劉財(cái)山，陳振富，2，3，吳旦，2，3，陶秋旺，2，3，謝利平

（1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001；2.高性能混凝土湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽(yáng) 421001；3.中核建核電土木工程與智能建筑結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽(yáng) 421001；4.中國(guó)核工業(yè)第二十二建設(shè)有限公司，湖北武漢 430051）

0 引 言

混凝土因其廉價(jià)、良好的力學(xué)性能與耐久性以及可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為使用最廣的人工建筑材料之一。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、工作性能等需求生產(chǎn)出不同類(lèi)型的混凝土，防輻射混凝土就是其中一種。防輻射混凝土對(duì)X 射線、γ 射線和快中子具有良好的衰減性能[1-3]，因此被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆容器、核廢物儲(chǔ)存與處理建筑、醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施、人防工程以及其他重大的國(guó)防工程[4]。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用重晶石和磁鐵礦等高密度礦石作為粗細(xì)骨料，同時(shí)引入充分?jǐn)?shù)量的結(jié)晶水和含輕元素的化合物及其摻合料[5-6]，高密度的骨料可以屏蔽γ 射線，含輕元素的化合物能有效捕捉中子且不產(chǎn)生二次γ 射線。

然而，在防輻射混凝土服役期間，由于蒸汽的產(chǎn)生與處理、意外事故、核反應(yīng)堆系統(tǒng)高溫部分傳遞的熱量以及γ 射線和中子射線衰減產(chǎn)生的熱量等作用[7-10]，會(huì)導(dǎo)致其暴露在高溫環(huán)境下，如核電廠的防輻射混凝土，在正常工況下溫度基本為60～120 ℃[11]。由于混凝土的熱惰性，內(nèi)部會(huì)形成較大梯度的熱應(yīng)力，造成混凝土劣化，進(jìn)而影響其力學(xué)性能及屏蔽性能。研究表明[12-15]，摻入鋼纖維可以改善混凝土的導(dǎo)熱性，從而有效降低混凝土內(nèi)部溫度梯度，對(duì)混凝土中裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展起到了抑制作用。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)[16]：重晶石混凝土相比磁鐵礦混凝土屏蔽性能較好且成本便宜，但高溫后劣化較為嚴(yán)重。因此，本研究通過(guò)改變鋼纖維的體積摻量（0、0.5%、1.0%、1.5%）來(lái)探究重晶石混凝土（BC）在不同溫度后（25、105、200、300、400 ℃）的質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及超聲波波速的變化，并建立了高溫作用后鋼纖維重晶石混凝土（SFBC）的損傷演化曲線和超聲波波速與強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：海螺牌P·O42.5 水泥，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 水泥的主要化學(xué)成分%

表2 水泥的物理力學(xué)性能

（2）骨料：重晶石骨料來(lái)自湖南衡陽(yáng)。原石洗滌干燥后，使用標(biāo)準(zhǔn)方孔篩篩選，剔除片狀和針狀，其余裝袋備用。試驗(yàn)所用粗骨料的最大粒徑為20 mm，由5~10 mm、10~16 mm 和16~20 mm 的粗骨料按12∶10∶3 的質(zhì)量比混合而成。細(xì)骨料由粗骨料破碎得到，最大粒徑為5 mm。骨料的主要化學(xué)成分、基本性能和外觀特征分別見(jiàn)表3、表4 和圖1。

圖1 重晶石骨料的外觀特征

表3 骨料的主要化學(xué)成分%

表4 骨料的基本性能

（3）鋼纖維：波浪型，基本性能見(jiàn)表5。

表5 鋼纖維的基本性能

（4）水：自來(lái)水。

1.2 配合比及試樣制備

為獲得實(shí)際應(yīng)用中的防輻射混凝土，考慮到砂漿中結(jié)晶水含量有助于提高混凝土的屏蔽性能，因此，在防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水泥用量大于350 kg/m3[17-18]，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定重晶石混凝土的配合比如表6 所示。

表6 重晶石混凝土的配合比

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)并制備100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊100 塊，每個(gè)纖維摻量制作25 塊，進(jìn)行25、105、200、300、400 ℃高溫試驗(yàn)各5 塊。試件完成后24 h 脫模，然后將其放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d?；炷猎嚰B(yǎng)護(hù)完成后，將其放置于干燥通風(fēng)處?kù)o置14 d，隨后放入干燥箱[溫度（105±5）℃]中2 d。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高溫加熱試驗(yàn)

