工程科学学报，第37卷，第11期：1491-1497,2015年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.11:1491-1497,November 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.11.015;http://journals..ustb.edu.cn 铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 黄晓燕，倪文，李克庆四 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:kqing.2003@163.com 摘要探索采用铁尾矿粉取代粉煤灰作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的可行性，重点研究铁 尾矿粉摻量对ECC的拉仲特性和抗压强度的影响，并比较所研发的新型铁尾矿粉ECC与传统粉煤灰ECC的宏观力学性能. 研究发现，采用铁尾矿粉作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料是可行的.在同等矿物摻合料掺量下，铁尾矿 粉ECC的强度性能低于粉煤灰ECC,但表现出更强的拉伸延性.在所研制的铁尾矿粉ECC中，当铁尾矿粉与水泥质量比为 1.2-2.2时，ECC的28d抗压强度为36.7-54.2MPa,满足一般混凝土结构对抗压强度的要求.此时，ECC的28d极限拉伸 应变为3.4%~4.3%，铁尾矿的总用量占固体基体原材料总质量的66.6%~77.0%. 关键词纤维增强复合材料：铁矿石：尾矿：水泥：拉伸应变：抗压强度 分类号TB332 Development of engineered cementitious composites containing iron ore tailing powders HUANG Xiao-yan,NI Wen,LI Ke-qing Key Laboratory of the Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:kqing2003@163.com ABSTRACT The substitution of iron ore tailing powders (IP)for fly ash as mineral admixtures was studied in the development of engineered cementitious composites(ECC).The focus was placed on the effect of IP content on the tensile properties and compressive strength of ECC.The mechanical properties of ECC with IP were also compared with those of traditional ECC with fly ash.Experimen- tal results show that it is feasible to use IP as mineral admixtures to produce high-ductile ECC.ECC with IP exhibits a lower strength performance but a higher ductility under tensile load than ECC with fly ash at the same addition of mineral admixtures.ECC with an IP/cement mass ratio of 1.2-2.2 shows a 28-d compressive strength of 36.7-54.2 MPa,which meets the compressive strength re- quirement of normal concrete structures,and a 28-d tensile ductility of 3.4%-4.3%.The amount of iron ore tailings in those mix- tures accounts for 66.6%-77.0%of the total solid matrix ingredients of ECC. KEY WORDS fiber reinforced composites;iron ores;ore tailings:cement:tensile ductility:compressive strength 我国铁尾矿排放量大，综合利用率低.据不完全 在传统高延性纤维增强水泥基复合材料(engi- 统计，目前我国累计堆存的铁尾矿量高达50亿t0,其 neered cementitious composites,ECC)中，基体材料以精 中绝大部分铁尾矿尚处于堆存状态.铁尾矿的堆存所 细石英砂为细骨料，水泥和粉煤灰为胶凝材料.前期 造成的环境、资源、经济、安全等方面的问题严重制约 研究结果显示回，合适粒级的铁尾矿可完全取代精细 着我国矿业领域的可持续发展，开展铁尾矿综合利用 石英砂作为细骨料制备ECC.粉煤灰作为矿物掺合料 的研究工作十分紧迫. 被广泛应用于各类混凝土材料的制备中.与粉煤灰相 收稿日期：2014-06-25 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA062401)
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期: 1491--1497，2015 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 11: 1491--1497，November 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 11． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 黄晓燕，倪 文，李克庆 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: kqing2003@ 163． com 摘 要 探索采用铁尾矿粉取代粉煤灰作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料( ECC) 的可行性，重点研究铁 尾矿粉掺量对 ECC 的拉伸特性和抗压强度的影响，并比较所研发的新型铁尾矿粉 ECC 与传统粉煤灰 ECC 的宏观力学性能． 研究发现，采用铁尾矿粉作为矿物掺合料制备高延性纤维增强水泥基复合材料是可行的． 在同等矿物掺合料掺量下，铁尾矿 粉 ECC 的强度性能低于粉煤灰 ECC，但表现出更强的拉伸延性． 在所研制的铁尾矿粉 ECC 中，当铁尾矿粉与水泥质量比为 1. 2 ～ 2. 2 时，ECC 的 28 d 抗压强度为 36. 7 ～ 54. 2 MPa，满足一般混凝土结构对抗压强度的要求． 此时，ECC 的 28 d 极限拉伸 应变为 3. 4% ～ 4. 3% ，铁尾矿的总用量占固体基体原材料总质量的 66. 6% ～ 77. 0% ． 