纤维增强铁尾矿混凝土力学性能试验思考

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论文字数:46256 论文编号:sb2022041811215246329 日期:2022-04-25 来源:硕博论文网

本文是一篇工程硕士论文,本论文通过试验分析了不同铁尾矿砂取代率下的力学性能,发现随着铁尾矿砂取代率的增加,力学性能指标基本变化规律为先增大后减小。IOT 组中,IOT40 增强效果较好,抗压强度较 IOT0 提高了 7.6%,IOT-P1.5 组中,IOT40-P1.5 增强效果较好,较 IOT0-P1.5 抗压强度提高 5.0%;劈裂抗拉强度结果表明 IOT40 较 IOT0 提高 4.55%,IOT40-P1.5 较 IOT0-P1.5 提高 3.93%;

第一章  绪论

1.1 研究背景
近年来,随着国家大力推行基础设施建设以及不断推进工业化、城镇化建设进程,混凝土作为基础设施建设的原料之一,其用量和需求是巨大的。混凝土中砂石的采集主要为天然河沙,它作为一种不可再生资源,由于大量开采导致很多天然河沙需求量供不应求。在这种急需砂石量的情况下,天然河沙的开采存在两方面的问题,一方面,砂石量供不应求导致价格迅猛上涨;另一方面,在利益的驱使下,部分人在一些河道进行无序和无节制的开掘,造成河流挖沙的混乱局面[1]。过度开发河沙,不仅破坏了河道、河堤以及河势的原有形貌,还增加排洪防汛方面等不安全因素,运输过程中也会存在污染环境和资源浪费的不良结果[2]。我国目前对砂石的使用现状是消耗量巨大,资源浪费严重,对生态环境也造成严重影响,因此寻找可替代混凝土生产中的天然砂石已成为一个研究热点。
1.1.1 铁尾矿砂
铁尾矿砂是一种泥浆状矿物废料[3],铁尾矿砂的主要化学成分含量从高到低依次是:SiO2、Al2O、Fe2O3、CaO、Mg2O 等,与此同时还存在一些少量的 K2O、Na2O、以及 S、P 等元素[1]。由于铁尾矿砂的组成成分主要为二氧化硅、三氧化二铝、镁、铁、钙等元素,与天然骨料成分相似,用铁尾矿砂取代部分天然细骨料是相对可行的。
据调查显示,我国矿产资源丰富,现拥有矿山 27 万多座,大量的矿产资源为各行各业提供了能源和原材料[4],同时,矿山的大量开采造成了废弃矿物的大量堆放。其中仅金属类的废弃矿物每年排放量就超过 3 亿吨,需要占用 20km2的土地资源。这些废弃资源一小部分用作矿山填充,极少部分被综合利用,大部分被长期堆存[5]。因此铁尾矿砂成为我国长期堆放的最大工业固体废料之一,带来诸多影响,主要体现为:
第一,大面积土地被占用无法得到解决。据 2019 年统计,我国累计堆存铁尾矿砂量达 600 亿吨以上,预计每年还会额外产生 16 亿吨[6]。随着堆积量的增加,现有的铁尾矿砂库已不能满足如此大量的铁尾矿砂堆放,因此不得不建立新的铁尾矿砂库,这样必定会使得更多的土地被占用。
第二,在开采铁尾矿砂的过程中由于铁尾矿砂被磨碎,产生大量细致粉末,造成的主要危害是:粉尘、重金属、有害物质等进入自然循环系统,污染空气、水资源、土壤和植被等,还会形成长期难以消除的毒害,最终影响到人们的日常生活[7]。
第三,我国经济飞速发展,资源短缺成为了越来越明显的问题,此外,环境压力也随之而来。由于我国现有的各种原因,铁尾矿砂库的开发存在设计不足,离人口居住地较近,建造工艺相对粗糙等诸多安全问题难以解决。
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1.2 研究目的和意义
在经济快速发展的时代,城市的扩张与土地供给矛盾日益严重,迫使建筑物向高度更高、跨距更大的方向发展[13]。与此同时,混凝土在大量广泛应用的背景下,许多学者在满足当代低碳、绿色环保的理念下研究更高性能的混凝土应用。利用铁尾矿砂替代天然细骨料,同时生产出具有高强高性能的混凝土,实现混凝土工业化同环境的协同、可持续化发展路径,将其成为绿色高性能混凝土。高强高性能混凝土在实现建筑结构跨度更大,承载力更强、质量更轻,强度更高等方面作为建筑物的首选材料,更能发挥出优异力学性能和经济效益[13]。
其次,建筑材料的环保性能也是十分重要的。ECC 这种新型环保建筑材料受到较多学者的广泛关注和研究。研究结果表明:与普通混凝土相比,ECC 结构主要体现在延长混凝土构件的使用寿命,降低建筑物生产带来的污染,相应的减少了能源消耗,大大降低了结构对环境造成的危害,有利于社会的可持续发展[14]。对于 ECC而言也普遍存在着强度偏低(没有添加粗骨料)、水泥用量较高等缺陷。研究人员尝试在 ECC 的基础上添加偏高岭土、粉煤灰等存储量较大的活性材料以及铁尾矿砂等固体废弃物,在减少水泥用量的同时,由于其活性较高,具有很高的火山灰效应,能够促进水化反应的进行;还可以优化孔隙结构,降低有害离子(氯离子)的流动,进而有利于后期抗压强度以及耐久性的提高。已有文献多针对于 ECC 的抗压、单轴受拉、弯曲韧性等方面的研究,但基于 ECC 的掺加铁尾矿、偏高岭土、粉煤灰的绿色混凝土的力学性能相关文献还相对较少,因此,本论文将铁尾矿砂按照一定的取代率充当细骨料,解决因铁尾矿砂大量堆积造成的环境问题,同时添加粉煤灰和偏高岭土从 ECC 的绿色环保角度提供了新的研究方向。
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第二章  纤维增强铁尾矿混凝土试验设计

