田耀剛,黃顯龍，路 鑫,3，閻寶寶，覃 超，卯愛(ài)軍，魯 濤，張 軍

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，西安 710064；3.西安公路研究院，陜西 西安 710065；4.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430050；5.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710064))

0 引 言

活性粉末混凝土(RPC)又稱超高性能混凝土(UHPC)，是由Richard等將均勻排列的超細(xì)顆粒致密體系與纖維增強(qiáng)材料相結(jié)合所開發(fā)的一種具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異耐久性和高斷裂能的創(chuàng)新混凝土[1]。目前，RPC已被用于核電工程[2]、交通工程[3]與民用建筑[4]，這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到高溫作用。但RPC與普通混凝土相比滲透率較低并且微觀結(jié)構(gòu)更加致密，這使得RPC在高溫作用下內(nèi)部水汽被“堵塞”無(wú)法逸出，導(dǎo)致RPC爆裂剝落,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)對(duì)人的生命與財(cái)產(chǎn)安全還具有巨大威脅[5]。與普通混凝土相比，RPC還存在生產(chǎn)成本過(guò)高(單位體積約為普通混凝土的4倍)、養(yǎng)護(hù)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，這也極大地限制了RPC的使用和發(fā)展[6]。Tang Manchung等[7]也指出RPC未來(lái)發(fā)展依賴于可操作性和成本這兩個(gè)突破點(diǎn)。

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦后產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物。由于對(duì)鋼鐵和相關(guān)行業(yè)的需求不斷增加，我國(guó)鐵尾礦年產(chǎn)量近6億噸，但利用率卻僅為7%[8]。未被有效利用的鐵尾礦往往以自然堆積的方式儲(chǔ)存在尾礦壩中,這不僅占用大量土地，而且尾礦壩的建設(shè)和維護(hù)也同樣需要相當(dāng)大的成本。此外，鐵尾礦壩周邊還存在地下水污染、揚(yáng)塵污染和土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用裆眢w健康[9]。因此鐵尾礦無(wú)害資源化處理已刻不容緩。近年來(lái)，一些學(xué)者將鐵尾礦應(yīng)用到RPC中，并取得一定研究成果。SujingZhao等[10]研究了在兩種不同養(yǎng)護(hù)條件下使用鐵尾礦替代天然細(xì)骨料制備UHPC可行性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵尾礦替代量不大于40%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d后尾礦混凝土力學(xué)性能與對(duì)照混凝土相當(dāng)。Zhang Weifeng等[11]研究了鐵尾礦對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度和滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵尾礦替代量不大于40%時(shí)，可提高UHPC抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。田耀剛等[12]采用鐵尾礦替代石英砂在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下設(shè)計(jì)制備RPC，研究其引入對(duì)RPC工作性能、強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦降低RPC流動(dòng)度和28 d強(qiáng)度，但取代率不大于30%時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度仍能超過(guò)130 MPa并且對(duì)內(nèi)部水泥水化無(wú)明顯影響?，F(xiàn)有鐵尾礦制備RPC研究大多針對(duì)工作性能、力學(xué)性能和微觀性能展開，而對(duì)其高溫性能研究較少。

鑒于此，本文以固體廢棄物鐵尾礦為原材料，取代常規(guī)制備RPC所用價(jià)格昂貴石英砂，并采用常規(guī)養(yǎng)護(hù)制備RPC，研究高溫對(duì)不同摻量鐵尾礦制備RPC表觀特征、質(zhì)量損失率、抗壓與抗折強(qiáng)度、阻尼性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級(jí)水泥；硅灰：密度2.204 g/cm3，比表面積18 500 cm2/g，上述兩種材料主要化學(xué)成分見表1。石英砂：粒徑20～80目，SiO2含量大于98%，表觀密度2.630 g/cm3。鐵尾礦：粒徑小于1.18 mm，表觀密度2.745 g/cm3，其礦物成分如圖1所示。減水劑：聚羧酸減水劑，減水率30%，固含量29%。鋼纖維：鍍銅鋼纖維，長(zhǎng)度13～14 mm，直徑0.22 mm，抗拉強(qiáng)度大于2 850 MPa，密度為7.850 g/cm3。

