铁尾矿砂超高性能混凝土的冻融循环耐久性分析

史 波 何 旺

(1.江苏城乡建设职业学院建筑艺术学院,江苏 常州 213147;2.东南大学土木工程学院,江苏 南京 210096)

超高性能混凝土(UHPC)具有强度高、韧性好、耐久性良好的特点,广泛应用于桥梁、道路等建筑工程领域[1-2]。典型的UHPC 成分主要包括水泥、硅灰、纤维、石英砂、塑化剂和引气剂等,其中钢纤维的掺入可有效提高基体中抑制裂纹裂缝的扩展能力,并能提高基体的抗拉强度和韧性等[3-6],虽然通过添加引气剂可以很容易地提高混凝土制品的抗冻融性能,但这些化学试剂会显著降低混凝土的抗压强度[7]。我国北方冬季气候寒冷,混凝土建筑物和构筑物常常经历冻融循环作用,通常来说UHPC 中的干骨料或半干骨料不容易受到破坏性冻融效应的影响,由于其孔隙率低于2%,所以水泥基质对混凝土的抗冻融性能影响最大[8]。低吸水率和封闭性较好的孔隙率增加了混凝土的抗冻融性[9-10],但循环冻融具有累积效应,导致水泥基体微裂纹[11-12],微裂纹的形成很难观察到,而可见裂纹可能对结构的强度和可靠性有着更为关键的影响。据报道,由于UHPC 具有优异的应变硬化和软化性能,特别是在冲击和爆炸载荷下,它具有很高的抗拉强度和能量吸收能力[13]。UHPC 在直接拉伸中的典型应力—应变关系可分为3 个阶段:线弹性阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段[14]。但是UHPC 在加速冻融循环条件下的拉伸性能还没有被完全表征。

目前,铁尾矿作为我国工业固体废弃物的代表,其大量堆积不仅浪费土地资源,还污染地下水和周围土壤,因此部分学者为提高铁尾矿的利用率,将铁尾矿研磨成铁尾矿砂,做为细骨料替代河沙,制备铁尾矿砂混凝土,既消耗了大量铁尾矿,降低了成本,又便于环境保护。例如,程和平等[15]采用高硅型铁尾矿砂制备改良混凝土,并对其抗压强度、渗水性能、冻融特性以及耐腐蚀性进行研究;张信龙等[16]针对铁尾矿砂混凝土在寒冷地区的应用,通过冻融—酸雨侵蚀试验,研究该类样品在冻融—酸雨耦合条件下的耐久性,分析不同取代率下铁尾矿砂混凝土的质量损失率、动弹性模量、立方体抗压强度以及碳化深度的变化规律。

综上所述,本项目用铁尾矿砂替代细骨料制成了铁尾矿砂超高性能混凝土,从盐结晶析出量、质量损失率和动弹性模量3 个方面,研究了不同钢纤维掺量下的铁尾矿砂UHPC 在硫酸钠冻融循环作用下的耐久性能,基于灰色关联分析了铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量、质量损失率和动弹性模量对28 d 抗压强度的影响大小,为铁尾矿砂UHPC 在寒冷环境下的工程建设提供参考。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用水泥采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥,初凝时间150 min,终凝时间225 min,细度1.8%,烧失量1.37%;水泥的部分替代品硅灰,比表面积22 000 m2/kg;铁尾矿砂取自安徽马鞍山某铁矿,粒径小于0.1 mm 颗粒含量约为8.6%,0.1～0.5 mm 含量约为62.7%,大于0.5 mm 含量约为28.7%,含水量2.49%,烧失量8.36%,其主要化学成分如表1所示。采用圆截面直钢纤维,长度13 mm,直径0.2 mm,抗拉强度1 800 MPa,弹性模量205 GPa,钢纤维掺量为1.5%;减水剂为高效引气减水剂,减水率为35%;水为普通自来水。

表1 铁尾矿砂的主要化学成分Table 1 Main chemical components of iron tailings sand

1.2 UHPC 的制备

本试验超高性能混凝土配合比设计依据《GB/T 50081—2019 混凝土物理力学性能试验方法标准》[17]相关规定,铁尾矿砂UHPC 制备过程共分为3个阶段,搅拌时间共20 min,先加入干料搅拌3 min,再加入80%水和减水剂进行搅拌,最后加入剩余的水和钢纤维,铁尾矿砂全部替代细骨料(河沙),制成的铁尾矿砂UHPC 混合物在养护室养护28 d 后再进行测试,水灰比为0.19,铁尾矿砂UHPC 配合比见表2。

