关键词：
钢纤维
地聚物混凝土
力学性能
微观结构
增韧机理
摘要：
混凝土作为建筑行业最重要的一种结构材料,长期以来都是以普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement,OPC）作为主要的胶凝材料,但是水泥“两磨一烧”的制备过程存在极大的碳排放和能源消耗问题,并附带出大量的固体废弃物,造成严重的环境污染。显然用OPC制备混凝土已不再符合“可持续发展”要求,因此,研发一种既能具备水泥强度性能又能节能环保的新型绿色材料已是当前的燃眉之急。地聚物混凝土（Geopolymer Concrete,GPC）是一种以煤矸石、粉煤灰等工业固体废弃物替代水泥作为胶凝材料制备的新型环保建筑材料,其生产过程较OPC排放的CO2大幅度减少,且使得工业固体废弃物循环再利用,同时兼备高强度、耐火性等优点,有较好的发展前景与应用价值。但是GPC同OPC一样具有抗弯拉强度低、脆性大、抗裂性差等缺点,这严重限制了GPC在建筑行业结构工程中的推广与应用。
因此,本文以煤矸石、粉煤灰、矿渣作为原材料制备混掺型煤矸石地聚物混凝土（Mixed Coal gangue Geopolymer Concrete,MCGC）,并在此基础上选用不同属性的钢纤维,开展钢纤维地聚物混凝土（Steel Fiber reinforced Mixed Coal gangue Geopolymer Concrete,SFMCGC）力学性能的试验研究,并运用SEM和显微硬度测试手段进行微观结构分析,探求钢纤维对MCGC的增韧机理。本文开展的主要工作内容和取得的结论如下:
（1）进行地聚物混凝土的配合比优化设计,确定模数1.2、NaOH浓度12mol/L、水玻璃掺量20%以及水胶比0.41、骨胶比3.5、砂率38%为MCGC最优基准配合比,为后续纤维改性试验提供了依据。
（2）研究钢纤维的种类和掺量（Steel Fiber,SF）对MCGC力学性能的影响,对不同种类（镀铜微丝DT、端钩型DG、波浪型BL）和掺量（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%）的SFMCGC进行7d、28d龄期下的立方体抗压、劈裂抗拉和抗折强度试验。研究表明,MCGC-DT和MCGC-DG在掺量2.5%获得最佳抗压、抗拉强度,在2%时抗折强度达到峰值,MCGC-BL在掺量1.5%获得最佳力学强度,各SFMCGC力学强度均远高于C30混凝土强度。基于以上试验结果揭示了钢纤维掺量与强度之间的理论关系,MCGC-DT和MCGC-DG的纤维掺量与抗压、抗拉、抗折强度之间具有很好的线性和幂函数关系,回归曲线拟合度均大于0.9。此外,计算并对比了各试验组拉压比,发现MCGC-DT、MCGC-DG、MCGC-BL分别在2.5%、2.5%、1.5%掺量时获得最大拉压比,韧性提升效果最佳。
（3）研究钢纤维（SF）长度（13mm、16mm、18mm、20mm）、直径（0.2mm、0.3mm、0.4mm）、表面粗糙度（未处理、砂纸粒度120、砂纸粒度400、砂纸粒度800）对MCGC力学强度的影响。基于以上试验结果,固定最优掺量为2.5%。研究长度对SFMCGC性能影响时,固定DT直径为0.3mm,在DT长度为20mm时能获得最佳抗压和抗折强度,在18mm时存在峰值强度,能够获得相对最佳抗拉强度和最大拉压比,SFMCGC的延展性最优;研究直径对SFMCGC性能影响时,DT长度固定为13mm,在直径为0.2mm时SFMCGC能获得相对最优力学强度和拉压比;研究表面粗糙度对SFMCGC性能的影响时,利用微观手段发现经过粒度为800的砂纸处理后的钢纤维表面最光滑,当固定DT直径为0.3mm、长度为13mm时,得出结论DT-800试验组抗压强度最佳,钢纤维表面最粗糙的DT-120试验组抗拉、折强度出现峰值且提升效果明显,拉压比最高。
（4）借助扫描电子显微镜（SEM）和显微硬度测试分析SFMCGC微观形貌并结合破坏形态进行钢纤维增韧机理分析。随着养护时长的增加,水化产物增多,C-A-S-H和N-A-S-H同时存在基体中,凝胶硬化成型结构更加致密,与骨料粘结良好并发挥协同作用使宏观力学性能有很大提升。发现DT和DG与周围基体粘结较为紧密,纤维壁身附着较多凝胶颗粒,微观形貌更加均匀紧密。DG末端钩型和BL曲形表面在拉拔过程中被拉直拔出,增加了表面的摩擦力以此消耗试件内部应力,提升了SFMCGC抗拉拔能力,并且纤维纵横分布发挥“桥接”效应,阻断微裂缝的产生和长裂缝的发展,保证了试件的整体性。长度和直径不同的钢纤维掺入试件后会不同程度地引入气泡,影响试件孔隙率和密实程度,但是长度较大的纤维能够更大概率阻止裂缝尖端的应力集中。表面粗糙度影响钢纤维与基体之间相互约束的剪应力,表面粗糙的钢纤维在拔出过程中能消耗更多内部集中荷载,对试件的抗拉、抗折强度提升显著,而表面光滑的钢纤维在拔出过程中对周围基
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