表1 水泥、硅灰主要化學(xué)成分Table 1 The main chemical components of cement and silica

圖1 鐵尾礦XRD譜圖Fig 1 XRD pattern of iron tailings

1.2 配合比及試件制備

基于先前研究[12]，采用基準(zhǔn)配合比m水∶m水泥∶m硅灰∶m石英砂=0.2∶1∶0.25∶1.375，減水劑用量為膠凝材料質(zhì)量2.5%，纖維摻量為試件體積2%，鐵尾礦取代石英砂0%、30%、60%和100%制備RPC-0、RPC-30、RPC-60與RPC-100。試件制作時(shí)，首先將纖維投入石英砂中干攪3 min，加入水泥和硅灰繼續(xù)干攪2 min使鋼纖維分布均勻，加入高性能減水劑和一半水?dāng)噭?dòng)2 min后加入剩余水繼續(xù)攪動(dòng)3 min即得RPC砂漿。拌和好的RPC裝入40 mm×40 mm×160 mm模具中振動(dòng)成型，24 h拆模標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)高溫及強(qiáng)度試驗(yàn)

高溫處理前，為避免濕度過(guò)大導(dǎo)致RPC升溫過(guò)程中發(fā)生爆裂，將養(yǎng)護(hù)28 d的RPC放入105 ℃烘箱預(yù)干燥24 h。干燥后放入SX2-4-10型箱式電阻爐內(nèi)并以10.0 ℃/min的升溫速率將爐內(nèi)溫度分別升至200、400、600和800 ℃。為確保目標(biāo)溫度在試樣內(nèi)部均勻分布，將試樣在目標(biāo)溫度下恒溫保持2 h后關(guān)閉電源，待爐冷卻至室溫后取出試件并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。抗壓與抗折試驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—2005)進(jìn)行。

(2)阻尼試驗(yàn)

本文采用懸臂梁沖擊作用下自由振動(dòng)研究試件阻尼比。將標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期的試件一端固定，利用試驗(yàn)力錘對(duì)試件施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)荷載，使用INV3062T型阻尼比測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分析，測(cè)試簡(jiǎn)圖如圖2所示。采用半功率帶寬法計(jì)算阻尼比，計(jì)算公式為：

圖2 阻尼測(cè)試簡(jiǎn)圖Fig 2 Schematic diagram of damping test

式中，ξ為阻尼比，ω1和ω2為共振峰值0.707倍對(duì)應(yīng)頻率，Hz；ω0為共振頻率，Hz。每個(gè)試件重復(fù)進(jìn)行3次阻尼試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

(3)SEM與XRD試驗(yàn)

將高溫試驗(yàn)后的試樣去除表面并破碎，浸泡于無(wú)水乙醇中終止水化，3 d后取出放入40 ℃烘箱中烘干至恒重。干燥噴金后，采用日立S-4800掃描電子顯微鏡觀察試樣微觀形貌；磨粉過(guò)200目篩后，采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀進(jìn)行XRD分析，掃描步長(zhǎng)0.02°(2θ)，掃描范圍2θ=5～70°，掃描時(shí)間30 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦RPC高溫后表觀特征

RPC經(jīng)歷高溫后，化學(xué)反應(yīng)會(huì)使顏色發(fā)生轉(zhuǎn)變，骨料與鋼纖維熱膨脹系數(shù)不同會(huì)使敲擊聲音發(fā)生改變并出現(xiàn)裂紋，氧化作用會(huì)使表面的鋼纖維變脆并發(fā)黑，水蒸汽逸出則會(huì)使電阻爐內(nèi)有白煙逸出。表2記錄了各組試驗(yàn)的高溫作用現(xiàn)象及RPC高溫后的表觀特征。

表2 RPC高溫后表觀特征及試驗(yàn)現(xiàn)象Table 2 The apparent characteristics and experimental phenomena of RPC at different temperatures

