PVA纤维增强尾矿砂水泥基复合材料力学性能研究

张少峰 王 雪

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南714000）

PVA纤维增强尾矿砂水泥基复合材料力学性能研究

张少峰 王 雪

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南714000）

研制了采用高强高弹模PVA纤维作为增强材，以特制的尾矿砂水泥砂浆为基体制备PVA尾矿砂水泥基复合材料。本文通过单抗压试验、四点弯曲试验、冲击试验研究这种新型材料的抗压、抗弯和动力荷载作用下的抗裂性能。试验结果表明：该材料抗压强度类似混凝土，弹性模量较低，破坏状态有一定的延性；该材料在弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,弯曲试验测得的极限拉伸应变在2%以上,极限荷载时薄板试件的最大裂缝宽度在60Lm左右；该材料在动力荷载作用下抵抗动力荷载的性能明显强于普通混凝土，延性指标为8.04，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，损伤小，整体性强，能量耗散力强。

PVA尾矿砂水泥基复合材料；假应变硬化；多缝开裂；高延性

1 研究背景

超高韧性水泥基复合材料（Engineered cementitious composites,简称ECC）于20世纪90年代在美国密歇根大学成功研制。它以水泥砂浆为基体，其中加入聚乙烯纤维或聚乙烯醇纤维作为增强材料，通过断裂力学、微观力学和数理统计分析确定合理的纤维长度、直径、基体和界面的性能参数。国外研究表明：超高韧性水泥基复合材料在拉伸和弯曲荷载的作用下呈现假应变硬化和多缝开裂的特征，开裂裂缝宽度在0.1mm以内，可以防止有害物质的侵入和提高构件的力学性能和耐久性能，目前此新型材料已在日本、美国等发达国家投入使用。由于它在材料的延性、耗能、抗侵蚀、抗冲击和耐磨方面性能良好，我国大连理工大学、西安建筑科技大学等高校对它也进行制备工艺、力学性能和耐久性等相关的试验研究。

铁尾矿砂是一种复合矿物原料，是铁矿石经开采、加工、磁选后以泥浆状排放的一种矿物废料。我国是一个矿业大国，并且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8000座，集体及私人矿山20万座，尾矿废料的年排放量为1.35亿t。据统计，截止2010年，我国尾款砂的累积量达到110亿t，伴随着基础建设的扩大，铁矿石的需求日益增加，同时产生大量的废石，尾矿砂对生态环境造成不可估量的严重破坏，并且威胁着人们日常生活和生产，铁尾矿等矿山废弃物的堆存带来一系列的问题。本次课题研究依据鲍文博教授、宁宝宽教授和陈四利等试验结果以尾矿砂作为水泥基复合材料中的细骨料。

本文采用高强高弹模PVA纤维作为增强材,以精制水泥尾矿砂浆为基体,通过大量试验研究成功配制了具有类似于ECC材料性能的PVA尾矿砂水泥基复合材料。本文将通过四点弯曲试验、单轴抗压试验、冲击断裂试验研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗压、抗弯和断裂性能。

2 试验原材料和搅拌工艺

2.1 试验材料

①水泥 采用翼东牌PR42.5R普通硅酸盐水泥。

②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0.315～0.15mm。

③减水剂 采用大连西卡公司减水剂，掺量为胶凝材料的1%

④粉煤灰 沈阳热海电厂的一级粉煤灰

⑤纤维 采用山东泰安同伴纤维有限公司提供的纤维长度为12mm。 纤维的品质指标见表1。

表1 PVA性能指标

2.2 制备工艺

本次试验胶凝材料的制备工艺流程见图1。

2.3 试验方案

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如表2所示。

表2 基准配合比（kg／m3）

3 基本力学性能

3.1 抗压试验

试验采用立方体试件测定PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗压性能，试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm。试件龄期28d，在YES-2000型数显式压力试验机上进行单轴抗压试验，采用位移控制模式，加载速率为0.5mm/min，用LVDT在试件对称的侧面位置测量压缩变形，试验测得的抗压曲线图见2。

