劉雅琦，王淑娟，李立新

(吉林建筑科技學院土木工程學院，長春 130114)

0 引 言

近年來,社會的迅速發(fā)展使工程建筑物的數(shù)量不斷增加，消耗了大量自然資源。為了保護自然資源和環(huán)境，發(fā)展代替材料十分必要。與此同時，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鋼鐵廠產(chǎn)生的大量廢渣對環(huán)境造成的負面影響也越來越明顯[1-3]。因此，以替代摻合料的方式實現(xiàn)高爐鎳鐵渣(簡稱鎳鐵渣)的回收利用具有重大的經(jīng)濟和環(huán)保意義。

此外，當前工程構筑物的工作環(huán)境也越來越復雜多樣[4]，火災等突發(fā)性災難事件頻發(fā)也對混凝土的性能提出了新的要求[5-6]。目前，已經(jīng)有許多學者已經(jīng)對混凝土的耐火、耐高溫特性進行了研究，如賀一軒[6]和楊婷[7]等利用聚丙烯纖維、玄武巖纖維和鋼纖維對混凝土進行改性；杜詠等[8]對水膠比、孔隙率、纖維類型及摻量和尺寸對混凝土爆裂特性的影響進行了較為系統(tǒng)的研究;李妍等[9]利用工業(yè)回收鋼纖維對混凝土進行了改性，并對其在不同溫度處理后的殘余強度進行了研究。

由上可知，目前對改性混凝土耐熱性的研究主要集中于溫度水平的影響，對熱循環(huán)效應的研究卻相對缺乏。為此本文利用鐵渣和鋼纖維制備了混凝土試樣，并對改性混凝土在熱循環(huán)后的力學特性進行了研究；即，以一種鎳鐵渣摻量(30%，質(zhì)量分數(shù))、兩種水灰比(0.55和0.50)和四種鋼纖維體積比(0%、0.5%、1.0%和1.5%)制備了一系列混凝土試樣，然后在400 ℃的水平下對改性混凝土分別進行了0次、25次和50次的高溫處理；最后對高溫處理后的試樣進行強度測試，以研究鎳鐵渣、鋼纖維和熱循環(huán)對混凝土力學特性的影響規(guī)律。還利用了超聲波速測試對熱循環(huán)混凝土的內(nèi)部損傷進行探測；結(jié)合力學和波速測試結(jié)果，獲得了鎳鐵渣、鋼纖維和熱循環(huán)次數(shù)對混凝土抗壓強度、抗拉強度和波速的影響規(guī)律；同時根據(jù)波速測試和強度測試結(jié)果建立了二者之間的關系式和一般化的損傷因子，并利用損傷因子對改性混凝土的損傷規(guī)律進行了分析。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗的膠凝材料為42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料為破碎的花崗巖，最大粒徑為20 mm。細骨料是天然河砂，細度模數(shù)為2.51；高爐鎳鐵渣的比重為3.49，吸水率為0.44%。試驗材料的基本特性見表1。鋼纖維的平均長度約為30 mm，縱橫比為60。鎳鐵渣和水泥的XRF的化學成分分析結(jié)果見表2。

表1 試驗材料Table 1 Experimental materials

表2 水泥和鎳鐵渣的化學成分Table 2 Chemical composition of cement and nickel-iron slag

1.2 鎳鐵渣和鋼纖維的摻量

現(xiàn)有的試驗[4,10]表明，鎳鐵渣的摻入可以有效地提高混凝土的工作性能、強度特性、抗硫酸鹽侵蝕和抗氯離子滲透的能力以及降低混凝土的干縮現(xiàn)象。但過多的鎳鐵渣對混凝土強度和體積的改善效果會減弱。根據(jù)類似的研究[2,4,10]，鎳鐵渣的最優(yōu)摻量范圍為25%～35%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，如圖1所示。因此，試驗采用的鎳鐵渣摻量為30%；參照類似的試驗[5,7-8]，鋼纖維的體積摻量設置分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%。

圖1 文獻[2,4,10]及試驗結(jié)果Fig.1 Literatures [2,4,10] and experimental results

1.3 試樣制備

根據(jù)水灰比將試樣分為兩組，其中組1的水灰比(W/C)為0.55，組2的水灰比為0.50。在此基礎上用鎳鐵渣取代30%的河砂，并按體積比分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%摻入鋼纖維，共計16種試樣。試樣分組和各種材料的摻量如表3所示。在按照配合比完成混凝土制備后，根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對拌合好的混凝土進行工作性能測試，結(jié)果表明試樣的坍落度范圍為40～90 mm。

表3 試驗分組及混凝土的配合比Table 3 Test group and material quality per unit volume of concrete

