摘 要：

為明晰鐵尾礦混凝土在復(fù)雜環(huán)境下的耐久性能，在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下，研究了鐵尾礦混凝土的損傷特性。將制備的鐵尾礦混凝土在5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的Na2SO4溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失的變化規(guī)律；結(jié)合損傷力學(xué)，以超聲波波速為損傷變量，研究耦合作用下鐵尾礦混凝土的劣化過程，并通過分析超聲波速、彈性模量與孔隙率的關(guān)系，構(gòu)建了鐵尾礦混凝土密實(shí)度模型。結(jié)果表明：鐵尾礦混凝土的質(zhì)量在循環(huán)20次時(shí)出現(xiàn)階段性增長(zhǎng)，隨后呈遞減趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度的下降速率呈先快、后慢、再快的現(xiàn)象；抗壓強(qiáng)度損失與混凝土損傷度呈正相關(guān)，超聲波速、彈性模量與孔隙率呈反比；在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下，鐵尾礦混凝土的劣化速率最快。研究結(jié)果可為鐵尾礦混凝土在復(fù)雜寒冷環(huán)境下的應(yīng)用提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：

非金屬建筑材料；鐵尾礦混凝土；凍融循環(huán)；硫酸鹽侵蝕；耐久性能；密實(shí)度模型

中圖分類號(hào)：

TU528；TD981

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02004

Study on damage properties of iron tailings concrete under freeze-thaw and sulfate action

LI Shuyan1， WANG Hongyuan2， FENG Haibao1，3

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Engineering， Handan，Hebei 056038， China; 2.School of Civil Engineering， Cangzhou Jiaotong College， Cangzhou，Hebei 061110， China; 3.CCCC First Harbor Engineering Company Limited， Tianjin 300461， China）

Abstract：

In order to clarify the durability of iron tailings concrete under complex environment， the damage characteristics of iron tailings concrete under the coupling action of freeze-thaw cycle and sulfate erosion were studied. A freeze-thaw cycle test was carried out on the prepared iron tailings aggregate concrete in 5% （mass fraction， the same below） Na2SO4 solution to analyze the changes of mass loss， relative dynamic elastic modulus and compressive strength loss. Combined with damage mechanics， the degradation process of iron tailings concrete under coupling action was studied with ultrasonic wave velocity as damage variable， and a compacted model of iron tailings concrete was established by analyzing the relationship between ultrasonic wave velocity， elastic modulus and porosity. The results indicate that the mass of iron tailings concrete shows a phased increase after 20 cycles， followed by a decreasing trend. The relative dynamic elastic modulus and compressive strength decrease at first fast， then slow and then fast. Compressive strength loss is positively correlated with concrete damage degree， and ultrasonic wave velocity， elastic modulus and porosity are inversely proportional. Under the coupling action of freeze-thaw cycle and sulfate erosion， the deterioration rate of iron tailings concrete is the fastest. This study can provide reference value for the application of iron tailings concrete in complex cold environment.

Keywords：

non-metallic building materials; iron tailings concrete; freeze-thaw cycle; sulfate erosion; durability; compactness model

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦提取有價(jià)組份之后的廢棄物，2020年中國(guó)鐵尾礦排放量接近8.39×108 t，這些大量堆積的鐵尾礦不僅占用了土地資源，而且對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞［1］。將選礦后的鐵尾礦廢石加工成砂石骨料用以制備混凝土，既提升了固廢資源利用率，又緩解了原材料緊張的問題［2］?；炷猎陂L(zhǎng)期使用過程中會(huì)受到各種復(fù)雜環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致性能下降，因此需要著重關(guān)注多因素條件下混凝土的耐久性能［3-4］。在北方沿海城市中，混凝土建筑會(huì)受到硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)兩者疊加的破壞作用［5］，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮二者的耦合作用。田威等［6］研究了混凝土在不同濃度的硫酸鹽溶液中的凍融循環(huán)破壞作用，結(jié)果表明，高濃度硫酸鹽溶液中混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的早期下降速率比低濃度的更快，不同濃度硫酸鹽溶液中試樣的孔隙率均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。CHEN等［7］分析了混凝土在不同鹽溶液中凍融循環(huán)后的耐久性能，結(jié)果表明，含氯離子的溶液對(duì)混凝土的超聲波速和損傷層厚度的影響最大，建立了不同腐蝕條件下混凝土的損傷本構(gòu)模型。姜磊等［8-9］在鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)共同作用下進(jìn)行混凝土單軸受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在凍融后期逐漸平緩，并建立了混凝土損傷破壞準(zhǔn)則。WANG等［10］發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，不同離子對(duì)混凝土耐久性的影響在一定階段可以相互抵消。