試件采用爐膛尺寸為600 mm×600 mm×600 mm 的馬弗爐進(jìn)行加熱，為確保試塊6 面受火加熱均勻，爐內(nèi)采用耐火磚和鋼網(wǎng)將試塊架空（見(jiàn)圖2）。所有重晶石混凝土試塊均分批次從常溫（25 ℃）開(kāi)始加熱，以5 ℃/min 的升溫速率加熱至目標(biāo)溫度（105、200、300、400 ℃）后恒溫1 h，以使試塊內(nèi)外溫度趨于一致，待爐內(nèi)溫度自然冷卻至常溫，將試塊取出以保鮮膜包裹備用。

圖2 重晶石混凝土試塊高溫加熱試驗(yàn)

1.3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

重晶石混凝土的抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)儀器為WAW-EY1000C 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min。

1.3.3 超聲測(cè)試

采用ZBL-U520（510）非金屬超聲檢測(cè)儀在高溫后對(duì)混凝土試件進(jìn)行超聲波無(wú)損測(cè)試，試驗(yàn)方法按照CECS 21—2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫后試件的質(zhì)量損失率

高溫后重晶石混凝土的質(zhì)量損失率如表7 所示。

表7 高溫后重晶石混凝土的質(zhì)量損失率

由表7 可見(jiàn)，隨著受火溫度的升高，重晶石混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大；且隨著鋼纖維的摻入，對(duì)質(zhì)量損傷有輕微減少，這是因?yàn)殇摾w維的添加對(duì)裂縫發(fā)展有一定的抑制作用，可能會(huì)阻礙高溫下水分的蒸發(fā)，然而因?yàn)樗值恼舭l(fā)并不依賴(lài)于寬裂縫的形成，所以摻入鋼纖維不會(huì)對(duì)質(zhì)量損失有顯著影響[19]。105 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率為2.28%~2.32%，重晶石混凝土質(zhì)量損失為試塊內(nèi)部的自由水蒸發(fā)；105~200 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率隨受火溫度的升高變化幅度較為平緩，這是因?yàn)榻?jīng)歷烘干后的試塊已經(jīng)達(dá)到干燥狀態(tài)；200~300 ℃時(shí)，質(zhì)量損失開(kāi)始增大，此時(shí)試塊內(nèi)部分結(jié)合水開(kāi)始分解蒸發(fā)；300~400 ℃時(shí)，重晶石混凝土試塊質(zhì)量損失急劇增大，未摻鋼纖維的重晶石混凝土質(zhì)量損失率達(dá)到24.13%，但摻1.0%鋼纖維的重晶石混凝土質(zhì)量損失率僅為11.00%。這是由于混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物中結(jié)晶水的蒸發(fā)及重晶石骨料結(jié)構(gòu)性質(zhì)共同作用引起的[20]。此時(shí)未摻鋼纖維的重晶石混凝土質(zhì)量損失遠(yuǎn)超摻鋼纖維的試塊，這是因?yàn)樵噳K內(nèi)部溫度梯度較大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時(shí)由于重晶石骨料的層狀微裂結(jié)構(gòu)，內(nèi)部部分或完全填充了熱敏性物質(zhì)（如沸石等）[21]，在300~450 ℃時(shí)，重晶石骨料中熱敏物質(zhì)結(jié)晶水的排出[22]，蒸汽引起骨料膨脹，導(dǎo)致混凝土試塊炸裂、外皮掉落嚴(yán)重；而摻入鋼纖維可以改善混凝土導(dǎo)熱性能，降低試塊內(nèi)部溫度梯度從而減小熱應(yīng)力，且鋼纖維與水泥基體粘結(jié)可增強(qiáng)混凝土韌性，約束骨料膨脹，減緩混凝土試塊炸裂。

2.2 抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度

高溫后鋼纖維重晶石混凝土的殘余抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度分別見(jiàn)表8、表9。