采用分批澆鑄的方法進行試樣澆筑，抗壓試驗試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體；劈裂試驗試樣為φ150 mm×300 mm的標準圓柱體。在澆筑過程中對試樣進行震動壓實，澆筑24 h后進行脫模、編號，并放入標準養(yǎng)護環(huán)境(溫度為(20±3) ℃，相對濕度≥90%)下養(yǎng)護28 d。

1.4 熱處理及抗壓強度測試

為了研究試樣的耐高溫性能，分別對16種試樣進行0次、25次和50次的熱循環(huán)處理。參照現(xiàn)有混凝土的高溫試驗[7,11-12]，熱循環(huán)的溫度設置為400 ℃。在養(yǎng)護28 d后，將試樣放入馬弗爐，從室溫(25 ℃)開始加熱并開始計時，到400 ℃后維持溫度8 h，之后停止加熱冷卻到室溫，以此作為一個熱循環(huán)。完成熱循環(huán)處理之后，進行后續(xù)的強度和波速測試。強度試驗采用RMT-201巖石與混凝土力學試驗機，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對試樣進行抗壓和劈裂測試，加載速度為0.5 MPa/s。

2 熱處理后混凝土的力學性能

試驗過程中，每種試樣均制備3個，取3個試樣測試結(jié)果的平均值作為最后的試驗結(jié)果，具體如下。

2.1 抗壓強度

鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響如圖2所示。由圖2(a)和圖2(b)可知，試樣的抗壓強度隨著鋼纖維的增加逐漸上升；且組2試樣的最大抗壓強度為61.5 MPa，大于組1試樣的最大抗壓強度。由圖2(c)和圖2(d)可知，鋼纖維和鎳鐵渣復摻試樣的強度呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，在鋼纖維為1.0%時達到峰值。其中，鋼纖維摻量為1.0%、水灰比為0.50的復摻試樣的抗壓強度達到了67.16 MPa;表明，1.0%的鋼纖維、30%的鎳鐵渣和0.50的水灰比可以明顯提高混凝土的抗壓強度。

圖2 鋼纖維摻量對抗壓強度的影響Fig.2 Influence of steel fiber content on compressive strength

熱循環(huán)對混凝土抗壓強度的影響如圖3所示。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的抗壓強逐漸降低；表明熱循環(huán)導致的強度退化具有累積和強化的效果。通過線性擬合可以發(fā)現(xiàn)，組1試樣的擬合線斜率平均值為-0.194 6，較組2試樣的擬合線斜率均值(-0.209 78)小；說明組2試樣對熱循環(huán)更加敏感。為了更清晰地顯示出熱循環(huán)導致的混凝土力學性能的退化，本文引入了抗壓強度降低率，其計算公式見式(1)。

圖3 抗壓強度隨著熱循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 Changes in compressive strength with numbers of thermal cycles

(1)

式中:Rc是抗壓強度的降低率；fc0是熱循環(huán)次數(shù)為0時的抗壓強度；fcn是經(jīng)過n次熱循環(huán)后試樣的抗壓強度。

Rc的范圍為：0～1,Rc值升高表明經(jīng)過n次熱循環(huán)之后試樣的強度退化程度大，反之則較小。試樣的抗壓強度降低率如圖4所示。由該圖可知，25次熱循環(huán)時兩組試樣的Rc實測范圍分別為：0.13～0.19(圖4(a)，0%鎳鐵渣)、0.13～0.16(圖4(b),30%鎳鐵渣)。而經(jīng)歷50次循環(huán)之后，試樣的Rc實測范圍達到了： 0.19～0.3(圖4(a)，0%鎳鐵渣)和0.19～0.28(圖4(a)，30%鎳鐵渣),再次說明熱循環(huán)具有累積和強化效應。此外，對比圖4(a)和圖4(b)可知，單摻鋼纖維時，其最優(yōu)摻量為1.5%；而復摻時，1-T30G1和2-T30G1試樣的強度降低最少 (見圖4(b))，此時鋼纖維體積比為1.0%。

圖4 鋼纖維摻量對抗壓強度降低率的影響Fig.4 Influence of steel fiber content on the compressive strength reduction rate

2.2 劈裂抗拉強度

鋼纖維對劈裂抗拉強度的影響如圖5所示。鋼纖維對混凝土的抗拉強度具有積極的影響；其中2-T30G1.5試樣的抗拉強度最大，為5.38 MPa, 如圖5(d)所示。

圖5 鋼纖維摻量對抗拉強度的影響Fig.5 Influence of steel fiber content on tensile strength

熱循環(huán)次數(shù)對抗拉強度的影響如圖6所示?；炷恋目估瓘姸入S熱循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且組1和組2試樣擬合線斜率非常接近，表明水灰比對抗拉強度的影響較弱。