綜上，普通混凝土在復(fù)合環(huán)境下耐久性能的研究已有較多成果，而目前針對(duì)鐵尾礦混凝土的耐久性能研究多為單一環(huán)境下的影響［11-13］，在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下的耐久性能研究也較少。因此，本文研究了鐵尾礦混凝土在硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下的耐久性能，并結(jié)合超聲波技術(shù)分析鐵尾礦混凝土在硫酸鹽凍融耦合條件下的損傷規(guī)律，建立密實(shí)度計(jì)算模型，探究鐵尾礦混凝土的劣化機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)z凝材料包括水泥和粉煤灰。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，由諸城市楊春水泥有限公司提供;粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，由河南匯豐新材料有限公司提供。鐵尾礦取自河北省承德市，細(xì)骨料選用由鐵尾礦廢石經(jīng)破碎、篩分得到粒徑為0～4.75 mm的鐵尾礦砂，級(jí)配為Ⅱ區(qū)中砂，并以普通機(jī)制砂為對(duì)照，鐵尾礦的化學(xué)組成見表1，細(xì)骨料的基本性能見表2。粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的鐵尾礦石，并以天然碎石為對(duì)照，粗骨料基本性能見表3。拌合水為實(shí)驗(yàn)室自來水。減水劑為聚羧酸型高效減水劑，減水率為30%，由山西飛科新材料科技有限公司提供。

1.2 試樣配合比

本文以鐵尾礦砂石作為粗細(xì)骨料制備鐵尾礦混凝土，以普通混凝土作為對(duì)照組（NC），共設(shè)計(jì)了4組配合比，其余3組分別為鐵尾礦砂混凝土（TF）、鐵尾礦石混凝土（TC）和鐵尾礦砂石混凝土（TFC），水膠比為0.37（質(zhì)量比，下同），砂率為0.36（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），具體配合比見表4。制備108塊100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊與12塊100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試塊，將成型拆模后的混凝土試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中（相對(duì)濕度≥95%、溫度（20±2）℃）養(yǎng)護(hù)至一定齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 硫酸鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)

本文依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］對(duì)混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合試驗(yàn)。將制備的試件在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 d取出，放入5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Na2SO4溶液中浸泡4 d，溶液沒過試件頂部20～30 mm，之后將浸泡后的試件裝入含有5% Na2SO4溶液的快速凍融試驗(yàn)箱內(nèi)的試件盒中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，試件頂面浸入溶液至少20 mm。每循環(huán)20次為1個(gè)周期，分別在凍融0、20、40、60、80、100、120、140、160次時(shí)取出立方體試塊，測(cè)試抗壓強(qiáng)度、取出棱柱體試塊測(cè)試動(dòng)彈性模量、質(zhì)量和超聲波速。

1.3.2 超聲波檢測(cè)

利用非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，通過比較硫酸鹽凍融循環(huán)前后的超聲波脈沖速度（ultrasonic pulse velocity，UPV，簡(jiǎn)稱超聲波速）變化評(píng)估其內(nèi)部損傷情況。將試樣進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，確定混凝土對(duì)應(yīng)面上、下等間距共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用對(duì)測(cè)法在不同凍融循環(huán)周期下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率分析

圖1展示了混凝土在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的質(zhì)量損失情況。

由圖1可知，混凝土試樣的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈早期小幅度下降，然后上升的現(xiàn)象，TFC試樣的質(zhì)量損失情況最為顯著，在循環(huán)160次時(shí)質(zhì)量損失率達(dá)到8.11%，相較于NC、TF和TC試件分別高出2.61%、2.01%和0.71%；

各混凝土試樣在循環(huán)20次后質(zhì)量損失率增加，循環(huán)40次后開始增速減緩，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到80次后，各試樣的質(zhì)量損失率明顯提升，原因是在硫酸鹽凍融循環(huán)早期階段，由于凍結(jié)引起的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，使得外部溶液滲透到內(nèi)部空隙和裂縫中，鹽結(jié)晶以及腐蝕產(chǎn)物的生成使得混凝土的質(zhì)量有明顯提升［15］。當(dāng)侵蝕損失質(zhì)量大于增加質(zhì)量，質(zhì)量損失逐漸提升［16］。其中鐵尾礦砂石混凝土的質(zhì)量損失率最大，硫酸鹽凍融侵蝕效應(yīng)最明顯，說明鐵尾礦降低了混凝土的抗鹽侵和抗凍性能。

