高温对标养铁尾矿RPC性能影响研究*

2022-07-08田耀刚黄显龙阎宝宝卯爱军

功能材料 2022年6期

田耀刚,黄显龙，路鑫,3，阎宝宝，覃超，卯爱军，鲁涛，张军

(1.长安大学材料科学与工程学院，西安 710064；2.长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心，西安 710064；3.西安公路研究院，陕西西安 710065；4.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉430050；5.长安大学公路养护装备国家工程实验室,西安 710064))

0 引言

活性粉末混凝土(RPC)又称超高性能混凝土(UHPC)，是由Richard等将均匀排列的超细颗粒致密体系与纤维增强材料相结合所开发的一种具有超高强度、优异耐久性和高断裂能的创新混凝土[1]。目前，RPC已被用于核电工程[2]、交通工程[3]与民用建筑[4]，这些结构可能会受到高温作用。但RPC与普通混凝土相比渗透率较低并且微观结构更加致密，这使得RPC在高温作用下内部水汽被“堵塞”无法逸出，导致RPC爆裂剥落,产生经济损失的同时对人的生命与财产安全还具有巨大威胁[5]。与普通混凝土相比，RPC还存在生产成本过高(单位体积约为普通混凝土的4倍)、养护工艺复杂等缺点，这也极大地限制了RPC的使用和发展[6]。Tang Manchung等[7]也指出RPC未来发展依赖于可操作性和成本这两个突破点。

铁尾矿是铁矿石经选矿后产生的工业固体废物。由于对钢铁和相关行业的需求不断增加，我国铁尾矿年产量近6亿吨，但利用率却仅为7%[8]。未被有效利用的铁尾矿往往以自然堆积的方式储存在尾矿坝中,这不仅占用大量土地，而且尾矿坝的建设和维护也同样需要相当大的成本。此外，铁尾矿坝周边还存在地下水污染、扬尘污染和土地荒漠化等生态环境破坏风险，严重影响当地居民身体健康[9]。因此铁尾矿无害资源化处理已刻不容缓。近年来，一些学者将铁尾矿应用到RPC中，并取得一定研究成果。SujingZhao等[10]研究了在两种不同养护条件下使用铁尾矿替代天然细骨料制备UHPC可行性，发现当铁尾矿替代量不大于40%时，标准养护90 d后尾矿混凝土力学性能与对照混凝土相当。Zhang Weifeng等[11]研究了铁尾矿对UHPC抗压强度和渗透性的影响，发现当铁尾矿替代量不大于40%时，可提高UHPC抗压强度和抗渗性。田耀刚等[12]采用铁尾矿替代石英砂在标准养护条件下设计制备RPC，研究其引入对RPC工作性能、强度的影响，发现铁尾矿降低RPC流动度和28 d强度，但取代率不大于30%时，RPC抗压强度仍能超过130 MPa并且对内部水泥水化无明显影响。现有铁尾矿制备RPC研究大多针对工作性能、力学性能和微观性能展开，而对其高温性能研究较少。

鉴于此，本文以固体废弃物铁尾矿为原材料，取代常规制备RPC所用价格昂贵石英砂，并采用常规养护制备RPC，研究高温对不同掺量铁尾矿制备RPC表观特征、质量损失率、抗压与抗折强度、阻尼性能和微观结构的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5级水泥；硅灰：密度2.204 g/cm3，比表面积18 500 cm2/g，上述两种材料主要化学成分见表1。石英砂：粒径20～80目，SiO2含量大于98%，表观密度2.630 g/cm3。铁尾矿：粒径小于1.18 mm，表观密度2.745 g/cm3，其矿物成分如图1所示。减水剂：聚羧酸减水剂，减水率30%，固含量29%。钢纤维：镀铜钢纤维，长度13～14 mm，直径0.22 mm，抗拉强度大于2 850 MPa，密度为7.850 g/cm3。

表1 水泥、硅灰主要化学成分Table 1 The main chemical components of cement and silica

图1 铁尾矿XRD谱图Fig 1 XRD pattern of iron tailings

1.2 配合比及试件制备

基于先前研究[12]，采用基准配合比m水∶m水泥∶m硅灰∶m石英砂=0.2∶1∶0.25∶1.375，减水剂用量为胶凝材料质量2.5%，纤维掺量为试件体积2%，铁尾矿取代石英砂0%、30%、60%和100%制备RPC-0、RPC-30、RPC-60与RPC-100。试件制作时，首先将纤维投入石英砂中干搅3 min，加入水泥和硅灰继续干搅2 min使钢纤维分布均匀，加入高性能减水剂和一半水搅动2 min后加入剩余水继续搅动3 min即得RPC砂浆。拌和好的RPC装入40 mm×40 mm×160 mm模具中振动成型，24 h拆模标养至规定龄期。