关键词 纤维增强复合材料; 铁矿石; 尾矿; 水泥; 拉伸应变; 抗压强度 分类号 TB332 Development of engineered cementitious composites containing iron ore tailing powders HUANG Xiao-yan，NI Wen，LI Ke-qing Key Laboratory of the Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: kqing2003@ 163． com ABSTＲACT The substitution of iron ore tailing powders ( IP) for fly ash as mineral admixtures was studied in the development of engineered cementitious composites ( ECC) ． The focus was placed on the effect of IP content on the tensile properties and compressive strength of ECC． The mechanical properties of ECC with IP were also compared with those of traditional ECC with fly ash． Experimental results show that it is feasible to use IP as mineral admixtures to produce high-ductile ECC． ECC with IP exhibits a lower strength performance but a higher ductility under tensile load than ECC with fly ash at the same addition of mineral admixtures． ECC with an IP/cement mass ratio of 1. 2 － 2. 2 shows a 28-d compressive strength of 36. 7 － 54. 2 MPa，which meets the compressive strength requirement of normal concrete structures，and a 28-d tensile ductility of 3. 4% － 4. 3% ． The amount of iron ore tailings in those mixtures accounts for 66. 6% － 77. 0% of the total solid matrix ingredients of ECC． KEY WOＲDS fiber reinforced composites; iron ores; ore tailings; cement; tensile ductility; compressive strength 收稿日期: 2014--06--25 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2012AA062401) 我国铁尾矿排放量大，综合利用率低． 据不完全 统计，目前我国累计堆存的铁尾矿量高达 50 亿 t ［1］，其 中绝大部分铁尾矿尚处于堆存状态． 铁尾矿的堆存所 造成的环境、资源、经济、安全等方面的问题严重制约 着我国矿业领域的可持续发展，开展铁尾矿综合利用 的研究工作十分紧迫． 在传统高延性纤维增强水泥基复合材料( engineered cementitious composites，ECC) 中，基体材料以精 细石英砂为细骨料，水泥和粉煤灰为胶凝材料． 前期 研究结果显示［2］，合适粒级的铁尾矿可完全取代精细 石英砂作为细骨料制备 ECC． 粉煤灰作为矿物掺合料 被广泛应用于各类混凝土材料的制备中． 与粉煤灰相
·1492 工程科学学报，第37卷，第11期 比，铁尾矿的综合利用率以及经济价值均较低。与此 泥.因而，可以初步预测铁尾矿粉能够发挥降低ECC基 同时，由于基础设施建设规模的扩展，我国部分地区已 体断裂韧度的作用.以此为理论依据，本文探索了采用 经突显出粉煤灰短缺的局面.因此，基于铁尾矿综合 磨细铁尾矿（铁尾矿粉）代替粉煤灰作为ECC中的矿物 利用以及为ECC的本地化提供更多原材料选择的目 掺合料的可行性，主要研究了铁尾矿粉掺量对ECC拉 的，本研究考虑同时采用原始铁尾矿（铁尾矿砂）作为 伸特性和抗压强度的影响，并比较研究了铁尾矿粉ECC 细骨料和磨细铁尾矿（铁尾矿粉）代替粉煤灰作为矿 和传统粉煤灰ECC的宏观力学性能. 物掺合料制备出高掺量铁尾矿ECC. 1 实验 采用铁尾矿粉作为矿物掺合料遵循了ECC的微观 力学理论原理.根据ECC的微观力学设计准则，实现多 1.1原材料和配比设计 缝开裂以及应变硬化需要限制基体的断裂韧度.前 实验原料包括水泥(C)、粉煤灰(FA)、铁尾矿、聚 人四研究工作表明采用粉煤灰代替水泥可有效降低基 乙烯醇(poly-vinyl alcohol,.PVA)纤维、聚羧酸减水剂 体的断裂韧度，增强ECC的延性.这主要是由于粉煤灰 和自来水.水泥为ASTM Type I波特兰水泥；粉煤灰为 的化学活性明显低于水泥，采用粉煤灰替代部分水泥之 ASTM Class F粉煤灰，细度为45μm筛余16.85%，需 后，水化产物数量减少，从而降低了基体断裂韧度.铁 水量97%，密度为2.45gcm3,28d强度活性指数 尾矿由结晶良好的矿物组成，室温下在水泥基材料中呈 92%:铁尾矿中Si02的质量分数达69.5%，主要矿物 惰性.铁尾矿经机械力化学活化制成细粉之后，表现出 为石英，属于高硅鞍山型铁尾矿 ·水泥、粉煤灰以及 定的反应活性，但其反应活性依旧低于粉煤灰或水 铁尾矿的化学组成如表1所示 表1 水泥、粉煤灰以及铁尾矿的成分（质量分数） Table 1 Composition of cement,fly ash and iron ore tailings 原料 Ca0 SiO2 Al203 Fe203 S03 Mgo K20 Na0 烧失量 水泥 65.34 19.59 4.49 2.73 4.13 0.38 0.43 2.64 粉煤灰 14.04 44.00 23.21 8.39 1.46 0.99 0.56 铁尾矿 4.14 69.52 7.44 8.23 0.03 3.72 1.97 1.40 2.51 根据前期研究结果四，采用原始的铁尾矿（称为 粉煤灰ECC的宏观力学性能，在配比E2~E4的基础 铁尾矿砂)作为ECC中的细骨料.该铁尾矿砂的平均 上采用粉煤灰作为矿物掺合料，设计了配比F1~F3. 粒径为140m,最大粒径为300μm.将同种铁尾矿砂 对于每个配比，聚乙烯醇纤维的体积掺量固定为2%， 进行粉磨以制备铁尾矿粉.铁尾矿粉被用作ECC中矿 前人的研究结果显示圆，新拌ECC基体料浆的黏度应 物掺合料，其比表面积为750m2·kg,特征粒径Dso为 控制在合理范围才能获得良好的纤维分散均匀性.若 5m,Do为35μm·根据ASTM C311可标准，测试铁 以马氏锥流动时间来间接表示料浆黏度，应将马氏锥 尾矿粉的强度活性指数，结果显示该铁尾矿粉的28d 流动时间控制在(30±5)s.实验中，通过调整减水剂 强度活性指数为82%. 掺量（减水剂占粉体材料的质量百分比）将各配比基 采用日本kurary公司生产的聚乙烯醇纤维作为增 体料浆的马氏锥流动时间都控制为(30±5)s. 强材料，该纤维被广泛使用于ECC的研究当中.聚乙 1.2试件制备和测试 烯醇纤维直径39μm,长度12mm,弹性模量42.8GPa, 根据传统ECC的成型流程制备试件m.对于表2 拉伸强度1620MPa,延伸率6.0%，纤维表面涂覆了与 中的每个配比，分别浇筑三个50×50×50mm3立方体 纤维质量比为1.2%的油涂层. 试件以测试抗压强度和三个狗骨状试件以测试拉伸特 ECC的配比设计如表2所示.