2.1 试验材料
2.1.1 胶凝材料
(1)水泥:试验所用的水泥为 P.O.42.5R 秦岭牌普通硅酸盐水泥,该水泥的主要性能指标见表 2.1 和表 2.2。

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本试验所选用的纤维是高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维,PVA 纤维具有较好的亲水性,能很好的被水泥中的胶凝材料包裹,属于环境友好型水泥增强纤维,耐碱和耐气候性良好,同时 PVA 纤维还具有一定良好的经济性。
PVA 纤维的作用是控制因混凝土产生收缩应力和温度应力的微裂缝开展,能够有效提高混凝土的抗压、抗弯、抗冲击及抗裂强度,还能改善混凝土的抗渗、抗震性能。其主要特点有:
(1) 绿色、安全可靠、无害于环境和人; (2) 与水泥亲和性好,握裹力强; (3) 分散性好,无粘连,易分散。
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2.2 试验仪器与设备
本次试验中试块的制备使用的主要仪器如图 2.3 所示。其中图 2.3(a)为双卧轴混凝土试验室搅拌机,型号为 HJS-60,特别注意的是,在混凝土搅拌时加入 PVA 纤维要少量缓慢且分散的加入,并应边搅拌边加入。图 2.3(b)为试件在室温下的自然养护,采用塑料膜布及毛毡包裹进行为期 28 天的自然养护。图 2.3(c)为混凝土振动台,为了使试件更加紧密内部无孔隙,使用混凝土振动台进行振捣。 

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试件制作完毕后养护 28 天需进行力学性能及微观结构检测试验时需要用到的主要设备仪器如下图 2.4 所示。图 2.4(a)为 1000kN 微机控制电液伺服万能试验机,最大试验力为 1000kN,最大拉伸试验空间是 750mm,压缩空间是 400mm。图 2.4(b)是 X 射线衍射仪,设备型号为 AXS D8 ADVANCE,设备参数为 Theta/theta 立式测角仪,2Theta 角度的范围在-110°~168°。图 2.4(c)为核磁共振微结构分析与成像系统,磁体类型是永久磁体,磁场强度为 0.3T,采样的速率为 50MHz。图 2.4(d)为扫描电子显微镜,设备型号为 Hitachi S-4800。
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第三章  纤维增强铁尾矿混凝土力学性能研究与分析 ................... 17
3.1 引言 ........................................ 17
3.2 试验加载方案 ........................... 17
3.3 立方体抗压强度试验结果与分析 ..................... 18
第四章  纤维增强铁尾矿混凝土损伤本构模型的研究 ......................... 49
4.1 引言 .................................... 49
4.2 混凝土损伤本构模型研究 .............................. 49
4.3 PVA 铁尾矿混凝土损伤本构模型的建立 ........................ 50
第五章  PVA 纤维铁尾矿混凝土微观机理研究 .......................... 57
5.1 X 射线衍射(XRD)物相分析 ........................ 57
5.1.1 XRD 分析原理 ...................................... 57
5.1.2 XRD 试验结果分析................................. 58

