鐵尾礦砂超高性能混凝土的凍融循環耐久性分析

史 波 何 旺

(1.江蘇城鄉建設職業學院建筑藝術學院,江蘇 常州 213147;2.東南大學土木工程學院,江蘇 南京 210096)

超高性能混凝土(UHPC)具有強度高、韌性好、耐久性良好的特點,廣泛應用于橋梁、道路等建筑工程領域[1-2]。典型的UHPC 成分主要包括水泥、硅灰、纖維、石英砂、塑化劑和引氣劑等,其中鋼纖維的摻入可有效提高基體中抑制裂紋裂縫的擴展能力,并能提高基體的抗拉強度和韌性等[3-6],雖然通過添加引氣劑可以很容易地提高混凝土制品的抗凍融性能,但這些化學試劑會顯著降低混凝土的抗壓強度[7]。我國北方冬季氣候寒冷,混凝土建筑物和構筑物常常經歷凍融循環作用,通常來說UHPC 中的干骨料或半干骨料不容易受到破壞性凍融效應的影響,由于其孔隙率低于2%,所以水泥基質對混凝土的抗凍融性能影響最大[8]。低吸水率和封閉性較好的孔隙率增加了混凝土的抗凍融性[9-10],但循環凍融具有累積效應,導致水泥基體微裂紋[11-12],微裂紋的形成很難觀察到,而可見裂紋可能對結構的強度和可靠性有著更為關鍵的影響。據報道,由于UHPC 具有優異的應變硬化和軟化性能,特別是在沖擊和爆炸載荷下,它具有很高的抗拉強度和能量吸收能力[13]。UHPC 在直接拉伸中的典型應力—應變關系可分為3 個階段:線彈性階段、應變硬化階段和應變軟化階段[14]。但是UHPC 在加速凍融循環條件下的拉伸性能還沒有被完全表征。

目前,鐵尾礦作為我國工業固體廢棄物的代表,其大量堆積不僅浪費土地資源,還污染地下水和周圍土壤,因此部分學者為提高鐵尾礦的利用率,將鐵尾礦研磨成鐵尾礦砂,做為細骨料替代河沙,制備鐵尾礦砂混凝土,既消耗了大量鐵尾礦,降低了成本,又便于環境保護。例如,程和平等[15]采用高硅型鐵尾礦砂制備改良混凝土,并對其抗壓強度、滲水性能、凍融特性以及耐腐蝕性進行研究;張信龍等[16]針對鐵尾礦砂混凝土在寒冷地區的應用,通過凍融—酸雨侵蝕試驗,研究該類樣品在凍融—酸雨耦合條件下的耐久性,分析不同取代率下鐵尾礦砂混凝土的質量損失率、動彈性模量、立方體抗壓強度以及碳化深度的變化規律。

綜上所述,本項目用鐵尾礦砂替代細骨料制成了鐵尾礦砂超高性能混凝土,從鹽結晶析出量、質量損失率和動彈性模量3 個方面,研究了不同鋼纖維摻量下的鐵尾礦砂UHPC 在硫酸鈉凍融循環作用下的耐久性能,基于灰色關聯分析了鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量、質量損失率和動彈性模量對28 d 抗壓強度的影響大小,為鐵尾礦砂UHPC 在寒冷環境下的工程建設提供參考。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用水泥采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥,初凝時間150 min,終凝時間225 min,細度1.8%,燒失量1.37%;水泥的部分替代品硅灰,比表面積22 000 m2/kg;鐵尾礦砂取自安徽馬鞍山某鐵礦,粒徑小于0.1 mm 顆粒含量約為8.6%,0.1～0.5 mm 含量約為62.7%,大于0.5 mm 含量約為28.7%,含水量2.49%,燒失量8.36%,其主要化學成分如表1所示。采用圓截面直鋼纖維,長度13 mm,直徑0.2 mm,抗拉強度1 800 MPa,彈性模量205 GPa,鋼纖維摻量為1.5%;減水劑為高效引氣減水劑,減水率為35%;水為普通自來水。

表1 鐵尾礦砂的主要化學成分Table 1 Main chemical components of iron tailings sand

1.2 UHPC 的制備

本試驗超高性能混凝土配合比設計依據《GB/T 50081—2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準》[17]相關規定,鐵尾礦砂UHPC 制備過程共分為3個階段,攪拌時間共20 min,先加入干料攪拌3 min,再加入80%水和減水劑進行攪拌,最后加入剩余的水和鋼纖維,鐵尾礦砂全部替代細骨料(河沙),制成的鐵尾礦砂UHPC 混合物在養護室養護28 d 后再進行測試,水灰比為0.19,鐵尾礦砂UHPC 配合比見表2。

表2 鐵尾礦砂UHPC 配合比與抗壓強度Table 2 UHPC mix ratio and compressive strength of iron tailings sand