其中，配比E1~E4 性.狗骨状试件的几何尺寸见文献8].另外，将配比 以铁尾矿粉为矿物掺合料制备出铁尾矿粉ECC.固定 E1~E4的基体料浆（不含纤维）分别成型三个 砂胶质量比为0.36、水胶质量比为0.26，改变铁尾矿 304.8mm×76.2mm×31.8mm梁试件以测试基体断 粉的掺量，使得铁尾矿粉与水泥质量比（为叙述方便， 裂韧度.试件在成型24h之后拆模，接着用湿布包裹 采用P/C表示)分别为0.6、1.2、2.2和4.4.当P/C 并置于塑料袋中，在实验室环境下((23±3)℃)进行 为0.6、1.2、2.2和4.4时，铁尾矿粉ECC中对应铁尾 养护，养护龄期为28d. 矿（铁尾矿砂+铁尾矿粉）的总用量分别为996.0、 采用单轴拉伸试验表征ECC的拉伸特性，加载速 1159.8、1335.3和1492.9kgm3,分别占固体基体原 率控制为0.5mm'min.试件变形监测区的长度范围 材料总质量的54.0%、66.6%、77.0%和86.4%.为了 为(100±2)mm,在试件两侧装置两套线性变形传感 对比在不同矿物掺合料用量下铁尾矿粉ECC与传统 器(LVDT)以记录监测区长度的变化，最终长度变化
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 比，铁尾矿的综合利用率以及经济价值均较低． 与此 同时，由于基础设施建设规模的扩展，我国部分地区已 经突显出粉煤灰短缺的局面． 因此，基于铁尾矿综合 利用以及为 ECC 的本地化提供更多原材料选择的目 的，本研究考虑同时采用原始铁尾矿( 铁尾矿砂) 作为 细骨料和磨细铁尾矿( 铁尾矿粉) 代替粉煤灰作为矿 物掺合料制备出高掺量铁尾矿 ECC． 采用铁尾矿粉作为矿物掺合料遵循了 ECC 的微观 力学理论原理． 根据 ECC 的微观力学设计准则，实现多 缝开裂以及应变硬化需要限制基体的断裂韧度． 前 人［3］研究工作表明采用粉煤灰代替水泥可有效降低基 体的断裂韧度，增强 ECC 的延性． 这主要是由于粉煤灰 的化学活性明显低于水泥，采用粉煤灰替代部分水泥之 后，水化产物数量减少，从而降低了基体断裂韧度． 铁 尾矿由结晶良好的矿物组成，室温下在水泥基材料中呈 惰性． 铁尾矿经机械力化学活化制成细粉之后，表现出 一定的反应活性，但其反应活性依旧低于粉煤灰或水 泥． 因而，可以初步预测铁尾矿粉能够发挥降低 ECC 基 体断裂韧度的作用． 以此为理论依据，本文探索了采用 磨细铁尾矿( 铁尾矿粉) 代替粉煤灰作为 ECC 中的矿物 掺合料的可行性，主要研究了铁尾矿粉掺量对 ECC 拉 伸特性和抗压强度的影响，并比较研究了铁尾矿粉 ECC 和传统粉煤灰 ECC 的宏观力学性能． 1 实验 1. 1 原材料和配比设计 实验原料包括水泥( C) 、粉煤灰( FA) 、铁尾矿、聚 乙烯醇( poly-vinyl alcohol，PVA) 纤维、聚羧酸减水剂 和自来水． 水泥为 ASTM Type I 波特兰水泥; 粉煤灰为 ASTM Class F 粉煤灰，细度为 45 μm 筛余 16. 85% ，需 水量 97% ，密 度 为 2. 45 g·cm － 3，28 d 强度 活 性 指 数 92% ; 铁尾矿中 SiO2 的质量分数达 69. 5% ，主要矿物 为石英，属于高硅鞍山型铁尾矿［4］． 水泥、粉煤灰以及 铁尾矿的化学组成如表 1 所示． 表 1 水泥、粉煤灰以及铁尾矿的成分( 质量分数) Table 1 Composition of cement，fly ash and iron ore tailings % 原料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO K2O Na2O 烧失量 水泥 65. 34 19. 59 4. 49 2. 73 — 4. 13 0. 38 0. 43 2. 64 粉煤灰 14. 04 44. 00 23. 21 8. 39 1. 46 — — 0. 99 0. 56 铁尾矿 4. 14 69. 52 7. 44 8. 23 0. 03 3. 72 1. 97 1. 40 2. 51 根据前期研究结果［2］，采用原始的铁尾矿( 称为 铁尾矿砂) 作为 ECC 中的细骨料． 该铁尾矿砂的平均 粒径为 140 μm，最大粒径为 300 μm． 将同种铁尾矿砂 进行粉磨以制备铁尾矿粉． 铁尾矿粉被用作 ECC 中矿 物掺合料，其比表面积为 750 m2 ·kg － 1，特征粒径 D50为 5 μm，D90为 35 μm［4］． 根据 ASTM C311［5］标准，测试铁 尾矿粉的强度活性指数，结果显示该铁尾矿粉的 28 d 强度活性指数为 82% ． 采用日本 kurary 公司生产的聚乙烯醇纤维作为增 强材料，该纤维被广泛使用于 ECC 的研究当中． 聚乙 烯醇纤维直径 39 μm，长度 12 mm，弹性模量 42. 8 GPa， 拉伸强度 1620 MPa，延伸率 6. 0% ，纤维表面涂覆了与 纤维质量比为 1. 2% 的油涂层． ECC 的配比设计如表 2 所示． 其中，配比 E1 ～ E4 以铁尾矿粉为矿物掺合料制备出铁尾矿粉 ECC． 固定 砂胶质量比为 0. 36、水胶质量比为 0. 26，改变铁尾矿 粉的掺量，使得铁尾矿粉与水泥质量比( 为叙述方便， 采用 IP /C 表示) 分别为 0. 6、1. 2、2. 2 和 4. 4． 当 IP /C 为 0. 6、1. 2、2. 2 和 4. 4 时，铁尾矿粉 ECC 中对应铁尾 矿( 铁尾 矿 砂 + 铁 尾 矿 粉) 的 总 用 量 分 别 为 996. 0、 1159. 8、1335. 3 和 1492. 9 kg·m － 3，分别占固体基体原 材料总质量的 54. 0% 、66. 6% 、77. 0% 和 86. 4% ． 为了 对比在不同矿物掺合料用量下铁尾矿粉 ECC 与传统 粉煤灰 ECC 的宏观力学性能，在配比 E2 ～ E4 的基础 上采用粉煤灰作为矿物掺合料，设计了配比 F1 ～ F3． 对于每个配比，聚乙烯醇纤维的体积掺量固定为 2% ． 前人的研究结果显示［6］，新拌 ECC 基体料浆的黏度应 控制在合理范围才能获得良好的纤维分散均匀性． 若 以马氏锥流动时间来间接表示料浆黏度，应将马氏锥 流动时间控制在( 30 ± 5) s． 实验中，通过调整减水剂 掺量( 减水剂占粉体材料的质量百分比) 将各配比基 体料浆的马氏锥流动时间都控制为( 30 ± 5) s． 1. 2 试件制备和测试 根据传统 ECC 的成型流程制备试件［7］． 对于表 2 中的每个配比，分别浇筑三个 50 × 50 × 50 mm3 立方体 试件以测试抗压强度和三个狗骨状试件以测试拉伸特 性． 狗骨状试件的几何尺寸见文献［8］． 另外，将配比 E1 ～ E4 的 基 体 料 浆 ( 不 含 纤 维) 分 别 成 型 三 个 304. 8 mm × 76. 2 mm × 31. 8 mm 梁试件以测试基体断 裂韧度． 试件在成型 24 h 之后拆模，接着用湿布包裹 并置于塑料袋中，在实验室环境下( ( 23 ± 3) ℃ ) 进行 养护，养护龄期为 28 d． 采用单轴拉伸试验表征 ECC 的拉伸特性，加载速 率控制为 0. 5 mm·min － 1 ． 试件变形监测区的长度范围 为( 100 ± 2) mm，在试件两侧装置两套线性变形传感 器( LVDT) 以记录监测区长度的变化，最终长度变化 · 2941 ·
