鐵尾礦砂超高性能混凝土的凍融循環(huán)耐久性分析

史 波 何 旺

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學院建筑藝術(shù)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(lǐng)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(gòu)筑物常常經(jīng)歷凍融循環(huán)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(zhì)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(huán)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(jié)構(gòu)的強度和可靠性有著更為關(guān)鍵的影響。據(jù)報道,由于UHPC 具有優(yōu)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(guān)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(huán)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(yè)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(huán)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(qū)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(zhì)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(guī)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(jié)晶析出量、質(zhì)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(huán)作用下的耐久性能,基于灰色關(guān)聯(lián)分析了鐵尾礦砂UHPC 鹽結(jié)晶析出量、質(zhì)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(huán)境下的工程建設(shè)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(shè)計依據(jù)《GB/T 50081—2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準》[17]相關(guān)規(guī)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(yǎng)護室養(yǎng)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(huán)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(yǎng)護28 d 后,進行室內(nèi)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(huán)次數(shù)為200 次,凍融循環(huán)結(jié)束后測定試件吸水率和析出的鹽結(jié)晶量、試件整體質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)前后的動彈性模量,每組鐵尾礦砂UHPC試件制備2 個,測試結(jié)果取平均值,其中鹽結(jié)晶析出量用電子秤測量。最后將凍融循環(huán)后的鐵尾礦砂UHPC 鹽結(jié)晶析出量,質(zhì)量損失率和動彈性模量與28 d 抗壓強度進行灰色關(guān)聯(lián)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽結(jié)晶析出量

不同鋼纖維摻量的鐵尾礦砂UHPC 鹽結(jié)晶析出量,如圖1所示。UHPC 在經(jīng)歷凍融循環(huán)200 次后,鹽結(jié)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(jié)晶析出量較A0 組分別提高了108%、75%、17%,A20組的鹽結(jié)晶析出量較A0 組減少了25%,因為鋼纖維在凍融循環(huán)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(jié)晶析出量也隨之減少。

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

鐵尾礦砂UHPC 鹽結(jié)晶析出量與吸水率之間的關(guān)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(jié)晶析出量具有正相關(guān)的線性關(guān)系,擬合度R2高于0.90,鐵尾礦砂UHPC 吸水率越強,鹽結(jié)晶析出量越大,這是鹽結(jié)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(jié)晶析出量與吸水率之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the amount of UHPC salt crystallization and water absorption in iron tailings sand

2.2 質(zhì)量損失率

圖3為經(jīng)歷硫酸鈉干濕循環(huán)后不同鋼纖維摻量的鐵尾礦砂UHPC 質(zhì)量損失率,凍融循環(huán)次數(shù)為200次,每次凍融循環(huán)時間延長到12 h。在200 次凍融循環(huán)后,鋼纖維的加入顯著加速了鐵尾礦砂UHPC 的質(zhì)量損失。鋼纖維可以改變鐵尾礦砂UHPC 試件在凍融循環(huán)作用下的破壞模式,200 次凍融循環(huán)試驗結(jié)束后,我們觀察到鐵尾礦砂UHPC 表面出現(xiàn)裂縫,以及摻入鋼纖維的鐵尾礦砂UHPC 試件中的鋼纖維出現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(jié)晶析出量和高含水率特征質(zhì)量損失高于其他組別,A20、A15、A10、A05 組的質(zhì)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(huán)作用中毛細孔數(shù)量和體積的增加是產(chǎn)生裂縫的主要原因。

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

圖4為凍融循環(huán)后鐵尾礦砂UHPC 含水率與鹽結(jié)晶析出量的相關(guān)性,這個關(guān)系可以由一次函數(shù)y=2.262 9x+0.153 3 表示,截距誤差較小,擬合度較高。試驗結(jié)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(huán)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(jié)晶的物理性質(zhì)(冰點、可變形性或延展性)的差異有關(guān)。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(huán)中的劣化。鐵尾礦砂UHPC 基體在堿性環(huán)境中,鋼纖維受到防腐蝕保護,然而,在混凝土試件邊緣區(qū)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(xiàn)為鐵尾礦砂UHPC 表面的銹斑,鋼纖維摻量較低時質(zhì)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(xù),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(huán)后鐵尾礦砂UHPC 含水率與鹽結(jié)晶析出量的相關(guān)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(huán)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(shù),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(huán)后,觀察到動態(tài)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(xiàn)象與鋼纖維高摻量的抱團有關(guān),對于所有鐵尾礦砂UHPC 試件,動態(tài)彈性模量的相對值不低于基線的95%。基于以上觀察,發(fā)現(xiàn)所有UHPC 試件都是抗凍的,同時也發(fā)現(xiàn)動態(tài)彈性模量的降低與所有組別鐵尾礦砂UHPC 的質(zhì)量損失密切相關(guān)。

圖5 凍融循環(huán)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(guān)聯(lián)預測

灰色關(guān)聯(lián)理論是用原始數(shù)據(jù)組成原始序列,經(jīng)累加生成法生成主序列和參考序列,它可以弱化原始數(shù)據(jù)的隨機性,使其呈現(xiàn)出較為明顯的特征規(guī)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(tài)地反映系統(tǒng)最新的特征,這實際上是一種動態(tài)預測模型。為了研究鐵尾礦砂UHPC 鹽結(jié)晶析出量,質(zhì)量損失率和動彈性模量對28 d 抗壓強度的影響,將各參數(shù)與28 d 抗壓強度進行灰色關(guān)聯(lián)分析,具體步驟如下:

(1)UHPC 凍融循環(huán)后的鹽結(jié)晶析出量、質(zhì)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(guān)聯(lián)系數(shù)(ζ為分辨系數(shù),一般取0.5):

(6)計算關(guān)聯(lián)度并依次排序:

表3為鐵尾礦砂UHPC 各參數(shù)與抗壓強度數(shù)據(jù),根據(jù)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(guān)聯(lián)系數(shù)(表6)和關(guān)聯(lián)度(表7)。

表3 鐵尾礦砂UHPC 各參數(shù)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(guān)聯(lián)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of each series of compressive strength

表7 鐵尾礦砂UHPC 各序列關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation degrees of UHPC sequences of iron tailings

根據(jù)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(guān)聯(lián)系數(shù)。

由表7 可知,鐵尾礦砂UHPC 各參數(shù)對28 d 抗壓強度的影響從大到小排序為:動彈性模量＞鹽結(jié)晶析出量＞質(zhì)量損失率。

3 結(jié) 論

(1)鋼纖維在凍融循環(huán)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(jié)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(zhì)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(jié)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(huán)后,動態(tài)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(xiàn)象有關(guān),動態(tài)彈性模量的降低與鐵尾礦砂UHPC 的質(zhì)量損失密切相關(guān)。

(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(jié)晶析出量＞質(zhì)量損失率。