圖6 熱循環(huán)對抗拉強度的影響Fig.6 Influence of thermal cycling on tensile strength

同抗壓強度降低率，抗拉強度降低率計算見式(2)。

(2)

式中：Rl是抗拉強度的降低率；fl0是未經(jīng)過熱循環(huán)的抗拉強度；fln是n次熱循環(huán)之后混凝土的抗拉強度。

圖7為鋼纖維對抗拉強度降低率的影響。結(jié)果表明(見圖7)，Rl隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大。但由圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，在25次熱循環(huán)時，含30%鎳鐵渣試樣的抗拉強度降低率小于不含鎳鐵渣試樣的強拉強度降低率；這說明鎳鐵渣對混凝土受熱循環(huán)后的抗拉強度有積極影響。

圖7 鋼纖維摻量對抗拉強度降低率的影響Fig.7 Influence of steel fiber content on reduction rate of tensile strength

2.3 鎳鐵渣對混凝土耐高溫性能的影響

在鋼纖維體積分數(shù)相同時，試樣的強度隨著鎳鐵渣的變化規(guī)律可以反映出鎳鐵渣對混凝土耐高溫特性的影響。因此，以抗壓強度計算的耐高溫系數(shù)Hch計算公式見式(3)。

(3)

式中：Hch的下標c和h分別表示抗壓強度和高溫;fc-T0為不含鎳鐵渣的試樣的抗壓強度；fc-T30含30%鎳鐵渣的抗壓強度。

試樣的耐高溫系數(shù)如圖8所示，除2-T30G1.5外，在添加30%的鎳鐵渣之后，試樣的耐高溫系數(shù)均大于0，表明，鎳鐵渣對混凝土的耐高溫特性有積極作用，且在鋼纖維摻量為0.5%～1.0%時，這一作用最為明顯。

同式(3)，以抗拉強度計算的耐熱系數(shù)Hlh計算公式見式(4)。

(4)

式中：Hlh的下標l和h分別表示抗拉強度和高溫;fl-T0為不含鎳鐵渣試樣的抗拉強度；fl-T30含30%鎳鐵渣試樣的抗拉強度。

以抗拉強度計算的耐高溫系數(shù)如圖9所示。對比圖8和圖9可以看出，雖然兩種方法獲得的耐高溫系數(shù)數(shù)值不同，但是對于組1，兩種計算方式獲得的耐高溫系數(shù)的變化規(guī)律基本相同。但對于組2，當鋼纖維摻量為1.0%時，鎳鐵渣的加入降低了試樣的耐高溫性能，這與利用抗壓強度計算的結(jié)果有所不同。綜合圖8和圖9的結(jié)果可知，鋼纖維的最優(yōu)摻量為0.5%～1.0%。

圖8 鎳鐵渣對試樣耐高溫系數(shù)的影響(按照抗壓強度計算)Fig.8 Influence of nickel-iron slag on temperature resistance coefficient (based on compressive strength)

圖9 鎳鐵渣對試樣耐高溫系數(shù)的影響(按照抗拉強度計算)Fig.9 Influence of nickel-iron slag on temperature resistance coefficient (based on tensile strength)

3 波速測試及損傷分析

熱循環(huán)會使得混凝土產(chǎn)生損傷，其損傷程度可以通過強度的退化反映出。材料的損傷也會影響壓縮波的傳播速度，且損傷越嚴重，波速越慢[12-13]。因此本文對熱處理之后的試樣進行超聲波速測試，并結(jié)合強度測試結(jié)果對試樣的高溫損傷規(guī)律進行分析。

3.1 超聲波速測試結(jié)果

鋼纖維對超聲波速的影響如圖10所示。單摻鋼纖維時，混凝土的波速隨著鋼纖維的增加而增加；復摻時，當鋼纖維體積分數(shù)<1.0%時，試樣的波速呈上升趨勢；但當鋼纖維體積分數(shù)>1.0%時， 波速出現(xiàn)了下降；這一規(guī)律與圖2中的規(guī)律相同；再次說明鋼纖維的最優(yōu)摻量為1.0%。

超聲波速隨著熱循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖11所示。當鋼纖維和鎳鐵渣摻量不變時，超聲波速隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且從0次到25次時波速下降最快；之后逐漸放緩。此外，相同熱循環(huán)次數(shù)下，組1試樣的波速均低于組2。這一現(xiàn)象可能是由組1的水灰比高，含有更多水分，孔隙也相對更多，受熱后水分蒸發(fā)；而聲波在空氣中的傳播速度低于水中的傳播速度，使波速下降。