黄晓燕等：铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 ·1493· 表2ECC的配合比设计 Table 2 Mixture proportions of ECC 粉体材料 砂胶质 水灰质 减水剂 聚乙烯醇纤维 铁尾矿/固体 编号 水泥 铁尾矿粉 粉煤灰 量比 量比 掺量/% 体积掺量/% 原材料质量比/% 1.0 0.6 0.36 0.26 0.72 2 54.0 E2 1.0 1.2 0.36 0.26 0.80 2 66.6 E3 1.0 2.2 0.36 0.26 0.82 77.0 E4 1.0 4.4 0.36 0.26 0.92 86.4 1.0 1.2 0.36 0.26 0.52 2 26.5 2 1.0 2.2 0.36 0.26 0.46 26.5 F3 1.0 4.4 0.36 0.26 0.42 2 26.5 值取两套测试结果的平均值.拉伸测试卸载之后，按 K。为断裂韧度，P。为极限荷载，S为支撑点跨度，B为 照文献9]中所述方法，表征试件变形监测区内平均 试件高度，W为试件厚度，a为预切口深度. 残余裂缝宽度和平均裂缝间距.具体表征方法为：试 2结果与讨论 件在卸载之后，以平行于加载方向在试件表面画出等 间距的三条平行线.在分辨率为1μm的光学显微镜 2.1拉伸特性 下，测量出试件变形监测区内所有与平行线相交的裂 配比E1~E4的28d单轴拉伸应力-应变曲线如 缝的宽度，所得全部测量结果的平均值即为平均残余 图2所示.从图2可以看出，所有铁尾矿粉ECC在单 裂缝宽度.平均裂缝间距为变形监测区长度值除以变 轴拉伸荷载下都呈现出类似于金属材料的应变硬化特 形监测区内裂缝数量，裂缝数量为所画三条平行线与 性.配比E1~E4的28d极限拉伸应变的平均值如图 裂缝相交点总数量的13. 3所示.从图3可以看出，当P/C为0.6~4.4时，铁 根据标准ASTM E399@测试和计算ECC基体断 尾矿粉ECC的极限拉伸应变为1.6%~4.5%，约为普 裂韧度，基体断裂韧度测试示意图如图1所示.P为 通混凝土极限拉伸应变的160~450倍.此时，ECC中 荷载，支撑点跨度S为254mm,预切口深度a与试件 铁尾矿（铁尾矿砂+铁尾矿粉）的总用量为1159.8~ 高度B(76.2mm)比为0.4，试件厚度W为32mm.试 1492.9kgm3,占固体基体原材料总质量的66.6%~ 验中，记录试件在加载过程中的极限荷载即试件脆断 86.4%.因此，采用高掺量铁尾矿制备高延性ECC初 时的荷载值.根据式(1)计算出基体的断裂韧度. 步证明是可行的. 从图3还可以看出，ECC的极限拉伸应变随着铁 =32mm 尾矿粉掺量的增加而提高.这可能是由于随着铁尾矿 粉掺量的增加，纤维在拉伸荷载下更趋向于被拔出而 不是断裂.将配比E1、E2和E4对应的狗骨状试件完 B=76 mm 全拉伸至断裂，并在光学显微镜下观察断裂面拔出纤 维的形貌，所拍摄的图像如图4所示.实验中采用的 S=254 mm 聚乙烯醇纤维长度为12cm,因此断裂面纤维完全拔出 时的理论平均长度为3cm.从图4可以看出，拔出纤 维的长度随着铁尾矿粉掺量的增加而增加.配比E1 图1断裂韧度测试简图 断面上拔出纤维的平均长度小于1cm:配比E2为1~ Fig.I Diagram of fracture toughness test 2cm;配比E4为2~3cm.纤维在拉伸荷载下表现出 器) 被拔出而不是断裂的行为有利于ECC实现高拉伸应 (1) 变.ECC的极限拉伸应变取决于基体、纤维以及纤维/ 基体界面之间的相协同作用，铁尾矿粉ECC随着铁尾 式中， ()= 矿粉掺量的增加表现出更高的拉伸延性，其微观力学 上的本质原因需要通过单纤维拔出实验作进一步的 (台)【L925-3÷+2] 研究 2*2)() 配比E1~E4的28d初裂强度和拉伸强度的平均 值如图5所示.图5中的实验结果显示，铁尾矿粉的
黄晓燕等: 铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 表 2 ECC 的配合比设计 Table 2 Mixture proportions of ECC 编号 粉体材料 水泥 铁尾矿粉 粉煤灰 砂胶质 量比 水灰质 量比 减水剂 掺量/% 聚乙烯醇纤维 体积掺量/% 铁尾矿/固体 原材料质量比/% E1 1. 0 0. 6 — 0. 36 0. 26 0. 72 2 54. 0 E2 1. 0 1. 2 — 0. 36 0. 26 0. 80 2 66. 6 E3 1. 0 2. 2 — 0. 36 0. 26 0. 82 2 77. 0 E4 1. 0 4. 4 — 0. 36 0. 26 0. 92 2 86. 4 F1 1. 0 — 1. 2 0. 36 0. 26 0. 52 2 26. 5 F2 1. 0 — 2. 2 0. 36 0. 26 0. 46 2 26. 5 F3 1. 0 — 4. 4 0. 36 0. 26 0. 42 2 26. 5 值取两套测试结果的平均值． 拉伸测试卸载之后，按 照文献［9］中所述方法，表征试件变形监测区内平均 残余裂缝宽度和平均裂缝间距． 具体表征方法为: 试 件在卸载之后，以平行于加载方向在试件表面画出等 间距的三条平行线． 在分辨率为 1 μm 的光学显微镜 下，测量出试件变形监测区内所有与平行线相交的裂 缝的宽度，所得全部测量结果的平均值即为平均残余 裂缝宽度． 平均裂缝间距为变形监测区长度值除以变 形监测区内裂缝数量，裂缝数量为所画三条平行线与 裂缝相交点总数量的 1 /3． 根据标准 ASTM E399［10］测试和计算 ECC 基体断 裂韧度，基体断裂韧度测试示意图如图 1 所示． P 为 荷载，支撑点跨度 S 为 254 mm，预切口深度 a 与试件 高度 B( 76. 2 mm) 比为 0. 4，试件厚度 W 为 32 mm． 试 验中，记录试件在加载过程中的极限荷载即试件脆断 时的荷载值． 根据式( 1) 计算出基体的断裂韧度． 图 1 断裂韧度测试简图 Fig． 1 Diagram of fracture toughness test KQ = PQ S BW 3 2 · ( f a W ) ． ( 1) 式中， ( f a W ) = ( 3 a ) W 1 / [ 2 1. 99 － a ( W 1 － a ) ( W 2. 15 － 3. 93 a W + 2. 7 a2 W2 ) ] ( 2 1 + 2 a ) ( W 1 － a ) W 3 /2 ， KQ为断裂韧度，PQ 为极限荷载，S 为支撑点跨度，B 为 试件高度，W 为试件厚度，a 为预切口深度． 2 结果与讨论 2. 1 拉伸特性 配比 E1 ～ E4 的 28 d 单轴拉伸应力--应变曲线如 图 2 所示． 从图 2 可以看出，所有铁尾矿粉 ECC 在单 轴拉伸荷载下都呈现出类似于金属材料的应变硬化特 性． 配比 E1 ～ E4 的 28 d 极限拉伸应变的平均值如图 3 所示． 从图 3 可以看出，当 IP /C 为 0. 6 ～ 4. 4 时，铁 尾矿粉 ECC 的极限拉伸应变为 1. 6% ～ 4. 5% ，约为普 通混凝土极限拉伸应变的 160 ～ 450 倍． 此时，ECC 中 铁尾矿( 铁尾矿砂 + 铁尾矿粉) 的总用量为 1159. 8 ～ 1492. 9 kg·m － 3，占固体基体原材料总质量的 66. 6% ～ 86. 4% ． 因此，采用高掺量铁尾矿制备高延性 ECC 初 步证明是可行的． 从图 3 还可以看出，ECC 的极限拉伸应变随着铁 尾矿粉掺量的增加而提高． 这可能是由于随着铁尾矿 粉掺量的增加，纤维在拉伸荷载下更趋向于被拔出而 不是断裂． 将配比 E1、E2 和 E4 对应的狗骨状试件完 全拉伸至断裂，并在光学显微镜下观察断裂面拔出纤 维的形貌，所拍摄的图像如图 4 所示． 实验中采用的 聚乙烯醇纤维长度为 12 cm，因此断裂面纤维完全拔出 时的理论平均长度为 3 cm． 从图 4 可以看出，拔出纤 维的长度随着铁尾矿粉掺量的增加而增加． 配比 E1 断面上拔出纤维的平均长度小于 1 cm; 配比 E2 为 1 ～ 2 cm; 配比 E4 为 2 ～ 3 cm． 纤维在拉伸荷载下表现出 被拔出而不是断裂的行为有利于 ECC 实现高拉伸应 变． ECC 的极限拉伸应变取决于基体、纤维以及纤维/ 基体界面之间的相协同作用，铁尾矿粉 ECC 随着铁尾 矿粉掺量的增加表现出更高的拉伸延性，其微观力学 上的本质原因需要通过单纤维拔出实验作进一步的 研究． 配比 E1 ～ E4 的 28 d 初裂强度和拉伸强度的平均 值如图 5 所示． 图 5 中的实验结果显示，铁尾矿粉的 · 3941 ·