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

圖2展示了混凝土在耦合作用下的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。由圖2可知，TFC試樣的動(dòng)彈模量損失最大，而NC試樣的動(dòng)彈模量損失最小，損傷情況為TFCgt;TCgt;TFgt;NC，TFC、TC、TF和NC混凝土試樣分別在經(jīng)歷過100、120、140、160次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別達(dá)到了66.0%、62.3%、61.3%、60.0%，接近混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量大于60%的條件要求。

此外，依據(jù)圖2混凝土試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化情況，說明混凝土的損傷破壞分為3個(gè)階段，分別為快速破壞（循環(huán)次數(shù)＜40次）、緩慢破壞（40次≤循環(huán)次數(shù)≤80次）和加速破壞（循環(huán)次數(shù)＞80次）階段；在凍融循環(huán)后期，各混凝土試樣的相對(duì)動(dòng)彈模量相較于凍融循環(huán)次數(shù)≤80次時(shí)急劇下降。這主要是由于混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降與試樣的密實(shí)度密切相關(guān)，在硫酸鹽凍融侵蝕初期，主要以凍融破壞為主，凍脹力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫增加、孔隙連通，中期SO2-4與水泥水化物反應(yīng)生成的膨脹物對(duì)混凝土起到一定的密實(shí)作用，相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速度減緩，隨凍融循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，混凝土表面水泥剝落，硫酸鹽溶液通過孔隙裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生大量侵蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致基體膨脹開裂，混凝土加速劣化，相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率大幅度增加。

2.3 抗壓強(qiáng)度變化分析

圖3展示了混凝土試樣在耦合作用下的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度損失率。各試樣的抗壓強(qiáng)度損失隨硫酸鹽凍融循環(huán)的進(jìn)行而不斷提升；雖然TFC混凝土的初始抗壓強(qiáng)度最高為51.55 MPa，但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其抗壓強(qiáng)度的下降速率最快，在經(jīng)過120次硫酸鹽凍融循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度降低為25.58 MPa，抗壓強(qiáng)度損失率為50.38%，在相同條件下，對(duì)照組NC試樣的抗壓強(qiáng)度損失率最低為28.88%，剩余抗壓強(qiáng)度為34.27 MPa，TF和TC試樣的剩余抗壓強(qiáng)度分別為33.61、27.48 MPa，抗壓強(qiáng)度損失率分別為32.59%和43.45%。TC試樣的初始抗壓強(qiáng)度雖然比NC試樣高，但其下降速率明顯比NC快，鐵尾礦混凝土中TF試樣的抗壓強(qiáng)度下降最少，與普通混凝土的下降速率相近，表明這2種混凝土的抗硫酸鹽凍融侵蝕性能相似。在整個(gè)凍融循環(huán)過程中，鐵尾礦混凝土的抗壓強(qiáng)度損失總體高于普通混凝土，這是由于鐵尾礦的大量摻入降低了混凝土前期的水泥水化反應(yīng)，從而影響了其強(qiáng)度發(fā)展［17］。

2.4 超聲波損傷分析

2.4.1 超聲波損傷缺陷分析

以混凝土不同凍融循環(huán)時(shí)期的超聲波速為變量，定義凍融損傷度 D（n），如式（1）所示 。

D（n）=1-UPV2nUPV20 ，

（1）

式中：D（n）為n次凍融循環(huán)后混凝土的損傷度；UPVn為凍融循環(huán)n次后對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的超聲波速；UPV0為凍融循環(huán)前對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的超聲波速。

通過計(jì)算混凝土各測(cè)點(diǎn)在不同硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)下的超聲波速來確定硫酸鹽凍融損傷度，并將各測(cè)點(diǎn)依據(jù)式（1）計(jì)算得出的損傷度通過Origin軟件繪制混凝土損傷缺陷云圖，如圖4所示。由圖4可知，隨著硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加，普通混凝土、鐵尾礦砂混凝土、鐵尾礦石混凝土和鐵尾礦砂石混凝土的損傷度不斷加大。試樣不同測(cè)點(diǎn)的損傷度可以反映混凝土內(nèi)部的損傷劣化情況。由圖4可知，試樣上下兩端的損傷度最大，中部損傷度相對(duì)較低，原因可能是由于兩端角部區(qū)域受硫酸鹽凍融侵蝕面積大，損傷程度高，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試樣的微觀結(jié)構(gòu)逐漸劣化、微裂縫和孔隙持續(xù)發(fā)展，損傷劣化由兩端向中部區(qū)域發(fā)展并逐漸增大。