表2 铁尾矿砂UHPC 配合比与抗压强度Table 2 UHPC mix ratio and compressive strength of iron tailings sand

1.3 测试方法

冻融循环试验参照《GB/T 50082—2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18],铁尾矿砂UHPC 试件养护28 d 后,进行室内快速冻融试验,尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,溶液为5%硫酸钠溶液,冻融循环次数为200 次,冻融循环结束后测定试件吸水率和析出的盐结晶量、试件整体质量损失率和冻融循环前后的动弹性模量,每组铁尾矿砂UHPC试件制备2 个,测试结果取平均值,其中盐结晶析出量用电子秤测量。最后将冻融循环后的铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量,质量损失率和动弹性模量与28 d 抗压强度进行灰色关联分析。

2 结果与讨论

2.1 盐结晶析出量

不同钢纤维掺量的铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量,如图1所示。UHPC 在经历冻融循环200 次后,盐结晶析出量随钢纤维掺量增加而减小,其中A0 组为未掺入钢纤维的对照组,A05、A10、A15 组的盐结晶析出量较A0 组分别提高了108%、75%、17%,A20组的盐结晶析出量较A0 组减少了25%,因为钢纤维在冻融循环过程中起到了桥接铁尾矿砂UHPC 裂缝的作用,减小了基体的孔隙率,随着钢纤维掺量的增加,孔隙率降低,盐结晶析出量也随之减少。

图1 铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量Fig.1 Crystallization amount of UHPC salt in iron tailing sand

铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量与吸水率之间的关系如图2所示,图中能较好地反映出铁尾矿砂UHPC 吸水率与盐结晶析出量具有正相关的线性关系,拟合度R2高于0.90,铁尾矿砂UHPC 吸水率越强,盐结晶析出量越大,这是盐结晶填补了铁尾矿砂UHPC 中的部分孔隙造成的。

图2 铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量与吸水率之间的关系Fig.2 The relationship between the amount of UHPC salt crystallization and water absorption in iron tailings sand

2.2 质量损失率

图3为经历硫酸钠干湿循环后不同钢纤维掺量的铁尾矿砂UHPC 质量损失率,冻融循环次数为200次,每次冻融循环时间延长到12 h。在200 次冻融循环后,钢纤维的加入显著加速了铁尾矿砂UHPC 的质量损失。钢纤维可以改变铁尾矿砂UHPC 试件在冻融循环作用下的破坏模式,200 次冻融循环试验结束后,我们观察到铁尾矿砂UHPC 表面出现裂缝,以及掺入钢纤维的铁尾矿砂UHPC 试件中的钢纤维出现腐蚀,在掺有2%钢纤维的铁尾矿砂UHPC 中可以观察到更多的裂缝和空隙,这导致了更高的质量损失,在此过程中,微裂缝互相贯穿,形成较大的裂缝,硫酸盐结晶通过裂缝进入到基体中,加速了钢纤维的腐蚀。A20 组因其较高的盐结晶析出量和高含水率特征质量损失高于其他组别,A20、A15、A10、A05 组的质量损失率对比A0 组分别增加了23.5、16.3、7.8、1.3 倍,铁尾矿砂UHPC 试件在冻融循环作用中毛细孔数量和体积的增加是产生裂缝的主要原因。

图3 铁尾矿砂UHPC 的质量损失率Fig.3 Mass loss rate of iron tailing sand UHPC

图4为冻融循环后铁尾矿砂UHPC 含水率与盐结晶析出量的相关性,这个关系可以由一次函数y=2.262 9x+0.153 3 表示,截距误差较小,拟合度较高。试验结果表明,在超高性能混凝土制备过程中,有助于钢纤维包裹在水泥砂浆基体中,冻融循环中被暴露导致的材料退化可能是由于铁尾矿砂UHPC 试件表面光洁度不精确以及试件外边缘附近钢纤维密集分布造成的,钢纤维掺量越高,纤维分布越密集。此外,这也可能与冻融水和硫酸钠盐结晶的物理性质(冰点、可变形性或延展性)的差异有关。试验过程中,钢纤维没有推迟微裂纹的扩展,因此不能防止铁尾矿砂UHPC 在冻融循环中的劣化。铁尾矿砂UHPC 基体在碱性环境中,钢纤维受到防腐蚀保护,然而,在混凝土试件边缘区域存在水分时,单根或多根钢纤维可能会被腐蚀。这种腐蚀导致了显著的缺陷,表现为铁尾矿砂UHPC 表面的锈斑,钢纤维掺量较低时质量损失率也较低。另一方面,对比普通混凝土甚至高强度混凝土,铁尾矿砂UHPC 的孔隙率极低,因此显示出更高的抗冻耐久性,铁尾矿砂UHPC 的孔隙半径小且不连续,减少了反应剂在材料中的流动,因此导致有限的材料劣化。