2.2 鐵尾礦RPC高溫后質(zhì)量損失率

圖3為鐵尾礦RPC在不同溫度下的質(zhì)量損失率。由圖3可知，鐵尾礦RPC高溫后質(zhì)量損失率變化與RPC-0相似，均隨溫度升高逐漸增大。20～200 ℃時(shí)，RPC內(nèi)部物理結(jié)合水與毛細(xì)水蒸發(fā)，并且105 ℃后，部分化學(xué)結(jié)合水因水化反應(yīng)而散失，造成質(zhì)量損失[13]。200～400 ℃時(shí)，RPC質(zhì)量出現(xiàn)較大幅度損失，這是由于部分C-S-H凝膠脫水所致。400～600 ℃時(shí)，RPC質(zhì)量損失降幅較為平緩，內(nèi)部不再含有蒸發(fā)水，質(zhì)量損失主要來(lái)源于CH分解[14]。600～800 ℃時(shí)，RPC質(zhì)量損失又出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，這主要來(lái)源于C-S-H凝膠、碳酸鈣和石英砂分解[15]。此外，由圖3可知，隨著鐵尾礦摻量增加RPC質(zhì)量損失率提高，經(jīng)歷800 ℃后，RPC-0質(zhì)量損失為9.2%，RPC-100質(zhì)量損失為9.9%，這是由于鐵尾礦相對(duì)于天然骨料在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出強(qiáng)烈不穩(wěn)定性，溫度為450 ℃時(shí)鐵尾礦開始分解而石英砂在650 ℃時(shí)才開始[16]。

圖3 RPC不同溫度下質(zhì)量損失率Fig 3 Mass loss rate of RPC at different temperatures

2.3 鐵尾礦RPC高溫后強(qiáng)度

圖4為鐵尾礦RPC在不同溫度下的強(qiáng)度。由圖4(a)可知，鐵尾礦RPC高溫后抗壓強(qiáng)度變化與RPC-0相似，均隨溫度升高先略微提高后大幅下降。200 ℃時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度略有提升，這是由于RPC中水分被加熱蒸發(fā)使其干燥硬化，同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的水分可使RPC內(nèi)部形成“高壓反應(yīng)釜”，使部分未反應(yīng)水泥進(jìn)一步水化[17]。400 ℃時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度小幅下降，這是由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致RPC基體中出現(xiàn)部分微裂紋和孔隙。600 ℃時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步下降，一方面歸因于C-S-H鍵斷裂與CH分解后吸水膨脹，另一方面歸因于石英從α形式轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦问?，使RPC發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致骨料與水泥石之間粘合被破壞[18]。當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，RPC發(fā)生開裂，抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重劣化，這主要由于高溫下骨料與鋼纖維不均勻膨脹[19]。此外，由圖4(a)可知，隨著鐵尾礦替代率升高抗壓強(qiáng)度下降，這是由于鐵尾礦加入使集料中細(xì)粒徑顆粒含量增加，級(jí)配性能變差，并且鐵尾礦與石英砂相比表面粗糙內(nèi)部缺陷較多，RPC內(nèi)部水化反應(yīng)程度不均勻[12]。

圖4(b)為鐵尾礦RPC在不同溫度下的抗折強(qiáng)度。由圖4(b)可知，當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，所有RPC抗折強(qiáng)度都會(huì)迅速降低，一方面歸因于高溫條件下骨料逐漸失去互鎖性，另一方面水蒸氣逸出會(huì)使基體產(chǎn)生更多微裂紋。鐵尾礦RPC在高溫下抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度結(jié)果相似，隨鐵尾礦摻量增加逐漸下降。當(dāng)溫度為600 ℃時(shí)，RPC-0保留了20 ℃抗折強(qiáng)度的60.4%而RPC-30、RPC-60與RPC-100分別保留了20 ℃抗折強(qiáng)度的57.0%、56.3%與54.4%，這是由于隨著鐵尾礦取代率的增加，RPC水泥基體強(qiáng)度降低，水泥基體與鋼纖維之間粘結(jié)力下降[12]。然而，當(dāng)溫度為800 ℃時(shí)，RPC發(fā)生開裂，無(wú)論是否摻有鐵尾礦，抗折強(qiáng)度均小于20 ℃抗折強(qiáng)度的30%。