表8 高溫后重晶石混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度

表9 高溫后重晶石混凝土的殘余劈裂抗拉強(qiáng)度

由表8 可知：

（1）重晶石混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度隨著受火溫度的升高而逐漸降低，摻入鋼纖維后，重晶石混凝土殘余抗壓強(qiáng)度明顯提高，其中鋼纖維摻量為1.0%的重晶石混凝土在各受火溫度時(shí)的殘余抗壓強(qiáng)度均最高，在常溫下較未摻纖維的重晶石混凝土提高了14.53%，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后提高了51.56%。其原因可能是重晶石混凝土中摻入鋼纖維可抑制裂縫開(kāi)展，對(duì)提高重晶石混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度、降低強(qiáng)度損失率有顯著作用[23-24]。隨著鋼纖維摻量的增加，常溫下重晶石混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高后降低趨勢(shì)，這是因?yàn)檫m量的鋼纖維可以在混凝土中均勻分布，其構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能有效抵抗混凝土內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生，但隨著摻量的繼續(xù)增加，鋼纖維在混凝土內(nèi)部無(wú)法均勻分散，互相糾結(jié)成團(tuán)，水泥漿體無(wú)法進(jìn)入，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成應(yīng)力集中破壞點(diǎn)，使得抗壓強(qiáng)度降低。

（2）200 ℃之前，各組混凝土殘余抗壓強(qiáng)度隨受火溫度升高下降較為平緩，降幅最大的為鋼纖維摻量1.5%的重晶石混凝土（16.46%）；未摻鋼纖維的重晶石混凝土在200 ℃后強(qiáng)度下降加快，而摻入鋼纖維將重晶石混凝土在高溫后的強(qiáng)度下降延緩到了300 ℃之后。

（3）鋼纖維的摻入有利于提高重晶石混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度，但在常溫下對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小，而對(duì)試塊起加固作用，抗壓破壞模式從脆性變?yōu)檠有?。鋼纖維摻量是影響抗壓強(qiáng)度的重要因素，體積摻量為1.0%的鋼纖維對(duì)重晶石混凝土抗壓強(qiáng)度的提高最顯著。

由表9 可見(jiàn)：

（1）重晶石混凝土的殘余劈裂抗拉強(qiáng)度隨受火溫度的升高而降低，且隨著鋼纖維摻量的增加而提高。在常溫下（25 ℃），鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻時(shí)分別提高了23.57%、56.05%、89.17%；經(jīng)歷400 ℃高溫作用后，鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻時(shí)分別提高了289.66%、344.83%、475.86%，劈裂抗拉強(qiáng)度增幅顯著。其原因是鋼纖維的摻入增強(qiáng)了水泥基體的韌性，從而提高了重晶石混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

（2）未摻鋼纖維的普通重晶石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在高溫作用后驟降，且在300~400 ℃時(shí)下降最快，這是因?yàn)橹鼐橇吓蛎浾褑适?qiáng)度，同時(shí)與水泥基體交界處產(chǎn)生裂縫，劈拉強(qiáng)度快速下降；而摻入鋼纖維的重晶石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降速度明顯減緩，特別是在400 ℃時(shí)，摻1.5%鋼纖維的殘余劈裂抗拉強(qiáng)度是未摻時(shí)的5.76 倍，這表明鋼纖維對(duì)緩解高溫對(duì)重晶石混凝土殘余強(qiáng)度的不利影響是有效的。

2.3 超聲波無(wú)損檢測(cè)

高溫作用后SFBC 的超聲波波速見(jiàn)表10。本文引用高溫作用下?tīng)奚炷恋膿p傷度D計(jì)算公式[25][見(jiàn)式（1），僅適用于高溫自然冷卻后的混凝土]。高溫后SFBC 的相對(duì)波速和損傷度分別見(jiàn)圖3、圖4，通過(guò)相對(duì)波速和損傷度2 個(gè)參數(shù)與溫度的關(guān)系間接分析評(píng)價(jià)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化損傷程度。

圖3 高溫后SFBC的相對(duì)波速

圖4 高溫后SFBC的損傷度

表10 高溫后重晶石混凝土的超聲波波速

式中：V——SFBC 常溫下（25 ℃）的初始超聲波波速，km/s；

VT——不同溫度后SFBC 的超聲波波速，km/s。

由表10 可知，在常溫下，SFBC 的超聲波波速均比未摻入鋼纖維的重晶石混凝土高；SFBC 的超聲波波速均隨溫度的升高而降低。這主要是因?yàn)殇摾w維的加入有助于減少混凝土內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生，而高溫作用后，混凝土內(nèi)部缺陷增多，鋼纖維與基體界面過(guò)渡區(qū)裂紋、孔洞增多，基體變疏松，超聲波波速不斷降低[26]。

由圖3 可知，SFBC 的相對(duì)波速隨溫度的升高而逐漸降低。在200 ℃之前，SFBC 的相對(duì)波速下降較為平緩，下降幅度在11.17%~16.36%，SFBC 相對(duì)波速的降幅在300 ℃時(shí)開(kāi)始變大，在400 ℃時(shí)降幅急劇增大（最小為SFBC-1.0 的41.88%）。

