倍。试验结果表明, 尾矿砂替代PVA水泥基复合材料中的细骨料在抗压强度方面是可行的。试验情况表明, 尾矿砂PVA水泥基复合材料试件在荷载达到峰值后仍可继续承载而不致脆性破坏;掺12mm纤维在抗压性能方面的增强效果优于掺6mm纤维。

3.2 薄板试验结果分析

依据尾矿砂PVA水泥基复合材料的荷载-挠度曲线, 计算薄板的比例极限荷载σc、抗弯强度σu及预测拉伸应变值, 见表4。

计算公式见式 (1) ~式 (3) 。

式中, Pc为开裂荷载, k N;Pu为极限荷载, k N;l0为计算跨度, mm;b、h为试件的宽度和高度, s为与支撑和变性有关的系数, 对于大变形的四点弯曲试件, 1/s为1/8, k=ht/h为受拉区高度ht与试件截面高度的比值, 依据试验得到的裂缝沿构件高度方向扩展深度进行, 薄板四点弯曲试验k=0.8, f为跨中挠度, mm。

美国材料实验学会于1984年提出该方法, 并于1994年对其进行了修订。该方法利用试验中得到的试件荷载-挠度曲线图, 先算出试件初裂时的挠度所对应的荷载-挠度曲线下的面积A1, 再计算出挠度达到5δ、10δ、30δ时荷载-挠度曲线所对应的面积, 并用其除以A1, 得到的结果In即是韧度指数。I5、I10和I30分别由式 (4) 、式 (5) 和式 (6) 求得。

根据ASTM-C1018的韧度指数计算尾矿砂PVA水泥基复合材料的韧性指数, 结果见表5。

参考文献[13]中的定义, 当IX≥X时材料为韧性材料, 依据上述定义和表5可知, 尾矿砂PVA水泥基复合材料为韧性材料。

3.3 梁试验结果分析

从荷载-挠度曲线可见, 掺12mm纤维试件破坏时跨中挠度较6mm纤维提高17.1%~53.7%, 破坏荷载提高70%~117%;纤维掺量为26kg/m3时, 抗弯试验破坏时跨中挠度掺12mm纤维试件提高33%~71%, 破坏荷载提高18%~70%。12mm纤维掺量为26kg/m3梁的荷载-挠度曲线说明, 尾矿砂替代率为50%和100%时, 比天然砂材料破坏时的跨中挠度高。

4 结论

(1) 本试验获得的尾矿砂细骨料的纤维水泥基复合材料工作性能和基本力学性能稳定, 制备工艺满足要求。

(2) 尾矿砂替代比例对力学性能影响不显著, 但对水泥基材料的工作度影响较大。选择适当的尾矿砂替代比例, 可以较好地解决混合细骨料纤维水泥基复合材料的工作度问题。本试验表明, 尾矿砂的替代比例为50%时效果较好。

尾矿砂水泥基复合材料 篇4

随国内基础建设的日益发展,我国天然砂的超量开采已对农田、 河道造成较大破坏, 国务院和各地方政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定[1,2,3,4]。目前,一些科研单位进行了尾矿砂替代天然砂的研究工作。 尾矿砂作为一种矿物开采废料,存放量巨大并对生态环境造成威胁。 美国、加拿大、法国、德国、 前苏联等国家对铁尾矿砂的综合利用研究较早,并且取得了显著的社会效益和经济效益[5,6,7]。 我国从20 世纪80 年代开始加强铁尾矿砂的开发利用,目前在开发利用铁尾矿方面取得了一些进展和成果,但由于形成规模小,利用率低,还不能从根本上解决铁尾矿占用土地、破坏和影响环境等问题[8]。

本试验研究依据大连理工大学的高淑玲博士、李贺东博士和沈阳工业大学鲍文博教授的尾矿砂水泥基复合材料的研制等,研究了盐溶液对尾矿砂水泥基复合材料抗压性能和抗弯性能的影响,可为今后的实际工程应用提供试验研究基础。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