·1494 工程科学学报，第37卷，第11期 (a) P0.6 1P/:L2 3 4 5 3 4 应变保 应变% 4 IP/:2.2 IP/C:4.4 2 4 2 4 5 应变% 应变经 图2铁尾矿粉掺量对ECC拉伸应力-应变曲线的影响.(a)P/C=0.6:(b)P/C=1.2:(c)P/C=2.2:(d)P1C=4.4 Fig.2 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile stress strain curves of ECC:(a)IP/C=0.6:(b)IP/C=1.2;(c)IP/C=2.2;(d) P/C=4.4 制ECC基体的断裂韧度.由此可见，采用铁尾矿粉制 备ECC可有效降低基体的断裂韧度，有利于材料实现 应变硬化及高延性特性.ECC的拉伸强度是纤维桥联 应力的直接反应，而纤维桥联应力主要受纤维/基体界 面性质影响.随着铁尾矿粉掺量增加，水泥水化产物 的减少，纤维与基体界面黏结弱化，纤维桥联应力减 小，相应的拉伸强度降低 配比E1~E4对应的ECC试件经拉伸测试之后的 裂缝形成情况如图7所示.从图7可以看出，配比 0.6 12 2.2 4.4 E1~4在拉伸荷载下都产生了多条细密裂缝.随着铁 IP/C 尾矿粉掺量的增加，裂缝数量增加，裂缝间距减小且分 图3铁尾矿粉摻量对ECC极限拉伸应变的影响 布逐渐均匀.配比E1~E4的平均残余裂缝宽度和平 Fig.3 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile ductility of ECC 均裂缝间距的统计结果列入表3.从表3可知，当P/ C从0.6增加至4.4时，ECC经拉伸测试之后的残余 掺量对ECC的初裂强度和拉伸强度影响显著。当P/ 裂缝宽度从57μm下降至18μm,裂缝间距从6.5mm C从0.6增加到4.4时，初裂强度从4.7MPa下降到 下降至1.4mm,亦即裂缝的细密程度随着铁尾矿粉用 2.2MPa,拉伸强度从6.0MPa下降至3.9MPa.初裂强 量的增加而增加 度的降低主要是由于基体断裂韧度的降低所致.配比2.2抗压强度 E1~4的28d基体断裂韧度测试结果如图6所示. 铁尾矿粉掺量对ECC的28d抗压强度的影响如 从图6可以看出，基体断裂韧度随着铁尾矿粉掺量增 图8所示，图中抗压强度值为三次测量结果的平均值. 加而降低.基体断裂韧度的降低主要是由于低活性铁 从图8可以看出，ECC的抗压强度随着铁尾矿粉掺量 尾矿粉的增加使得基体中水泥水化产物减少所致.根 的增加而降低.这主要是由于铁尾矿粉的反应活性明 据ECC的微观力学设计原理，实现高拉伸延性需要限 显低于水泥.随着铁尾矿粉掺量的增加，水泥水化产
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 2 铁尾矿粉掺量对 ECC 拉伸应力--应变曲线的影响． ( a) IP /C = 0. 6; ( b) IP /C = 1. 2; ( c) IP /C = 2. 2; ( d) IP /C = 4. 4 Fig． 2 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile stress--strain curves of ECC: ( a) IP /C = 0. 6; ( b) IP /C = 1. 2; ( c) IP /C = 2. 2; ( d) IP /C = 4. 4 图 3 铁尾矿粉掺量对 ECC 极限拉伸应变的影响 Fig． 3 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile ductility of ECC 掺量对 ECC 的初裂强度和拉伸强度影响显著． 当 IP / C 从 0. 6 增加到 4. 4 时，初裂强度从 4. 7 MPa 下降到 2. 2 MPa，拉伸强度从 6. 0 MPa 下降至 3. 9 MPa． 初裂强 度的降低主要是由于基体断裂韧度的降低所致． 配比 E1 ～ E4 的 28 d 基体断裂韧度测试结果如图 6 所示． 从图 6 可以看出，基体断裂韧度随着铁尾矿粉掺量增 加而降低． 基体断裂韧度的降低主要是由于低活性铁 尾矿粉的增加使得基体中水泥水化产物减少所致． 根 据 ECC 的微观力学设计原理，实现高拉伸延性需要限 制 ECC 基体的断裂韧度． 由此可见，采用铁尾矿粉制 备 ECC 可有效降低基体的断裂韧度，有利于材料实现 应变硬化及高延性特性． ECC 的拉伸强度是纤维桥联 应力的直接反应，而纤维桥联应力主要受纤维/基体界 面性质影响． 随着铁尾矿粉掺量增加，水泥水化产物 的减少，纤维与基体界面黏结弱化，纤维桥联应力减 小，相应的拉伸强度降低． 配比 E1 ～ E4 对应的 ECC 试件经拉伸测试之后的 裂缝形成情况如图 7 所示． 从 图 7 可 以 看 出，配 比 E1 ～ E4在拉伸荷载下都产生了多条细密裂缝． 随着铁 尾矿粉掺量的增加，裂缝数量增加，裂缝间距减小且分 布逐渐均匀． 配比 E1 ～ E4 的平均残余裂缝宽度和平 均裂缝间距的统计结果列入表 3． 从表 3 可知，当 IP / C 从 0. 6 增加至 4. 4 时，ECC 经拉伸测试之后的残余 裂缝宽度从 57 μm 下降至 18 μm，裂缝间距从 6. 5 mm 下降至 1. 4 mm，亦即裂缝的细密程度随着铁尾矿粉用 量的增加而增加． 2. 2 抗压强度 铁尾矿粉掺量对 ECC 的 28 d 抗压强度的影响如 图 8 所示，图中抗压强度值为三次测量结果的平均值． 从图 8 可以看出，ECC 的抗压强度随着铁尾矿粉掺量 的增加而降低． 这主要是由于铁尾矿粉的反应活性明 显低于水泥． 随着铁尾矿粉掺量的增加，水泥水化产 · 4941 ·
黄晓燕等：铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 ·1495· 配比E2 配比E1 0.5mm 0.5 mm 配比E4 0.5mm 图4ECC试件断裂面上拔出纤维的形貌.(a)配比E1:(b)配比E2:(c)配比E4 Fig.4 Morphology of protruded fibers on the fracture plane of ECC specimens:(a)Mixture El:(b)Mixture E2:(c)Mixture E4 0.8 四拉伸强度 ☑初裂强度 0.6 0.4 0.2 0.6 1.2 2.2 44 IPIC .6 12 2.2 44 图5铁尾矿粉掺量对ECC在拉伸荷载下强度性能的影响 IP/C Fig.5 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile 图6铁尾矿粉掺量对ECC基体断裂韧度的影响 strength performance of ECC Fig.6 Influence of iron ore tailing powder content on the matrix frac- ture toughness of ECC 物减少，而水泥水化产物是强度的主要贡献者，进而使 质量的54.0%~77.0%. 得ECC的抗压强度降低.当P/C从0.6增加至4.4 2.3铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC的宏观力学性能 时，抗压强度从67.1MPa下降至21.5MPa.不同抗压 比较 强度等级的铁尾矿粉ECC可为实际需求提供多种选 粉煤灰作为矿物掺合料被广泛应用于ECC的研 择.在P/C为0.6~2.2时，铁尾矿粉ECC的抗压强 究之中，粉煤灰ECC的性能特征在高性能纤维增强水 度为36.7~67.1MPa,满足一般混凝土结构对抗压强 泥基复合材料研究领域已被广泛熟知，并且已成功应 度的要求.此时，铁尾矿的总用量（铁尾矿砂+铁尾矿 用于多项实际工程中)，因而有必要对比研究新型铁 粉)达到966.0~1335.3kgm3,占固体基体原材料总 尾矿粉ECC与传统粉煤灰ECC的性能.在矿物掺合