图4 冻融循环后铁尾矿砂UHPC 含水率与盐结晶析出量的相关性Fig.4 Correlation between the UHPC water content of iron tailings sand and the amount of salt crystallization after freeze-thaw cycles

2.3 动弹性模量

图5为冻融循环后铁尾矿砂UHPC 的动弹性模量变化图,动弹性模量是评价纤维增强UHPC 复合材料承载能力的重要参数,其值也是衡量抗冻性的一个指标。掺入2%钢纤维的A20 组在冻融200 次前的动弹性模量最高,而不掺入钢纤维的A0 组在冻融200 次后的动弹性模量最高。在200 次冻融循环后,观察到动态模量值均有所降低,钢纤维掺量越高,动弹性模量下降越快,这种现象与钢纤维高掺量的抱团有关,对于所有铁尾矿砂UHPC 试件,动态弹性模量的相对值不低于基线的95%。基于以上观察,发现所有UHPC 试件都是抗冻的,同时也发现动态弹性模量的降低与所有组别铁尾矿砂UHPC 的质量损失密切相关。

图5 冻融循环后铁尾矿砂UHPC 的动弹性模量变化Fig.5 Changes of dynamic elastic modulus of iron tailing sand UHPC after freeze-thaw cycles

2.4 灰色关联预测

灰色关联理论是用原始数据组成原始序列,经累加生成法生成主序列和参考序列,它可以弱化原始数据的随机性,使其呈现出较为明显的特征规律。也就是说,在不断补充新信息的同时,去掉意义不大的老信息,这样的建模序列更能动态地反映系统最新的特征,这实际上是一种动态预测模型。为了研究铁尾矿砂UHPC 盐结晶析出量,质量损失率和动弹性模量对28 d 抗压强度的影响,将各参数与28 d 抗压强度进行灰色关联分析,具体步骤如下:

(1)UHPC 冻融循环后的盐结晶析出量、质量损失率和动弹性模量为主序列xi,28 d 抗压强度为参考序yi。

(2)主序列的初始值:

(3)主序列与参考序列之差的绝对值:

(4)各序列差的最大值与最小值:

(5)关联系数(ζ为分辨系数,一般取0.5):

(6)计算关联度并依次排序:

表3为铁尾矿砂UHPC 各参数与抗压强度数据,根据式(1)可得铁尾矿砂UHPC 各序列初值像,如表4所示,再由式(2)计算主序列与参考序列差的绝对值(表5),最后通过式(3)～式(5)求得关联系数(表6)和关联度(表7)。

表3 铁尾矿砂UHPC 各参数与抗压强度Table 3 UHPC parameters and compressive strength of iron tailings sand

表4 铁尾矿砂UHPC 各序列初值像Table 4 Initial value images of UHPC series of iron tailings sand

表5 铁尾矿砂UHPC 的抗压强度主序列与参考序列差的绝对值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 抗压强度各序列的关联系数Table 6 Correlation coefficient of each series of compressive strength

表7 铁尾矿砂UHPC 各序列关联度Table 7 Correlation degrees of UHPC sequences of iron tailings

根据铁尾矿砂UHPC 主序列与各参考序列之差的绝对值可知,最大值为23.1,最小值为0,进而可以计算铁尾矿砂UHPC 各序列关联系数。

由表7 可知,铁尾矿砂UHPC 各参数对28 d 抗压强度的影响从大到小排序为:动弹性模量＞盐结晶析出量＞质量损失率。

3 结 论

(1)钢纤维在冻融循环过程中起到了桥接铁尾矿砂UHPC 裂缝的作用,减小了基体的孔隙率,随着钢纤维掺量的增加,孔隙率降低,盐结晶析出量减少。

(2)掺有2%钢纤维的铁尾矿砂UHPC(A20 组)中可以观察到更多的裂缝和空隙,这导致了更高的质量损失,在此过程中,微裂缝互相贯穿,形成较大的裂缝,硫酸盐结晶通过裂缝进入到基体中,加速了钢纤维的腐蚀。

(3)在200 次冻融循环后,动态模量值均有所降低,钢纤维掺量越高,动弹性模量下降越快,这与钢纤维高掺量的抱团现象有关,动态弹性模量的降低与铁尾矿砂UHPC 的质量损失密切相关。

(4)对铁尾矿砂UHPC 的28 d 抗压强度影响从大到小排序为:动弹性模量＞盐结晶析出量＞质量损失率。