尾矿砂:宝鸡凤县矿山处理后的尾矿砂。

水泥:选用P·Ⅱ42.5R级普通硅酸盐水泥。

粉煤灰:陕西某电厂Ⅰ级灰。

拌合水:普通自来水。

纤维:长度为12mm的PVA纤维,掺量为20kg/m3和26kg/m3,纤维的各项性能指标见表1。

1.2 试件的制备和养护

试件的制备工艺流程见图1, 当用手摸胶凝材料没有纤维结团现象时开始制备试件。 尺寸为400mm×100mm×20mm的薄板试件一次浇筑完成尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试件分两层浇筑,振动台每次振捣1min,试件浇筑完成后盖上塑料薄膜以阻止水分挥发。 3d后拆模,放入湿度95%以上, 温度(20±3)℃的养护室内标准养护30d后取出,晾干3d后进行试验。 以上试件每组三个。

1.3 试验配合比和试验编号

试验配合比见表2所示。

kg/m3

尾矿砂PVA纤维水泥基复合材料试验的编号见表3。

1.4 试验方法

抗压试验采用YES-2000 型数显式压力试验机,并按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》 中的相关规定对试件进行连续、均匀加载。 加载速度为0.4~0.5MPa/s。

抗弯试验采用JAW-500K型电液伺服结构试验系统加载, 加载采用三等分四点加载法, 如图2所示。 试验采用位移控制,速度为0.05mm/min,三等分薄板加载,跨度为300mm。

2 试验结果

尾矿砂PVA水泥基复合材料在质量分数为5%的Ca Cl2溶液中腐蚀30d后的抗压强度见图3 所示。 经过盐溶液腐蚀后,尾矿砂PVA水泥基复合材料的表面完整,未出现材料剥落现象。 立方体抗压强度为未经腐蚀试块的50%~80%。 试验结果表明,尾矿砂的替代率为50%,纤维的掺量为26kg/m3时,材料的抗腐蚀性能较好。

尾矿砂PVA水泥基复合材料在质量分数为5%的Ca Cl2溶液中腐蚀30d后的荷载-挠度曲线见图4 和图5 所示。

试验结果表明, 盐溶液的腐蚀降低了尾矿砂PVA水泥基复合材料的强度和试件破坏时跨中的挠度。 当尾矿砂替代率为0 时,材料的破坏荷载为未经腐蚀试件的30%,破坏时的跨中挠度为未经腐蚀试件的50%;当尾矿砂替代率为50%时,材料的破坏荷载为未经腐蚀试件的50% , 破坏时的跨中挠度基本不受经腐蚀试件影响;当尾矿砂替代率为100%时,材料的破坏荷载为未经腐蚀试件的50%破坏时的跨中挠度在纤维掺量为26kg/m3时反而得到提高。

美国建材实验协会于1984 年提出了韧性指数方法,并于1994 年对其进行了修订。 该方法依据荷载-挠度曲线图,依次计算试件初裂时的挠度 δ 所对应的荷载-挠度曲线下的面积A1, 再计算出挠度达到5δ、10δ、30δ 时荷载-挠度曲线所对应的面积,并用其除以A1,得到的结果In即是所求的韧度指数I5、I10和I30分别可由式(1)、式(2)和式(3)求得:

根据ASTM-C1018 韧度指数计算,盐溶液腐蚀后的尾矿砂PVA水泥基复合材料韧性指数见表4。

参考文献[12]中定义,当IX≥X时材料为韧性材料,依据上述定义和表4 可知,尾矿砂PVA水泥基复合材料为韧性材料。

3 结语

尾矿砂PVA水泥基复合材料在质量分数5%的Ca Cl2溶液中腐蚀30d后的测试结果表明, 尾矿砂PVA水泥基复合材料有良好的抗腐蚀性能。 试件腐蚀30d后,抗压强度减少30%。 经腐蚀后,试件破坏前依旧出现多裂缝现象,呈现韧性破坏特征。 根据参考文献[12]中的定义可知,尾矿砂PVA水泥基复合材料腐蚀后为韧性材料。 试验测得尾矿砂PVA水泥基复合材料经腐蚀后的预测拉伸应变为3.3%。

摘要：通过试验探讨了质量分数为5%的CaCl2对尾矿砂PVA水泥基复合材料抗压性能和抗弯性能的影响。结果表明,尾矿砂PVA水泥基复合材料具备良好的抗腐蚀效果,经腐蚀后材料试样破坏前依旧出现多裂缝现象,呈现韧性破坏特征并属于韧性材料,试验测知该材料经腐蚀后的预测拉伸应变为3.3%。