黄晓燕等: 铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 图 4 ECC 试件断裂面上拔出纤维的形貌． ( a) 配比 E1; ( b) 配比 E2; ( c) 配比 E4 Fig． 4 Morphology of protruded fibers on the fracture plane of ECC specimens: ( a) Mixture E1; ( b) Mixture E2; ( c) Mixture E4 图 5 铁尾矿粉掺量对 ECC 在拉伸荷载下强度性能的影响 Fig． 5 Influence of iron ore tailing powder content on the tensile strength performance of ECC 物减少，而水泥水化产物是强度的主要贡献者，进而使 得 ECC 的抗压强度降低． 当 IP /C 从 0. 6 增加至 4. 4 时，抗压强度从 67. 1 MPa 下降至 21. 5MPa． 不同抗压 强度等级的铁尾矿粉 ECC 可为实际需求提供多种选 择． 在 IP /C 为 0. 6 ～ 2. 2 时，铁尾矿粉 ECC 的抗压强 度为 36. 7 ～ 67. 1 MPa，满足一般混凝土结构对抗压强 度的要求． 此时，铁尾矿的总用量( 铁尾矿砂 + 铁尾矿 粉) 达到 966. 0 ～ 1335. 3 kg·m － 3，占固体基体原材料总 图 6 铁尾矿粉掺量对 ECC 基体断裂韧度的影响 Fig． 6 Influence of iron ore tailing powder content on the matrix fracture toughness of ECC 质量的 54. 0% ～ 77. 0% ． 2. 3 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 的宏观力学性能 比较 粉煤灰作为矿物掺合料被广泛应用于 ECC 的研 究之中，粉煤灰 ECC 的性能特征在高性能纤维增强水 泥基复合材料研究领域已被广泛熟知，并且已成功应 用于多项实际工程中［11］，因而有必要对比研究新型铁 尾矿 粉ECC与 传 统 粉 煤 灰ECC的 性 能． 在 矿 物 掺 合 · 5941 ·
·1496· 工程科学学报，第37卷，第11期 80 40 20 06 1.2 2.2 IP/C 图8铁尾矿粉掺量对ECC抗压强度的影响 Fig.8 Influence of iron ore tailing powder content on the compres- sive strength of ECC 口拉伸强度，粉煤灰 恩拉伸强度.铁民可粉 图初裂强度.粉煤灰 口初裂强度.铁尾可粉 图7ECC试件经拉伸测试之后的裂缝模式.(a)配比E1:(b) 1.2 2.2 4.4 配比E2:(c)配比3：(d)配比E4 MA/C Fig.7 Crack patterns of ECC specimens after tension testing:(a) 图9铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC在拉伸荷载下的强度性能 Mixture El:(b)Mixture E2;(c)Mixture E4;(d)Mixture E4 比较 Fig.9 Comparison of strength under tension load between IP-ECC 表3ECC试件经拉伸测试后的裂缝特征 and FA-ECC Table 3 Characteristics of cracks in ECC specimens after tension testing 编号 平均残余裂缝宽度/μm 平均裂缝间距/mm 1.1节所述，铁尾矿粉的强度活性指数为82%，而粉煤 El ~57 ~6.5 灰的强度活性指数为92%.铁尾矿粉活性低，使得基 E2 ~43 w2.9 体以及纤维/基体界面过渡区生成的发挥强度贡献的 E3 -30 w1.7 水化产物数量更少，相应地降低了材料的初裂强度和 E4 -18 1.4 拉伸强度.铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC的拉伸延性 测试结果如图10所示.从图10可以看出，在各MA/C 料与水泥质量比为1.2、2.2和4.4的条件下，分别采 水平下，铁尾矿粉ECC的极限拉伸应变均高于粉煤灰 用铁尾矿粉（配比E2~E4)和粉煤灰（配比F1~F3) ECC.MA/C分别为1.2、2.2和4.4时，铁尾矿粉ECC 作为矿物掺合料制备ECC.为叙述方便，将铁尾矿粉 的极限拉伸应变分别为3.4%、4.3%和4.5%，粉煤灰 和粉煤灰两种矿物掺合料与水泥质量比均表示为 ECC的极限拉伸应变分别为1.8%、2.9%和4.1%，铁 MA/C.铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC在拉伸荷载下的 尾矿粉ECC的极限拉伸应变比粉煤灰ECC分别高出 28d强度性能如图9所示.从图9可以看出，在各 47%、33%和9%.从以上讨论可以看出，在同等矿物 MA/C水平下，铁尾矿粉ECC的初裂强度和拉伸强度 掺合料用量下，铁尾矿粉ECC的极限拉伸应变能力优 均低于粉煤灰ECC.这主要是由于铁尾矿粉在水泥体 于粉煤灰ECC,但粉煤灰ECC在拉伸荷载下的强度性 系中发生二次水化反应的活性较粉煤灰弱.如本文 能优于铁尾矿粉ECC
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 7 ECC 试件经拉伸测试之后的裂缝模式． ( a) 配比 E1; ( b) 配比 E2; ( c) 配比 E3; ( d) 配比 E4 Fig． 7 Crack patterns of ECC specimens after tension testing: ( a) Mixture E1; ( b) Mixture E2; ( c) Mixture E4; ( d) Mixture E4 表 3 ECC 试件经拉伸测试后的裂缝特征 Table 3 Characteristics of cracks in ECC specimens after tension testing 编号 平均残余裂缝宽度/μm 平均裂缝间距/mm E1 ～ 57 ～ 6. 5 E2 ～ 43 ～ 2. 9 E3 ～ 30 ～ 1. 7 E4 ～ 18 ～ 1. 4 料与水泥质量比为 1. 2、2. 2 和 4. 4 的条件下，分别采 用铁尾矿粉( 配比 E2 ～ E4) 和粉煤灰( 配比 F1 ～ F3) 作为矿物掺合料制备 ECC． 为叙述方便，将铁尾矿粉 和粉煤灰两种矿物掺合料与水泥质量比均表示为 MA /C． 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 在拉伸荷载下的 28 d 强度性能如图 9 所 示． 