圖4 RPC不同溫度下強(qiáng)度Fig 4 Strength of RPC at different temperatures

2.4 鐵尾礦RPC高溫后阻尼比

圖5為鐵尾礦RPC在不同溫度下的阻尼比。由圖5可知，200 ℃時(shí)，RPC阻尼比基本不變，隨著溫度繼續(xù)升高，阻尼比持續(xù)增大。內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間甚至相之間產(chǎn)生的摩擦和振動(dòng)被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是混凝土材料受到振動(dòng)時(shí)阻尼耗能機(jī)理[20]。RPC經(jīng)歷溫度高于200 ℃時(shí)，蒸汽逸出、骨料與纖維膨脹分解會(huì)使得骨料與水泥漿體以及水泥漿體之間產(chǎn)生大量微裂紋和孔隙。當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，微裂紋產(chǎn)生閉合、擴(kuò)張、滑移，從而使振動(dòng)能被衰減。此外，由圖5可知，隨著鐵尾礦替代率升高，RPC阻尼比略有提高。鐵尾礦不僅本身多棱角、孔隙率高還會(huì)使水化反應(yīng)程度不均勻，從而增加RPC中微裂紋與不規(guī)則孔隙數(shù)量。當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，不規(guī)則孔隙周邊會(huì)發(fā)生塑性變形與滑移從而消耗振動(dòng)能量；孔隙內(nèi)空氣會(huì)產(chǎn)生收縮與膨脹變形，使外載做功轉(zhuǎn)化為空氣摩擦熱能而耗散。

圖5 RPC不同溫度下阻尼比Fig 5 Damping ratio of RPC at different temperatures

2.5 鐵尾礦RPC高溫后微觀結(jié)構(gòu)

不同鐵尾礦摻量RPC高溫后微觀結(jié)構(gòu)變化相似。以RPC-30為例分析鐵尾礦RPC高溫微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。圖6為RPC-30在不同溫度下XRD譜圖。由圖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，其中石英峰強(qiáng)度最高，這是由于石英砂與鐵尾礦中均含有大量石英成分。CH峰強(qiáng)度在20～400 ℃隨溫度升高逐漸降低，這是由于高溫促進(jìn)火山灰反應(yīng)，使CH轉(zhuǎn)化為C-S-H，這個(gè)過(guò)程解釋了為什么RPC-30在200 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度可以提高。當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，CH分解為CaO，導(dǎo)致CH峰完全消失。

圖6 RPC-30不同溫度下XRD譜圖Fig 6 XRD patterns of RPC-30 at different temperatures

圖7為RPC-30不同溫度下的SEM圖。由圖7可知，20 ℃下RPC-30內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整致密，主要由連續(xù)塊狀C-S-H凝膠組成，同時(shí)包含少量CH與未水化膠凝材料。200 ℃時(shí)，RPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完整致密，這主要由于物理吸附水與毛細(xì)水蒸發(fā)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)與火山灰反應(yīng)，生成更多C-S-H凝膠。此外，這消耗了對(duì)強(qiáng)度不利的CH，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度與20 ℃相比略有提高。400 ℃時(shí)，試樣表面出現(xiàn)少量裂紋，這是由于自由水與結(jié)合水蒸發(fā)逸出。600 ℃時(shí)，RPC微觀結(jié)構(gòu)松動(dòng)，C-S-H凝膠從膠結(jié)連續(xù)相轉(zhuǎn)變成相對(duì)獨(dú)立的分散相，裂紋和孔隙率數(shù)量增加，這是由于CH分解與C-S-H凝膠脫水，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度明顯下降。800 ℃時(shí)，RPC基體結(jié)構(gòu)呈破碎蜂窩狀，有大量微裂紋和孔洞，這是由于C-S-H凝膠完全脫水分解，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度與20 ℃相比下降近75%。

圖7 RPC-30不同溫度下SEM圖Fig 7 SEM diagram of RPC-30 at different temperatures

3 結(jié) 論

(1)隨溫度和鐵尾礦摻量提高，RPC質(zhì)量損失增加，表面裂紋增多；各組RPC經(jīng)歷高溫后顏色變化基本相同，均由青灰色依次轉(zhuǎn)變?yōu)樽睾稚⒒液谏?、黃白色。

(2)隨著經(jīng)歷溫度不斷增加，鐵尾礦RPC抗壓與抗折強(qiáng)度先小幅提高后大幅降低，阻尼比逐漸提高；隨著鐵尾礦替代率增加，RPC抗壓與抗折強(qiáng)度逐漸降低，阻尼比略有提高。

(3)高溫作用改變了鐵尾礦RPC內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，隨著溫度升高，鐵尾礦RPC內(nèi)部CH峰強(qiáng)度逐漸降低直至消失，C-S-H凝膠從膠結(jié)連續(xù)相轉(zhuǎn)變成相對(duì)獨(dú)立的分散相，裂紋和孔隙率數(shù)量增加，導(dǎo)致RPC宏觀強(qiáng)度損失增大。