1.3 试验方法

(1)高温及强度试验

高温处理前，为避免湿度过大导致RPC升温过程中发生爆裂，将养护28 d的RPC放入105 ℃烘箱预干燥24 h。干燥后放入SX2-4-10型箱式电阻炉内并以10.0 ℃/min的升温速率将炉内温度分别升至200、400、600和800 ℃。为确保目标温度在试样内部均匀分布，将试样在目标温度下恒温保持2 h后关闭电源，待炉冷却至室温后取出试件并进行强度测试。抗压与抗折试验参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—2005)进行。

(2)阻尼试验

本文采用悬臂梁冲击作用下自由振动研究试件阻尼比。将标养至规定龄期的试件一端固定，利用试验力锤对试件施加简谐振动荷载，使用INV3062T型阻尼比测试分析系统对振动进行分析，测试简图如图2所示。采用半功率带宽法计算阻尼比，计算公式为：

图2 阻尼测试简图Fig 2 Schematic diagram of damping test

式中，ξ为阻尼比，ω1和ω2为共振峰值0.707倍对应频率，Hz；ω0为共振频率，Hz。每个试件重复进行3次阻尼试验，结果取平均值。

(3)SEM与XRD试验

将高温试验后的试样去除表面并破碎，浸泡于无水乙醇中终止水化，3 d后取出放入40 ℃烘箱中烘干至恒重。干燥喷金后，采用日立S-4800扫描电子显微镜观察试样微观形貌；磨粉过200目筛后，采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪进行XRD分析，扫描步长0.02°(2θ)，扫描范围2θ=5～70°，扫描时间30 s。

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿RPC高温后表观特征

RPC经历高温后，化学反应会使颜色发生转变，骨料与钢纤维热膨胀系数不同会使敲击声音发生改变并出现裂纹，氧化作用会使表面的钢纤维变脆并发黑，水蒸汽逸出则会使电阻炉内有白烟逸出。表2记录了各组试验的高温作用现象及RPC高温后的表观特征。

表2 RPC高温后表观特征及试验现象Table 2 The apparent characteristics and experimental phenomena of RPC at different temperatures

2.2 铁尾矿RPC高温后质量损失率

图3为铁尾矿RPC在不同温度下的质量损失率。由图3可知，铁尾矿RPC高温后质量损失率变化与RPC-0相似，均随温度升高逐渐增大。20～200 ℃时，RPC内部物理结合水与毛细水蒸发，并且105 ℃后，部分化学结合水因水化反应而散失，造成质量损失[13]。200～400 ℃时，RPC质量出现较大幅度损失，这是由于部分C-S-H凝胶脱水所致。400～600 ℃时，RPC质量损失降幅较为平缓，内部不再含有蒸发水，质量损失主要来源于CH分解[14]。600～800 ℃时，RPC质量损失又出现较大幅度增长，这主要来源于C-S-H凝胶、碳酸钙和石英砂分解[15]。此外，由图3可知，随着铁尾矿掺量增加RPC质量损失率提高，经历800 ℃后，RPC-0质量损失为9.2%，RPC-100质量损失为9.9%，这是由于铁尾矿相对于天然骨料在高温环境下表现出强烈不稳定性，温度为450 ℃时铁尾矿开始分解而石英砂在650 ℃时才开始[16]。

图3 RPC不同温度下质量损失率Fig 3 Mass loss rate of RPC at different temperatures

2.3 铁尾矿RPC高温后强度

图4为铁尾矿RPC在不同温度下的强度。由图4(a)可知，铁尾矿RPC高温后抗压强度变化与RPC-0相似，均随温度升高先略微提高后大幅下降。200 ℃时，RPC抗压强度略有提升，这是由于RPC中水分被加热蒸发使其干燥硬化，同时转变为气态的水分可使RPC内部形成“高压反应釜”，使部分未反应水泥进一步水化[17]。400 ℃时，RPC抗压强度小幅下降，这是由于水分蒸发导致RPC基体中出现部分微裂纹和孔隙。600 ℃时，RPC抗压强度进一步下降，一方面归因于C-S-H键断裂与CH分解后吸水膨胀，另一方面归因于石英从α形式转变为β形式，使RPC发生体积膨胀，导致骨料与水泥石之间粘合被破坏[18]。当温度高于600 ℃时，RPC发生开裂，抗压强度严重劣化，这主要由于高温下骨料与钢纤维不均匀膨胀[19]。此外，由图4(a)可知，随着铁尾矿替代率升高抗压强度下降，这是由于铁尾矿加入使集料中细粒径颗粒含量增加，级配性能变差，并且铁尾矿与石英砂相比表面粗糙内部缺陷较多，RPC内部水化反应程度不均匀[12]。