从 图 9 可 以 看 出，在 各 MA /C 水平下，铁尾矿粉 ECC 的初裂强度和拉伸强度 均低于粉煤灰 ECC． 这主要是由于铁尾矿粉在水泥体 系中发生二次水化反应的活性较粉煤灰弱． 如本文 图 8 铁尾矿粉掺量对 ECC 抗压强度的影响 Fig． 8 Influence of iron ore tailing powder content on the compressive strength of ECC 图 9 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 在拉伸荷载下的强度性能 比较 Fig． 9 Comparison of strength under tension load between IP-ECC and FA-ECC 1. 1 节所述，铁尾矿粉的强度活性指数为 82% ，而粉煤 灰的强度活性指数为 92% ． 铁尾矿粉活性低，使得基 体以及纤维/基体界面过渡区生成的发挥强度贡献的 水化产物数量更少，相应地降低了材料的初裂强度和 拉伸强度． 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 的拉伸延性 测试结果如图 10 所示． 从图 10 可以看出，在各 MA /C 水平下，铁尾矿粉 ECC 的极限拉伸应变均高于粉煤灰 ECC． MA /C 分别为 1. 2、2. 2 和 4. 4 时，铁尾矿粉 ECC 的极限拉伸应变分别为 3. 4% 、4. 3% 和 4. 5% ，粉煤灰 ECC 的极限拉伸应变分别为 1. 8% 、2. 9% 和 4. 1% ，铁 尾矿粉 ECC 的极限拉伸应变比粉煤灰 ECC 分别高出 47% 、33% 和 9% ． 从以上讨论可以看出，在同等矿物 掺合料用量下，铁尾矿粉 ECC 的极限拉伸应变能力优 于粉煤灰 ECC，但粉煤灰 ECC 在拉伸荷载下的强度性 能优于铁尾矿粉 ECC． · 6941 ·
黄晓燕等：铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 ·1497· 3.3~4.0MPa,拉伸强度为5.6~5.8MPa,铁尾矿（铁尾 四粉煤灰 口铁尾矿粉 矿砂+铁尾矿粉)的总用量达到1159.8~1335.3kgm3, 占固体基体原材料总质量的66.6%~77.0%，高掺量 铁尾矿制备ECC的可行性得到初步证实. (2)铁尾矿粉的引入能够有效降低ECC的基体 断裂韧度，有利于促进ECC的多缝开裂过程，提高 ECC的拉伸延性，但牺牲了ECC的部分强度性能. (3)与传统粉煤灰ECC相比，在同等矿物掺合料 用量下，铁尾矿粉ECC的拉伸强度和抗压强度均较 低，但表现出更强的拉伸延性 12 22 4.4 (4)高掺量铁尾矿的成功研制一方面为铁尾矿的 MA/C 综合利用提供了新的思路，另一方面为ECC的原材料 图10铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC的拉伸延性比较 Fig.10 Comparison of tensile ductility between IP-ECC and FA- 选择开辟了新的途径，特别是对于粉煤灰资源相对缺 ECC 乏而铁尾矿资源相对丰富的地区，有利于ECC的本地 化推广应用. 铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC的28d抗压强度测 试结果如图11所示.从图11可以看出，在各MA/C 参考文献 水平下，铁尾矿粉ECC的抗压强度均低于粉煤灰 Liu YG,Wang X L.Development of comprehensive utilization of ECC.在MA/C分别为1.2、2.2和4.4时，铁尾矿粉 iron tailings as resource.Mod Min,2010(2):28 ECC对应的抗压强度分别为54.2MPa、36.7MPa和 (刘永光，王晓雷.铁尾矿资源化综合利用的发展.现代矿 21.5MPa,粉煤灰ECC对应的抗压强度分别为 业，2010(2)：28) 60.6MPa、48.0MPa和27.9MPa,铁尾矿粉ECC的抗 令 Huang X Y,Ranade R,Ni W,et al.Development of green engi- 压强度比粉煤灰ECC分别下降17%、23%和24%，平 neered cementitious composites using iron ore tailings as aggre- gates.Constr Build Mater,2013,44:757 均降幅约21%.抗压强度降低的原因与初裂强度类 B]Wang S X,Li V C.Engineered cementitious composites with 似，是由于体系中水泥水化产物的减少所致 high-volume fly ash.ACI Mater J,2007,104(3):233 4]Huang X.Ranade R,Li V C.Feasibility study of developinggreen 四粉煤灰 ECC using iron ore tailings powder as cement replacement.J (60 口铁尾矿粉 Mater Cir Eng,2012,25 (7):923 [5] ASTM C311-1b Standard Test Method for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete 40 West Conshohocken,PA:American Society for Testing and Materi- als,2011 [6]Li M.Li V C.Rheology,fiber dispersion,and robust properties of engineered cementitious composites.Mater Struct,2013,46 (3):405 7]Yang E H,Yang Y Z,Li V C.Use of high volumes of fly ash to improve ECC mechanical properties and material greenness.ACI Mater J,2007,104(6):620 44 MA/C [8]Ranade R,Stults M D.Li V C,et al.Development of high 图11铁尾矿粉ECC和粉煤灰ECC的抗压强度比较 strength high ductility concrete//Proceedings of 2nd International Fig.11 Comparison of compressive strength between IP-ECC and RILEM Conference on Strain Hardening Cementitious Composites FA-ECC (SHCC2).Rio de Janeiro,2011:1 ]Huang X Y,Ranade R,Ni W,et al.On the use of recycled tire 3结论 rubber to develop low E-modulus ECC for durable concrete re- pairs.Constr Build Mater,2013,46:134 (1)采用铁尾矿粉作为单一矿物掺合料能够制备 [10]ASTM E399-09 Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain 出高延性ECC.在所研制的ECC中，当铁尾矿粉与水 Fracture Toughness Kic of Metallic Materials.West Conshohocken, 泥质量比为1.2~2.2时，ECC的抗压强度为36.7~ PA:American Society for Testing and Materials,2009 01] Kunieda M,Rokugo K.Recent progress on HPFRCC in Japan 54.2MPa,满足一般混凝土结构对抗压强度的要求. required performance and applications:required performance and 此时，极限拉伸应变为3.4%4.3%，初裂强度为 applications.J Ade Coner Technol,2006,4(1)19