綜合圖3、圖4 可以看出，由于高溫作用下混凝土水化產(chǎn)物[C-S-H、Ca（OH）2等]的大量分解及骨料膨脹的各向異性，SFBC 的最大劣化發(fā)生在300~400 ℃；而摻入鋼纖維可以減緩損傷，但摻量過(guò)低時(shí)效果并不顯著，摻量過(guò)多時(shí)因鋼纖維在混凝土中無(wú)法均勻分布而影響效果，1.0%為鋼纖維較優(yōu)摻量。

2.3.2 超聲波波速與強(qiáng)度的關(guān)系

為加強(qiáng)日常的運(yùn)行與管理，保證工程的良性運(yùn)行，避免因職能設(shè)置混亂、相互扯皮及人員分工的不合理造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失而影響日常的正常通水要求，應(yīng)建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度、完善職能分工和搞好人員的優(yōu)化配置。

圖5、圖6 為高溫后SFBC 相對(duì)波速（VT/V25）分別與相對(duì)抗壓強(qiáng)度（fc，T/fc，25）和相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度（ft，T/ft，25）的關(guān)系，并選取合適的函數(shù)[見(jiàn)式（2）、式（3）]進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表11。

圖5 高溫后SFBC 相對(duì)波速與相對(duì)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 高溫后SFBC 相對(duì)波速與相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

表11 高溫后SFBC超聲波波速與力學(xué)性能擬合結(jié)果

式中：fc，T——SFBC 在不同溫度作用后的抗壓強(qiáng)度，MPa；

fc，25——25 ℃時(shí)SFBC 的抗壓強(qiáng)度，MPa；

ft，T——SFBC 在不同溫度作用后的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

ft，25——25 ℃時(shí)SFBC 的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

V——25 ℃時(shí)的超聲波波速，km/s；

a，b，c——擬合常數(shù)。

對(duì)于熱損傷材料，超聲波波速能準(zhǔn)確、直觀地反映材料損傷力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SFBC 的相對(duì)波速分別與相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度2 種力學(xué)性能的擬合結(jié)果較好（R2＞0.94），所以相對(duì)波速的變化能評(píng)價(jià)鋼纖維重晶石混凝土在不同溫度作用后的力學(xué)性能，并通過(guò)不同溫度作用后相對(duì)波速的變化預(yù)測(cè)其抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。因此，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以作為評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)SFBC 高溫作用后力學(xué)性能的方法。

3 結(jié) 論

（1）SFBC 高溫后質(zhì)量損失率隨著受火溫度的升高而增大。未摻入鋼纖維的重晶石混凝土試塊在400 ℃時(shí)質(zhì)量損失高達(dá)24.13%；摻1.0%鋼纖維可明顯降低SFBC 高溫后的質(zhì)量損失，400 ℃時(shí)質(zhì)量損失僅為11.00%。

（2）高溫后SFBC 的殘余抗壓強(qiáng)度和殘余劈裂抗拉強(qiáng)度均隨受火溫度的升高而降低。摻入鋼纖維可以提高重晶石混凝土的強(qiáng)度，但抗壓強(qiáng)度增幅不大，常溫下?lián)?.0%鋼纖維時(shí)僅提高14.53%；而對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著，且隨著摻量的增加增幅變大，常溫下?lián)饺?.5%鋼纖維時(shí)提高89.17%。經(jīng)400 ℃高溫作用后，抗壓強(qiáng)度增幅最大為摻1.0%鋼纖維的51.56%，而劈裂抗拉強(qiáng)度增幅最大為摻1.5%鋼纖維時(shí)，為不摻鋼纖維的5.76 倍。

（3）SFBC 的超聲波波速隨受火溫度的升高而降低。與普通重晶石混凝土相比，摻入鋼纖維的重晶石混凝土在常溫下有明顯提升，但高溫作用后，由于鋼纖維與基體過(guò)渡區(qū)裂紋、空隙增多，超聲波波速下降較快；鋼纖維以1.0%體積摻量為較優(yōu)摻量。

（4）高溫作用后SFBC 的相對(duì)波速與相對(duì)抗壓強(qiáng)度、相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度均有良好的回歸關(guān)系（R2＞0.94）。因此，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)高溫作用后SFBC 的受損程度。