图4(b)为铁尾矿RPC在不同温度下的抗折强度。由图4(b)可知，当温度高于200 ℃时，所有RPC抗折强度都会迅速降低，一方面归因于高温条件下骨料逐渐失去互锁性，另一方面水蒸气逸出会使基体产生更多微裂纹。铁尾矿RPC在高温下抗折强度与抗压强度结果相似，随铁尾矿掺量增加逐渐下降。当温度为600 ℃时，RPC-0保留了20 ℃抗折强度的60.4%而RPC-30、RPC-60与RPC-100分别保留了20 ℃抗折强度的57.0%、56.3%与54.4%，这是由于随着铁尾矿取代率的增加，RPC水泥基体强度降低，水泥基体与钢纤维之间粘结力下降[12]。然而，当温度为800 ℃时，RPC发生开裂，无论是否掺有铁尾矿，抗折强度均小于20 ℃抗折强度的30%。

图4 RPC不同温度下强度Fig 4 Strength of RPC at different temperatures

2.4 铁尾矿RPC高温后阻尼比

图5为铁尾矿RPC在不同温度下的阻尼比。由图5可知，200 ℃时，RPC阻尼比基本不变，随着温度继续升高，阻尼比持续增大。内部质点之间甚至相之间产生的摩擦和振动被大多数学者认为是混凝土材料受到振动时阻尼耗能机理[20]。RPC经历温度高于200 ℃时，蒸汽逸出、骨料与纤维膨胀分解会使得骨料与水泥浆体以及水泥浆体之间产生大量微裂纹和孔隙。当受到外部荷载作用时，微裂纹产生闭合、扩张、滑移，从而使振动能被衰减。此外，由图5可知，随着铁尾矿替代率升高，RPC阻尼比略有提高。铁尾矿不仅本身多棱角、孔隙率高还会使水化反应程度不均匀，从而增加RPC中微裂纹与不规则孔隙数量。当受到外部荷载作用时，不规则孔隙周边会发生塑性变形与滑移从而消耗振动能量；孔隙内空气会产生收缩与膨胀变形，使外载做功转化为空气摩擦热能而耗散。

图5 RPC不同温度下阻尼比Fig 5 Damping ratio of RPC at different temperatures

2.5 铁尾矿RPC高温后微观结构

不同铁尾矿掺量RPC高温后微观结构变化相似。以RPC-30为例分析铁尾矿RPC高温微观结构变化规律。图6为RPC-30在不同温度下XRD谱图。由图6可知，在20、200和400 ℃的RPC-30中均含有CH、石英、水泥成分(C2S+C3S)和CaCO3的特征峰，其中石英峰强度最高，这是由于石英砂与铁尾矿中均含有大量石英成分。CH峰强度在20～400 ℃随温度升高逐渐降低，这是由于高温促进火山灰反应，使CH转化为C-S-H，这个过程解释了为什么RPC-30在200 ℃时抗压强度可以提高。当温度高于600 ℃时，CH分解为CaO，导致CH峰完全消失。

图6 RPC-30不同温度下XRD谱图Fig 6 XRD patterns of RPC-30 at different temperatures

图7为RPC-30不同温度下的SEM图。由图7可知，20 ℃下RPC-30内部结构完整致密，主要由连续块状C-S-H凝胶组成，同时包含少量CH与未水化胶凝材料。200 ℃时，RPC内部结构更加完整致密，这主要由于物理吸附水与毛细水蒸发促进水泥水化反应与火山灰反应，生成更多C-S-H凝胶。此外，这消耗了对强度不利的CH，宏观表现为强度与20 ℃相比略有提高。400 ℃时，试样表面出现少量裂纹，这是由于自由水与结合水蒸发逸出。600 ℃时，RPC微观结构松动，C-S-H凝胶从胶结连续相转变成相对独立的分散相，裂纹和孔隙率数量增加，这是由于CH分解与C-S-H凝胶脱水，宏观表现为强度明显下降。800 ℃时，RPC基体结构呈破碎蜂窝状，有大量微裂纹和孔洞，这是由于C-S-H凝胶完全脱水分解，宏观表现为强度与20 ℃相比下降近75%。