在硫酸鹽凍融循環(huán)條件下，鐵尾礦混凝土的損傷情況均顯著高于普通混凝土，以TFC混凝土的損傷變化最大，且TFC混凝土的最小損失度總是大于普通混凝土的最大損傷度，在凍融循環(huán)由40次增加到80次后，TFC試樣的頂端最大損傷度增加了13.22%，高于NC（8.16%）、TF（8.36%）和TC（10.58%）試樣；在循環(huán)120次后，NC、TF、TC和TFC試樣的頂端最大損傷度分別為33.15%、36.14%、43.35%和50%，相較于循環(huán)80次時(shí)分別增加了11.81%、13.26%、16.81%和19.86%，由此可知，使用鐵尾礦作粗細(xì)骨料降低了混凝土的抗硫酸鹽凍融性能，但TF試樣的損傷變化明顯低于TC試樣和TFC試樣，與普通混凝土NC的損傷變化相近，這可能是由于鐵尾礦砂的細(xì)度和容易受破壞而斷鍵的硅鋁酸鹽框架，導(dǎo)致硅鋁酸鹽含量較少，對(duì)試樣有較大的影響，普通混凝土中機(jī)制砂的氧化硅鍵比鐵尾礦混凝土中的氧化鋁鍵更能抵抗酸的侵蝕［18］。

圖5 a）展示了混凝土平均損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)而變化的情況，從整體上展現(xiàn)了硫酸鹽凍融耦合環(huán)境下試樣的抗侵蝕性能。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的平均損傷度都有不同程度的增加，與損傷缺陷云圖變化一致?？箟簭?qiáng)度損失與平均損傷度之間的關(guān)系如圖5 b）所示。由圖5 b）可知，兩者關(guān)系成正比，即平均損傷度越大，抗壓強(qiáng)度損傷越大，說明兩者有良好的相關(guān)性。

2.4.2 超聲波速影響分析

在本試驗(yàn)研究中，將混凝土視為均勻固體介質(zhì)，即試件超聲波速由水泥石性質(zhì)決定［19］，選取超聲波速和孔隙率作為參數(shù)，進(jìn)一步探究鐵尾礦混凝土在硫酸鹽凍融耦合作用下的損傷情況?？紫堵誓軌蚍从吃嚰?nèi)部結(jié)構(gòu)組成，通過稱取不同狀態(tài)下試件的質(zhì)量，計(jì)算試件孔隙率，具體計(jì)算公式如式（2）所示。

w=Mw－MdρwV×100%，

（2）

式中：w為孔隙率，%；Mw為試件完全飽水后的質(zhì)量；Md為試件干燥后的質(zhì)量；ρw為水的密度；V為試件體積。

圖6所示為混凝土的超聲波速和孔隙率變化情況。由圖6可知，隨著硫酸鹽凍融循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，混凝土的超聲波速與孔隙率成反比，即混凝土的超聲波速減小，孔隙率增大，表明混凝土的密實(shí)度不斷降低。在硫酸鹽凍融初期，TFC試樣的孔隙率最低為2.87%，TF試樣和TC試樣的孔隙率分別為2.98%和2.93%，均低于NC試樣的3.13%，說明鐵尾礦混凝土密實(shí)度高于普通混凝土。但隨著硫酸凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鐵尾礦混凝土孔隙率的增長(zhǎng)速率加快，在循環(huán)160次時(shí)，TFC試樣的孔隙率為6.98%，較NC、TF和TC試樣分別高出1.75%、1.41%和0.34%?；炷猎诹蛩猁}凍融循環(huán)次數(shù)為40～80，孔隙率的增長(zhǎng)幅度較小，同時(shí)超聲波速表現(xiàn)為速率下降減緩，其原因是侵蝕介質(zhì)SO4- 2在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的鈣礬石填充了混凝土內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致混凝土的基體變得密實(shí)。