1.3 測試方法

凍融循環試驗參照《GB/T 50082—2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[18],鐵尾礦砂UHPC 試件養護28 d 后,進行室內快速凍融試驗,尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,溶液為5%硫酸鈉溶液,凍融循環次數為200 次,凍融循環結束后測定試件吸水率和析出的鹽結晶量、試件整體質量損失率和凍融循環前后的動彈性模量,每組鐵尾礦砂UHPC試件制備2 個,測試結果取平均值,其中鹽結晶析出量用電子秤測量。最后將凍融循環后的鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量,質量損失率和動彈性模量與28 d 抗壓強度進行灰色關聯分析。

2 結果與討論

2.1 鹽結晶析出量

不同鋼纖維摻量的鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量,如圖1所示。UHPC 在經歷凍融循環200 次后,鹽結晶析出量隨鋼纖維摻量增加而減小,其中A0 組為未摻入鋼纖維的對照組,A05、A10、A15 組的鹽結晶析出量較A0 組分別提高了108%、75%、17%,A20組的鹽結晶析出量較A0 組減少了25%,因為鋼纖維在凍融循環過程中起到了橋接鐵尾礦砂UHPC 裂縫的作用,減小了基體的孔隙率,隨著鋼纖維摻量的增加,孔隙率降低,鹽結晶析出量也隨之減少。

圖1 鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量Fig.1 Crystallization amount of UHPC salt in iron tailing sand

鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量與吸水率之間的關系如圖2所示,圖中能較好地反映出鐵尾礦砂UHPC 吸水率與鹽結晶析出量具有正相關的線性關系,擬合度R2高于0.90,鐵尾礦砂UHPC 吸水率越強,鹽結晶析出量越大,這是鹽結晶填補了鐵尾礦砂UHPC 中的部分孔隙造成的。

圖2 鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量與吸水率之間的關系Fig.2 The relationship between the amount of UHPC salt crystallization and water absorption in iron tailings sand

2.2 質量損失率

圖3為經歷硫酸鈉干濕循環后不同鋼纖維摻量的鐵尾礦砂UHPC 質量損失率,凍融循環次數為200次,每次凍融循環時間延長到12 h。在200 次凍融循環后,鋼纖維的加入顯著加速了鐵尾礦砂UHPC 的質量損失。鋼纖維可以改變鐵尾礦砂UHPC 試件在凍融循環作用下的破壞模式,200 次凍融循環試驗結束后,我們觀察到鐵尾礦砂UHPC 表面出現裂縫,以及摻入鋼纖維的鐵尾礦砂UHPC 試件中的鋼纖維出現腐蝕,在摻有2%鋼纖維的鐵尾礦砂UHPC 中可以觀察到更多的裂縫和空隙,這導致了更高的質量損失,在此過程中,微裂縫互相貫穿,形成較大的裂縫,硫酸鹽結晶通過裂縫進入到基體中,加速了鋼纖維的腐蝕。A20 組因其較高的鹽結晶析出量和高含水率特征質量損失高于其他組別,A20、A15、A10、A05 組的質量損失率對比A0 組分別增加了23.5、16.3、7.8、1.3 倍,鐵尾礦砂UHPC 試件在凍融循環作用中毛細孔數量和體積的增加是產生裂縫的主要原因。

圖3 鐵尾礦砂UHPC 的質量損失率Fig.3 Mass loss rate of iron tailing sand UHPC

圖4為凍融循環后鐵尾礦砂UHPC 含水率與鹽結晶析出量的相關性,這個關系可以由一次函數y=2.262 9x+0.153 3 表示,截距誤差較小,擬合度較高。試驗結果表明,在超高性能混凝土制備過程中,有助于鋼纖維包裹在水泥砂漿基體中,凍融循環中被暴露導致的材料退化可能是由于鐵尾礦砂UHPC 試件表面光潔度不精確以及試件外邊緣附近鋼纖維密集分布造成的,鋼纖維摻量越高,纖維分布越密集。此外,這也可能與凍融水和硫酸鈉鹽結晶的物理性質(冰點、可變形性或延展性)的差異有關。試驗過程中,鋼纖維沒有推遲微裂紋的擴展,因此不能防止鐵尾礦砂UHPC 在凍融循環中的劣化。鐵尾礦砂UHPC 基體在堿性環境中,鋼纖維受到防腐蝕保護,然而,在混凝土試件邊緣區域存在水分時,單根或多根鋼纖維可能會被腐蝕。這種腐蝕導致了顯著的缺陷,表現為鐵尾礦砂UHPC 表面的銹斑,鋼纖維摻量較低時質量損失率也較低。另一方面,對比普通混凝土甚至高強度混凝土,鐵尾礦砂UHPC 的孔隙率極低,因此顯示出更高的抗凍耐久性,鐵尾礦砂UHPC 的孔隙半徑小且不連續,減少了反應劑在材料中的流動,因此導致有限的材料劣化。