綜合圖2、圖3、圖5、圖6、圖10和圖11，可以發(fā)現(xiàn)波速測試結(jié)果與強度測試結(jié)果的變化規(guī)律基本相同。

圖10 鋼纖維摻量對超聲波速的影響Fig.10 Influence of steel fiber content on ultrasonic velocity

圖11 熱循環(huán)對超聲波速的影響Fig.11 Influence of thermal cycling on ultrasonic velocity

3.2 強度-超聲波速關系

在利用熱循環(huán)次數(shù)為0時的強度和波速對熱循環(huán)后的試樣的強度和波速進行歸一化處理，之后根據(jù)部分試驗結(jié)果擬合得出了強度和超聲波的歸一化線性關系，具體關系見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中:fc、fl和v分別代表抗壓強度、抗拉強度和超聲波速；下標n和0分別代表n次和0次熱循環(huán)。

上述關系計算的結(jié)果和試驗結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，所有的試驗結(jié)果均集中于上述關系式以ΔY=0.03進行上下移動所包含的范圍內(nèi)，表明上述表達式能夠較好地反映出波速和強度之間的關系。

圖12 強度和波速間的關系Fig.12 Relationship between strength and wave speed

3.3 基于波速測試的熱損傷分析

混凝土損傷最常見的表示方法是利用強度或者剛度的退化率來反映，也有學者[14]用超聲波速來表示損傷因子。因此本文提出一個一般化的熱損傷因子D表達式，如式(7)所示。

(7)

式中:Pn和P0分別為熱循環(huán)損傷后和損傷前混凝土的物理力學參數(shù)。該參數(shù)可以是強度、剛度、波速，也可以是體積、質(zhì)量等。

利用式(7)計算出不同熱循環(huán)次數(shù)下試樣的波速損傷因子(即P為波速)，然后得到平均損傷因子隨熱循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。圖13為不同參數(shù)與循環(huán)次數(shù)間的關系，其中包括基于波速的損傷因子(Dv)曲線。由vn/v0(熱循環(huán)n次后的波速與熱循環(huán)0次的波速之比)和Dv曲線可知，波速損傷為先快后慢，說明在熱循環(huán)早期(0～25次)，混凝土會產(chǎn)生明顯的損傷；但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，熱循環(huán)的損傷效應逐漸變?nèi)?。類似地，利用強度結(jié)果和式(7)計算出抗壓強度損傷因子(Dc)和抗拉強度損傷因子(Dl)，見圖13；對比三個損傷因子的變化情況可知熱循環(huán)敏感性順序為：波速>抗拉強度>抗壓強度。

圖13 不同參數(shù)與循環(huán)次數(shù)間的關系Fig.13 Relationship between different parameters and number of cycles

不同試樣的波速損傷因子如圖14所示。通過對比可知鋼纖維對混凝土耐高溫特性的改善效果大于鎳鐵渣；同時，較低的水灰比有利于降低混凝土的受熱損傷。

圖14 各因素對熱循環(huán)損傷的影響規(guī)律Fig.14 Influence of various factors on thermal cycle damage

4 結(jié) 論

通過對高溫處理后的鎳鐵渣和鋼纖維改性混凝土進行強度測試，分析了鎳鐵渣、鋼纖維和熱循環(huán)對混凝土力學特性的影響。同時，采用超聲波速測試研究了超聲波速隨著鋼纖維和熱循環(huán)的變化規(guī)律；并根據(jù)波速測試和力學試驗結(jié)果對混凝土熱循環(huán)的損傷規(guī)律進行分析，得出了如下結(jié)論：

(1)加入30%鎳鐵渣的可以提高混凝土的強度和耐熱性。

(2)鋼纖維的加入也有利于混凝土的強度特性和耐熱性，但過多的鋼纖維會對混凝土的強度和耐熱性產(chǎn)生負面影響，本文建議的最優(yōu)摻量為0.5%～1.0%。

(3)混凝土的抗壓強度和抗拉強度均隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而降低，表明熱循環(huán)對混凝土力學特性的退化具有累積效應。

(4)波速測試結(jié)果表明超聲波速隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而降低；與強度試驗結(jié)果具有相同的規(guī)律?；诖?，建立了波速與強度的經(jīng)驗關系。

(5)通過建立一般化的損傷因子表達式，獲得了由不同參數(shù)計算的損傷因子。對比表明波速對熱循環(huán)的敏感性最強，抗拉強度次之，抗壓強度最弱。同時，對熱循環(huán)損傷的改善效果鋼纖維>鎳鐵渣；低水灰比>高水灰比。