从图2可以看出立方体试件在峰值点以后的下降段与普通混凝土明显不同，没有出现荷载的突然降低，而是出现了较为缓慢的下降过程，体现了纤维对尾矿砂水泥基复活材料的增韧效果。试验表明：PVA尾矿砂水泥基复合材料较混凝土有非常明显的峰值后延性。

3.2 抗弯试验

采用薄板试件和梁试件研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的弯曲性能,试件尺寸分别为 400mm×100mm×20mm和 160mm×40mm× 40mm，试验龄期28d。加载装备为闭环液压伺服材料试验机，加载方式采用三不等分四点加载如图3，加载装备为闭环液压伺服材料试验机，加载速率为01mm/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。

据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。试验得到的荷载-挠度曲线如图4所示。右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力。由荷载-挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度、极限荷载和极限挠度,然后分别采用如下公式计算开裂强度、抗弯强度和极限拉伸应变预测值,计算结果见表2，试验曲线见图4。

表3 主要力学性能指标

计算公式见（1）～（3）

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见表4。该方法利用试件试验中得到的荷载-挠度曲线图，先算出试件初裂时的挠度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，20δ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I20分别可由式（4）、式（5）和式（6）求得：

表4

3.3 薄板的韧性指数计算

试件在加载过程中观测试件的变形和裂缝形式可以发现：薄板试件荷载峰值滞后产生较大的弯曲变形,并保持较好的完整性,试件底面在加载过程中可以观测到大量近似平行的细小裂缝,裂缝宽度60Lm左右,平均裂缝间距1～2mm左右；试件卸载后部分裂缝自动闭合。梁试件在荷载峰值后,仍然保持一段时间的完整状态,然后随着荷载的减小,试件的下部出现明显的局部破坏裂缝,而试件侧面有很多细密裂缝。由于梁试件横截面上的弯拉应力分布的影响,侧面裂缝间距从下往上逐渐增大。综上所述,PVA尾矿砂水泥基复合材料在弯曲荷载作用下的变形能力远大于混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料,而且它的开裂形式与混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料的开裂形式明显不同。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料选择了更为合理的材料参数,使纤维的增强增韧效果得到了更好的发挥。在弯曲荷载作用下,PVA尾矿砂水泥基复合材料中的纤维依靠其连接作用控制了裂缝的进一步扩展,并承担了基体释放的应力,同时依靠界面黏结将应力传递给周围未开裂的基体,诱发新裂缝的产生,使试件的纯弯曲段逐渐出现了大量近似平行的细密裂缝。试验中观测到的试件上众多的细密裂缝充分体现了纤维对基体裂缝的产生和扩展的有效控制作用。

3.4 冲击试验

采用15mm和30mm厚的板试件研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗冲击性能,试件尺寸分别为15mm×100mm×400mm和30mm× 100mm×400mm，试验龄期28d。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350mm，锤重为1.35kg，15mm薄板的冲击高度为300mm，30mm薄板的冲击高度为500mm。试验记录15mm、30mmPVA尾矿砂水泥基复合材料的初裂及破坏冲击次数,板的冲击能、延性指标和冲击疲劳强度试验结果及数理统计结果见表5。

表5 冲击性能指标数值

试验过程和表5表明，PVA尾矿砂水泥基复合材料在一定的纤维体积掺量作用下，试件在动力荷载作用下能保持较好的完整性，动力荷载作用后试件的表面出现很多接近平行的细微裂缝。试件的破坏冲击次数表明30mm板抵抗动力荷载的性能指标强于15mm板，这与尺寸效应和制备工艺有关，有待进步一试验研究。试件的各性能表明：PVA尾矿砂水泥基复合材料抵抗动力荷载的性能明显强于普通混凝土，PVA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 ，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