圖4 凍融循環后鐵尾礦砂UHPC 含水率與鹽結晶析出量的相關性Fig.4 Correlation between the UHPC water content of iron tailings sand and the amount of salt crystallization after freeze-thaw cycles

2.3 動彈性模量

圖5為凍融循環后鐵尾礦砂UHPC 的動彈性模量變化圖,動彈性模量是評價纖維增強UHPC 復合材料承載能力的重要參數,其值也是衡量抗凍性的一個指標。摻入2%鋼纖維的A20 組在凍融200 次前的動彈性模量最高,而不摻入鋼纖維的A0 組在凍融200 次后的動彈性模量最高。在200 次凍融循環后,觀察到動態模量值均有所降低,鋼纖維摻量越高,動彈性模量下降越快,這種現象與鋼纖維高摻量的抱團有關,對于所有鐵尾礦砂UHPC 試件,動態彈性模量的相對值不低于基線的95%。基于以上觀察,發現所有UHPC 試件都是抗凍的,同時也發現動態彈性模量的降低與所有組別鐵尾礦砂UHPC 的質量損失密切相關。

圖5 凍融循環后鐵尾礦砂UHPC 的動彈性模量變化Fig.5 Changes of dynamic elastic modulus of iron tailing sand UHPC after freeze-thaw cycles

2.4 灰色關聯預測

灰色關聯理論是用原始數據組成原始序列,經累加生成法生成主序列和參考序列,它可以弱化原始數據的隨機性,使其呈現出較為明顯的特征規律。也就是說,在不斷補充新信息的同時,去掉意義不大的老信息,這樣的建模序列更能動態地反映系統最新的特征,這實際上是一種動態預測模型。為了研究鐵尾礦砂UHPC 鹽結晶析出量,質量損失率和動彈性模量對28 d 抗壓強度的影響,將各參數與28 d 抗壓強度進行灰色關聯分析,具體步驟如下:

(1)UHPC 凍融循環后的鹽結晶析出量、質量損失率和動彈性模量為主序列xi,28 d 抗壓強度為參考序yi。

(2)主序列的初始值:

(3)主序列與參考序列之差的絕對值:

(4)各序列差的最大值與最小值:

(5)關聯系數(ζ為分辨系數,一般取0.5):

(6)計算關聯度并依次排序:

表3為鐵尾礦砂UHPC 各參數與抗壓強度數據,根據式(1)可得鐵尾礦砂UHPC 各序列初值像,如表4所示,再由式(2)計算主序列與參考序列差的絕對值(表5),最后通過式(3)～式(5)求得關聯系數(表6)和關聯度(表7)。

表3 鐵尾礦砂UHPC 各參數與抗壓強度Table 3 UHPC parameters and compressive strength of iron tailings sand

表4 鐵尾礦砂UHPC 各序列初值像Table 4 Initial value images of UHPC series of iron tailings sand

表5 鐵尾礦砂UHPC 的抗壓強度主序列與參考序列差的絕對值Table 5 The absolute value of the difference between the main sequence and sub-sequence of the compressive strength of UHPC of iron tailings sand

表6 抗壓強度各序列的關聯系數Table 6 Correlation coefficient of each series of compressive strength

表7 鐵尾礦砂UHPC 各序列關聯度Table 7 Correlation degrees of UHPC sequences of iron tailings

根據鐵尾礦砂UHPC 主序列與各參考序列之差的絕對值可知,最大值為23.1,最小值為0,進而可以計算鐵尾礦砂UHPC 各序列關聯系數。

由表7 可知,鐵尾礦砂UHPC 各參數對28 d 抗壓強度的影響從大到小排序為:動彈性模量＞鹽結晶析出量＞質量損失率。

3 結 論

(1)鋼纖維在凍融循環過程中起到了橋接鐵尾礦砂UHPC 裂縫的作用,減小了基體的孔隙率,隨著鋼纖維摻量的增加,孔隙率降低,鹽結晶析出量減少。

(2)摻有2%鋼纖維的鐵尾礦砂UHPC(A20 組)中可以觀察到更多的裂縫和空隙,這導致了更高的質量損失,在此過程中,微裂縫互相貫穿,形成較大的裂縫,硫酸鹽結晶通過裂縫進入到基體中,加速了鋼纖維的腐蝕。

(3)在200 次凍融循環后,動態模量值均有所降低,鋼纖維摻量越高,動彈性模量下降越快,這與鋼纖維高摻量的抱團現象有關,動態彈性模量的降低與鐵尾礦砂UHPC 的質量損失密切相關。

(4)對鐵尾礦砂UHPC 的28 d 抗壓強度影響從大到小排序為:動彈性模量＞鹽結晶析出量＞質量損失率。