第五章  PVA 纤维铁尾矿混凝土微观机理研究

5.1 X 射线衍射(XRD)物相分析
5.1.1 XRD 分析原理
X 射线衍射(X-ray  diffraction)简称 XRD,波长较短的电磁波(约为 20~0.06埃),利用 XRD 技术对材料进行衍射行为时,综合布拉格方程、运动学衍射理论和动力学衍射理论,需要将材料研磨成满足要求的厚度,通过 X 射线与材料晶体发生穿透动作,即发生衍射行为。通过分析衍射花样来确定晶体的结构。
从确定角度对材料使用已知 X 射线连续照射,发生衍射行为后,满足式(5-1)的反射面都会得到反射,由上述公式计算结晶面间距和晶胞大小,一次为依据推断晶体类型,根据衍射强度分析材料原子排布状态[57]。
5.1.2 XRD 试验结果分析

工程硕士论文参考
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混凝土中的复合材料经过一系列水化反应后会形成新的物质决定混凝土强度的产生与大小,铁尾矿混凝土作为一种绿色混凝土必要对其水化产物进行研究。试验样品为铁尾矿砂取代率为 0%、20%、40%、60%的铁尾矿混凝土,进行 28d 养护后,对其进行 XRD 试验分析,试验结果用专业软件对其衍射峰值进行标注。
从图中可以看出通过 XRD 试验方法,铁尾矿混凝土样品检测出了氢氧化钙(Portlandite)、石英(Quartz)、水泥中的矿物成分(Alite、Belite)以及水化硅酸钙(C-S-H)晶体五种物相。
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第六章  结论与展望

6.1 结论
本论文在课题组已有研究成果的基础上,在不同铁尾矿砂取代率(0%、20%、40%、60%)与 PVA 纤维掺量为 1.5%,粉煤灰掺量为 30%,偏高岭土掺量为 15%的情况下,研究了纤维增强铁尾矿混凝土的力学性能、损伤本构模型及微观分析。力学方面主要进行了立方体抗压、劈裂抗拉、四点受弯及轴心受压强度试验,对其破坏形态和试验结果进行分析,建立铁尾矿砂取代率与强度的关系式,对板材进行弯曲韧性评价,通过轴心受压试验,得到了应力-应变全曲线,建立本构方程。微观结构层面利用 XRD、NMR 及 SEM 试验方法分析混凝土基体内部结构的化学组成、孔隙率、孔径数量及大小、内部结构情况,从微观角度为宏观力学性能研究提供了依据。本论文的主要研究结果如下:
(1)通过试验分析了不同铁尾矿砂取代率下的力学性能,发现随着铁尾矿砂取代率的增加,力学性能指标基本变化规律为先增大后减小。IOT 组中,IOT40 增强效果较好,抗压强度较 IOT0 提高了 7.6%,IOT-P1.5 组中,IOT40-P1.5 增强效果较好,较 IOT0-P1.5 抗压强度提高 5.0%;劈裂抗拉强度结果表明 IOT40 较 IOT0 提高 4.55%,IOT40-P1.5 较 IOT0-P1.5 提高 3.93%;四点受弯试验结果表明 IOT40 较 IOT0 提高4.10%,IOT40-P1.5 较 IOT0-P1.5 提高 10.60%;轴心受压强度结果表明 IOT40 较IOT0 提高 5.9%,IOT40-P1.5 较 IOTO-P1.5 提高了 18.4%;IOT-P1.5 组的各强度试验结果比 IOT 组强度值高,试验结果表明 PVA 纤维的加入能够有效提高铁尾矿混凝土的力学性能。
(2)由本构模型全曲线对比普通混凝土应力-应变全曲线,上升段趋同较高,模型曲线下降段与普通混凝土差异明显各组试块的应力-应变曲线在下降段会出现一个斜率变化的转折点,IOT 组中 IOT0 的曲线表现为斜率突然变化,表明试块突然被破坏而失去承载力,其余组因有铁尾矿砂起到了部分骨料的作用使得试块有一定的承载力。而 IOT-P1.5 组曲线在转折点之后趋于平缓,表明试块有残余承载力,由未拔出或拉断的纤维、截面处摩擦力所提供。
参考文献(略)


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