PVA尾矿砂水泥基复合材料具有很强的塑性应变能力，极限拉伸应变可达2.0%以上，是一种具有类似金属变形性能的纤维水泥基复合材料，在弯曲荷载和动力荷载作用下表现出明显的假应变硬化和多裂缝开裂特性，最大裂缝宽度在60Lm左右，可以有效的阻止外界有害物质的侵入，适应于耐久性要求较高的结构或构件。同时，PVA尾矿砂水泥基复合材料具有较强的抗动力荷载性能，延性指数为8.04，能够吸收能量，显著提高混凝土结构的抗震性能和变形性能，可应用到抗震结构，高层结构和大跨结构等。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料具有较大的变形性能，因此可以应用到混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位。此外，该材料的弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多,而且在极限荷载时材料能保持良好的整体性,不会发生坍塌破碎。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料具有多方面的优越性,并且将变废为宝，因此在很多建设项目中有着潜在的应用前景。

［1］Li Victor C，WU H C．Micromechanics based design for pseudo strain—hardening in cementitious composites[J].American Society of Mechanical Engines Mechanics,1992,45(8):390-398.

［2］Li Victor C，MISHRA D K，WU H C．Matrix design for pseudo strain—hardening fiber reinforced cementitious composites[J].Materials and Structures,1995,28(183): 586-595.

［3］高淑玲.PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究[D].大连:大连理工大学,2006.

［4］高淑玲,徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J].大连理工大学学报,2007,47(02):233-239.

［5］张君,公成旭,居贤春.高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料特性及应用[J].水利学报,2011,42(12):1451-1461.

［6］张君,公成旭,居贤春,郭自力.延性纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能[J].工程力学,2010,27(3):112-115.

［7］姜国庆，孙伟，刘小泉.生态型工程水泥基复合材料的制备与性能研究.西安建筑科技大学学报,2008,40(1):93-100.

［8］朱申红.矿业固体废物-尾矿的资源化[J].环境与开发,1999,14（1）:24-28.

［9］北京市节能和综合利用协会.北京地区尾矿废石资源化利用对策研究[J]. 2006,7.

［10］陈家珑.尾矿利用与建筑用砂[J].金属矿山,2005(1):71-75.

［11］James P.Romualai Gorden B.Batson.Mechanies of Craek sarrestineoncrete[J]. 1963 Joumal of the Engineering Meehanies Division，1963，89(3):147-168.

［12］鲍文博.张少峰 尾矿砂水泥基复合材料的制备和力学性能试验[J].东北大学学报2012,12(33).

［13］史小飞,王艳英.混杂纤维混凝土抗弯冲击性能[J].山东建筑,2006(3):31-34.

［责任编辑：朱丽娜］

Experimental Study on Mechanical Properties of High Toughness Fiber Reinforced

A type of high toughness tailing sand cementitious composite reinforced by PVA fibers was de tailing sand cementitious composite veloped.The compressive strength,flexural strength and breaking resistance of this type of material were studied by uniaxial compressive tests,fourpoint flexural tests and Impact tests.The results show that the compressive strength is similar to that of concrete but the elastic modulus is lower and the compressive deformation capacity is much higher than that of concrete;It exhibits the characteristics of pseudo strain-hardening,multiple cracking and high ductility as well as high energy absorption,The ultimate strain excesses 2%and the crack width at ultimate load is about 60Lm;the performance of dynamic load resistance is stronger than the ordinary concrete,the ductility index is 8.04,PVA fiber prevents materials open and extension of cracks,and absorbing energy,improve the impact of the material performance,little injury,integrity is strong,energy dissipation power.

PVA tailing sand cementitious composite;False strain hardening;Slit;High ductility

陕西铁路工程职业技术学院科学研究基金项目（KY2016-80）。

张少峰，硕士，陕西铁路工程职业技术学院，结构工程专业。