利用排矸石配制钢纤维高强混凝土的试验研究

第 !" 卷 第 " 期 #$$% 年 !# 月
中国地质灾害与防治学报 &’( )’*+(,( -./0+12 .3 4(.2.5*612 718109 1+9 ).+:0.2
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利用排矸石配制钢纤维高强混凝土的试验研究
张向东，辛 爽，周 梅
!#%$$$） （辽宁工程技术大学 土木建筑工程学院，辽宁 阜新
摘要：大巴沟隧道排矸将对环境造成污染。同时，阜新地区石料相对缺乏，再生利用隧道排矸石和开发新的石料供 应基地具有十分重要的现实意义。论文对大巴沟隧道排矸石的物理力学性质进行了试验研究，获得了排矸石的物 理力学性能指标。为了进一步研究其力学性质，将其粉碎后，作为粗骨料配制成钢纤维混凝土，并测定其抗压强度 和劈裂抗拉强度等指标。利用均匀设计方法对试验结果进行优化，得到了回归方程，具有重要的科学价值。同时得 到在此试验条件下，排矸石钢纤维混凝土的抗压强度值可达到 ?%@A?% BC1，抗拉强度可达到 D@%E? BC1。试验和理 论分析结果表明，排矸石钢纤维混凝土具有抗拉强度大、抗变形能力强等特点。可广泛应用于建筑工程、桥梁工 程、路基路面工程、港口和海洋工程中。具有广泛的推广应用前景和显著的社会效益、经济效益与环境效益。 关键词：排矸石；钢纤维；高强度混凝土；均匀设计；试验；广泛应用前景 文章编号：!$$%F?$%G（#$$%）$"F$$D"F$" 中图分类号：&HG$# 文献标识码：I
抗压强度 劈裂抗拉强 压拉比 坍落度 （ （$$） !（ " & ’()） 度 ! * ’()） ! & # ! * 01.11 1,./0 03.4% 02.2/ 1%.2+ 04.,3 1+.43 13.+/ 03.,2 1%.+3 1/.-% 1%.,31./2 1.-0 /.%% 0.42 1.04 0.00 1.40.,0 /.+% 0.,0 1.2+ /./1 1.03 3./1 2.32 /.2/ +-.%1 2.+/ ++.-2 /.01 ++.-4 2.43 +-.+% 2.4, /.12 2.32 2./0 +3 %13 03 %3 +4,33 ++32 ,3 +3++3
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水泥用量 序号 水胶比 砂率 （!"#$% ） + 4 % , 3 0 1 / 2 +++ +4 +% ,-,-/ ,+0 ,4, ,%4 ,,,,/ ,30 ,0, ,1% ,/4 ,2+ 3--., -.,/
9 均匀设计法及其在排矸石钢纤维混 凝土中的应用
我国著名的数理统计专家方开泰与数论专家王 元于 5442 年将数论理论成功地应用于试验设计问题 中，创立了一种全新的试验设计方法—均匀设计试 验法。该方法的思路是去掉“整齐可比”的要求， 通过提高试验点“均匀分散”的程度，使试验点具 有更好的代表性，使得能用较少的试验获得较多的 信息。近几年来，均匀设计方法已广泛应用于国内 的军工、化工、医药、材料工业等领域，并取得显 著的成效。 均匀设计和正交设计相似。也是精心构造一套 试验 表，利 用 试 验 表 来 安 排 试 验。本 次 试 验 使 用
! （5’9 ）及其使用表。试验结果如表 ’ 所示。 =5’
由试验结果可以看出，利用大巴沟隧道排矸石， 通过加入高效减水剂和硅灰，可以配制高强钢纤维 混凝土和其他类型的混凝土，变废为宝。
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中国地质灾害与防治学报 ;<=>??@= AB;<B;CB<CB D@ EC>?;<B F@GHC= 排矸石钢纤维高强混凝土试验方案及其结果 "&’ ’()’*+,’-. /0&’,’ #-1 *’/23./ 45 &+6& /.*’-6.&
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原材料的选择
骨料
%@!@! 粗骨料 将大巴沟隧道排矸石粉碎后作为钢纤维混凝土 的粗骨料，其粒径不宜大于钢纤维长度的 #K%，一般 为 G L #$ JJ。如果石料粒径过大，会削弱钢纤维的
收稿日期：#$$%F$!F#A；修回日期：#$$%F$"F$E 基金项目：辽宁省教育厅科研项目资助（#$$?#!#G） 作者简介：张向东（!DA#—） ，男，东北大学资源与土木工 程学院博士，辽宁工程技术大学教授、博士生导 师。辽宁工程技术大学土木建筑工程学院副院 长、岩土工程研究所所长 <