2.4.3 基于波速變化的密實(shí)度分析

依據(jù)傳統(tǒng)研究結(jié)果，超聲波速、試件彈性模量和密度的關(guān)系如式（3）所示。

UPV=Eρ1－μ1+μ1－2μ，

（3）

式中：UPV為試件超聲波速；E為彈性模量；ρ為試件密度；μ為泊松比。

依據(jù)文獻(xiàn)［20］可知，低孔隙率下的均勻固體材料的超聲波速與孔隙率的關(guān)系如式（4）所示。

UPV=UPV01－bw，

（4）

式中：UPV0為零孔隙率下固體材料的超聲波速；b為擬合系數(shù)。

結(jié)合式（3）、式（4），可建立鐵尾礦混凝土硫酸鹽凍融循環(huán)后超聲波速、動(dòng)彈模量和孔隙率的關(guān)聯(lián)度模型。

UPV=aE1－bw+c，

（5）

式中：a、b、c均為擬合系數(shù)。

對(duì)式（5）進(jìn)行變形操作得到鐵尾礦混凝土在不同硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)后的密實(shí)度模型。

w=1－UPV－cabE。

代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證該模型，進(jìn)而獲得鐵尾礦混凝土在不同硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)后的密實(shí)度模型。

普通混凝土密實(shí)度模型：

wNC=3 210.582－UPV－0.010 82.104×10－4E。

（6）

鐵尾礦砂混凝土密實(shí)度模型：

wTF=3 973.773 1－UPV－0.007 11.684 5×10－4E。

（7）

鐵尾礦石混凝土密實(shí)度模型：

wTC=UPV+0.687 61.694 3×10－2E－55.248 6。

（8）

鐵尾礦砂石混凝土密實(shí)度模型：

wTFC=UPV+1.174 12.507×10－2E－31.152 6。

（9）

通過式（6）—（9）可知，超聲波速和彈性模量成正比，超聲波速和彈性模量越大，混凝土的孔隙率就越小，即密實(shí)度更好。通過將不同硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)下鐵尾礦混凝土的超聲波速和彈性模量的實(shí)測(cè)值代入上式，即可得到該時(shí)期下該混凝土的孔隙率，進(jìn)而了解混凝土的密實(shí)情況。

3 損傷機(jī)理分析

硫酸鹽凍融循環(huán)后，不同試樣的微觀形態(tài)如圖7所示。經(jīng)過80次凍融循環(huán)后，試件內(nèi)部產(chǎn)生了大量柱狀方解石，并伴有不同長(zhǎng)度的針狀石膏晶體，對(duì)混凝土基體起到了一定的填充作用，但TFC試件中石膏晶體的含量明顯高于TF試件，產(chǎn)生了微裂紋和微孔。在160次凍融循環(huán)時(shí)，鈣-氧化鋁和石膏繼續(xù)生成，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與160次循環(huán)時(shí)的TF試樣相比，微裂紋和孔隙進(jìn)一步擴(kuò)展，形成貫通通道，并出現(xiàn)明顯的孔洞，其內(nèi)部損傷小于TFC試樣。

硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下，混凝土受到這兩者疊加的作用，呈加速劣化趨勢(shì)。在凍融循環(huán)過程中，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔會(huì)同時(shí)受到靜水壓和滲透壓作用，當(dāng)2種壓力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土的內(nèi)部就產(chǎn)生裂縫進(jìn)而開裂破壞；而硫酸鹽溶液中的硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔中會(huì)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石和石膏等侵蝕產(chǎn)物［21］，如式（10）和式（11）所示，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂。

4CaO·Al2O3·13H2O+3（CaSO4·2H2O）+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca（OH）2，

（10）

Na2SO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH。

（11）

在硫酸鹽溶液和凍融循環(huán)交互作用下，對(duì)混凝土的破壞產(chǎn)生促進(jìn)和抑制2種作用。其中促進(jìn)作用一方面為凍融過程中的結(jié)冰時(shí)造成的低溫效應(yīng)減緩了硫酸鹽溶液的滲透侵蝕；另一方面硫酸鹽溶液的結(jié)冰點(diǎn)低于水，減緩了孔隙中冰的膨脹性，并且反應(yīng)生成的侵蝕產(chǎn)物對(duì)混凝土起到一定的密實(shí)作用。抑制作用一方面為凍融破壞導(dǎo)致混凝土中產(chǎn)生裂縫，鹽溶液滲透增快，在化學(xué)侵蝕和凍脹壓反復(fù)作用下加劇混凝土損傷；另一方面硫酸鹽使混凝土的飽水程度增加，凍融過程中孔隙壁承受壓力增大，并且硫酸鹽進(jìn)入混凝土內(nèi)部加速產(chǎn)生鹽結(jié)晶和化學(xué)產(chǎn)物，造成的膨脹應(yīng)力也會(huì)加劇混凝土的劣化。在侵蝕前期，促進(jìn)作用大于抑制作用，宏觀上表現(xiàn)為試樣質(zhì)