黄晓燕等: 铁尾矿粉制备高延性纤维增强水泥基复合材料 图 10 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 的拉伸延性比较 Fig． 10 Comparison of tensile ductility between IP-ECC and FAECC 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 的 28 d 抗压强度测 试结果如图 11 所示． 从图 11 可以看出，在各 MA /C 水平下，铁 尾 矿 粉 ECC 的 抗 压 强 度 均 低 于 粉 煤 灰 ECC． 在 MA /C 分别为 1. 2、2. 2 和 4. 4 时，铁尾矿粉 ECC 对应的抗压强度分别为 54. 2 MPa、36. 7 MPa 和 21. 5 MPa，粉 煤 灰 ECC 对 应 的 抗 压 强 度 分 别 为 60. 6 MPa、48. 0 MPa 和 27. 9 MPa，铁尾矿粉 ECC 的抗 压强度比粉煤灰 ECC 分别下降 17% 、23% 和 24% ，平 均降幅约 21% ． 抗压强度降低的原因与初裂强度类 似，是由于体系中水泥水化产物的减少所致． 图 11 铁尾矿粉 ECC 和粉煤灰 ECC 的抗压强度比较 Fig． 11 Comparison of compressive strength between IP-ECC and FA-ECC 3 结论 ( 1) 采用铁尾矿粉作为单一矿物掺合料能够制备 出高延性 ECC． 在所研制的 ECC 中，当铁尾矿粉与水 泥质量比为 1. 2 ～ 2. 2 时，ECC 的抗压强度为 36. 7 ～ 54. 2 MPa，满足一般混凝土结构对抗压强度的要求． 此时，极 限 拉 伸 应 变 为 3. 4% ～ 4. 3% ，初 裂 强 度 为 3. 3 ～ 4. 0 MPa，拉伸强度为 5. 6 ～ 5. 8 MPa，铁尾矿( 铁尾 矿砂 + 铁尾矿粉) 的总用量达到 1159. 8 ～ 1335. 3 kg·m－ 3， 占固体基体原材料总质量的 66. 6% ～ 77. 0% ，高掺量 铁尾矿制备 ECC 的可行性得到初步证实． ( 2) 铁尾矿粉的引入能够有效降低 ECC 的基体 断裂韧度，有 利 于 促 进 ECC 的多缝开裂过程，提 高 ECC 的拉伸延性，但牺牲了 ECC 的部分强度性能． ( 3) 与传统粉煤灰 ECC 相比，在同等矿物掺合料 用量下，铁尾矿粉 ECC 的拉伸强度和抗压强度均较 低，但表现出更强的拉伸延性． ( 4) 高掺量铁尾矿的成功研制一方面为铁尾矿的 综合利用提供了新的思路，另一方面为 ECC 的原材料 选择开辟了新的途径，特别是对于粉煤灰资源相对缺 乏而铁尾矿资源相对丰富的地区，有利于 ECC 的本地 化推广应用． 参 考 文 献 ［1］ Liu Y G，Wang X L． Development of comprehensive utilization of iron tailings as resource． Mod Min，2010( 2) : 28 ( 刘永光，王晓雷． 铁尾矿资源化综合利用的发展． 现代矿 业，2010( 2) : 28) ［2］ Huang X Y，Ｒanade Ｒ，Ni W，et al． Development of green engineered cementitious composites using iron ore tailings as aggregates． Constr Build Mater，2013，44: 757 ［3］ Wang S X，Li V C． Engineered cementitious composites with high-volume fly ash． ACI Mater J，2007，104( 3) : 233 ［4］ Huang X，Ｒanade Ｒ，Li V C． Feasibility study of developinggreen ECC using iron ore tailings powder as cement replacement． J Mater Civ Eng，2012，25( 7) : 923 ［5］ ASTM C311-11b Standard Test Method for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete． West Conshohocken，PA: American Society for Testing and Materials，2011 ［6］ Li M，Li V C． Ｒheology，fiber dispersion，and robust properties of engineered cementitious composites． Mater Struct，2013，46 ( 3) : 405 ［7］ Yang E H，Yang Y Z，Li V C． Use of high volumes of fly ash to improve ECC mechanical properties and material greenness． ACI Mater J，2007，104( 6) : 620 ［8］ Ｒanade Ｒ，Stults M D，Li V C，et al． Development of high strength high ductility concrete / / Proceedings of 2nd International ＲILEM Conference on Strain Hardening Cementitious Composites ( SHCC2) ． Ｒio de Janeiro，2011: 1 ［9］ Huang X Y，Ｒanade Ｒ，Ni W，et al． On the use of recycled tire rubber to develop low E-modulus ECC for durable concrete repairs． Constr Build Mater，2013，46: 134 ［10］ ASTM E399-09 Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials． West Conshohocken， PA: American Society for Testing and Materials，2009 ［11］ Kunieda M，Ｒokugo K． Ｒecent progress on HPFＲCC in Japan required performance and applications: required performance and applications． J Adv Concr Technol，2006，4( 1) : 19 · 7941 ·