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前言
阜新地区位于辽宁省西部，有其特殊的地理环
推广应用前景。
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排矸石的物理力学性质指标
现场取样和室内检测的结果表明：大巴沟隧道
境和资源条件。由辽宁省交通厅投资修建的大巴沟 隧道于 #$$$ 年 G 月正式开工。该隧道全长 A!?@" J， 掘进排矸量约 #@" 万 J ，将占用大量的耕地，并对
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排矸石主要为花岗岩。其质量系数较大、物理力学 性能较好，化学性能稳定，且粒形方整，针片状颗 粒少，无碱活性。通过室内单轴压缩试验、劈裂法 试验、三轴剪切试验等测得其主要物理力学性质指 标如表 ! 所示。 本试验研究是将其排矸石粉碎后作为钢纤维混 凝土的粗骨料，并采用均匀设计方法，来配制高强 钢纤维混凝土。通过试验和检测发现，大巴沟隧道 排矸石可以作为建筑材料，变“废”为宝。
生态环境造成污染。阜新地区由于受内蒙古沙漠气 候的影响，石料相对缺乏。随着高速公路、城市道 路、工业与民用建筑等项目的大量建设，使已经捉 襟见肘的石料供给更趋紧张。因此，利用隧道排矸 石和开发新的石料供应基地具有十分重要的现实意 义。 混凝土是当代应用最广泛的建筑材料。它具有 易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材 结合可制成各种承重结构等优点。因普通混凝土的 自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的扩 大应用。多年来，人们一直致力于使混凝土向轻质、 高强、改变脆性等方向发展，并致力于开发和改进 预应力结构、组合结构和其他新型结构以扩大其使 用范围。采用纤维增强混凝土是混凝土改性的一个 重要手段。它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、 耐动荷能力大大提高。近 #$ 多 1 来，纤维混凝土发 展很快，特别是钢纤维混凝土，在建筑、交通、水 利、矿山、冶金、军事、耐火材料等方面都在研究 与应用。本文利用大巴沟隧道排矸石，按均匀设计 万方数据 法，成功地配制了高强钢纤维混凝土，具有广阔的
表9 "#$% 9
筛孔尺寸（&&） 分计筛余（ " ） 累计筛余（ " ） !/ 7 51 !10512 !10512
粗骨料级配
细，易被拌和物弯折；太粗则在同体积的含量时增 强效果变差。因此，本试验选用的钢纤维直径选为
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根据表 % 的试验结果，采用通行的均匀设计软 件，分别对排矸石钢纤维混凝土的抗压强度和劈裂 抗拉强度进行多项式逐步回归分析，得到回归方程 如下： !# 5 +,2.1-4 6 4.,12 $ + 7 441/.,4 $ % 7 %.431 $ + $ 4
4--% 年
工程造价等优点。 排矸石钢纤维混凝土还可用于道路路面、桥面、 机场跑道等的铺设、覆盖层加固和修补。由于其具 有良好的抗裂性、抗弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳 性等特点，可使面层厚度减薄，伸缩缝间距加长， 路面和机场跑道的耐磨性增强，维修费用降低。 排矸石钢纤维混凝土还可用于地下工程的支护， 与锚杆配合使用，不需钢拱架，简化了施工，缩短 了施工工期，且支护厚度减小，降低了工程成本。 排矸石钢纤维混凝土具有裂后变形性能好的特 点。特别适用于抗震、抗爆结构和普通结构中的复 杂受力区段。采用钢纤维混凝土加强的钢筋混凝土 框架，其刚度可 提 高 4 8 % 倍，承 载 能 力 可 提 高 4 倍，具有良好的抗震性能。钢纤维混凝土用于防爆 结构，不仅抗冲击能力强，而且具有抗破碎、抗震 塌能力。 除此之外，排矸石钢纤维混凝土还可用于轨枕、 水工结构、港口和海洋工程等。将变“废”为宝， 具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。
大巴沟排矸石物理力学性质指标
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自然含水状态下 吸水饱和状态下 凝聚力 内摩擦角 软化系数 抗压强度 " # （)*+） 抗压强度 " , （)*+） # （)*+） "（-） $ . "% $ "& 4!0! 4/03 56 !5 /0431 压碎指标 ’（ " ） 60!’