量、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度的緩慢下降。在侵

蝕后期，抑制作用大于促進(jìn)作用，宏觀上表現(xiàn)為混凝土膨脹開裂，試件表面砂漿剝落，質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度的大幅度減小，作用機(jī)理如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了鐵尾礦混凝土在硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下的耐久性，并結(jié)合超聲波技術(shù)分析損傷劣化過程，得出以下結(jié)論。

1）鐵尾礦砂混凝土、鐵尾礦石混凝土和鐵尾礦砂石混凝土經(jīng)過160次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度損失率均超過50%，而對(duì)照組混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率小于50%，且鐵尾礦砂石混凝土抗耦合作用能力最差。

2）隨著硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土損傷分3個(gè)階段：第1階段，凍脹致?lián)p；第2階段，鈣礬石等水化產(chǎn)物填充孔隙，使質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度損失和孔隙率增長(zhǎng)速率放緩；第3階段，反應(yīng)物累積引發(fā)膨脹破壞，混凝土損傷急劇增大。

3）混凝土試樣的損傷度隨硫酸鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈先增長(zhǎng)后降低再增長(zhǎng)的規(guī)律，抗壓強(qiáng)度損失率呈遞增趨勢(shì)。試樣的損傷是從上下兩端向中部發(fā)展，各試樣的平均損傷度的增加與損傷缺陷云圖變化一致。

上述研究表明了鐵尾礦混凝土在硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下的耐久性。但本文僅以單一配合比進(jìn)行試驗(yàn)，后續(xù)可通過改變水灰比、外加劑等因素開展試驗(yàn)，優(yōu)化配合比以提升鐵尾礦混凝土的抗耦合侵蝕性能，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)/References：

［1］

申艷軍，白志鵬，郝建帥，等.尾礦制備混凝土研究進(jìn)展與利用現(xiàn)狀分析［J］.硅酸鹽通報(bào)，2021，40（3）：845-857.

SHEN Yanjun，BAI Zhipeng，HAO Jianshuai，et al.Research progress and utilization status analysis of concrete prepared by tailings［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2021，40（3）：845-857.

［2］ 路暢，陳洪運(yùn)，傅梁杰，等.鐵尾礦制備新型建筑材料的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（5）：5011-5026.

LU Chang，CHEN Hongyun，F(xiàn)U Liangjie，et al.Research progress on the preparation of new building materials using iron tailings［J］.Materials Reports，2021，35（5）：5011-5026.

［3］ 賀盛，覃志笛，李玉滔，等.多鹽耦合腐蝕環(huán)境下混凝土性能劣化規(guī)律［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，44（4）：581-589.

HE Sheng，QIN Zhidi，LI Yutao，et al.Performance degradation law of concretes in the multi-salt coupling corrosion environment［J］.Journal of Northeastern University（Natural Science），2023，44（4）：581-589.

［4］ 董偉，王雪松，計(jì)亞靜，等.碳化-鹽凍作用下風(fēng)積沙混凝土損傷劣化機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2023，26（6）：623-630.

DONG Wei，WANG Xuesong，JI Yajing，et al.Damage deterioration mechanism and life prediction of aeolian sand concrete under carbonization and salt freezing［J］.Journal of Building Materials，2023，26（6）：623-630.

［5］ 金祖權(quán)，陳惠蘇，趙鐵軍，等.混凝土在硫酸鹽凍融中的損傷與離子傳輸［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2015，18（3）：493-498.

JIN Zuquan，CHEN Huisu，ZHAO Tiejun，et al.Damage and ion penetration in concrete subjected to sulfate frost［J］.Journal of Building Materials，2015，18（3）：493-498.

［6］ 田威，李小山，王峰.凍融循環(huán)與硫酸鹽溶液耦合作用下混凝土劣化機(jī)理試驗(yàn)研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2019，38（3）：702-710.

TIAN Wei，LI Xiaoshan，WANG Feng.Experimental study on deterioration mechanism of concrete under freeze-thaw cycles coupled with sulfate solution［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38（3）：702-710.

［7］ CHEN Dingshi，DENG Yuang，SHEN Jiyang，et al.Study on damage rules on concrete under corrosion of freeze-thaw and saline solution［J］.Construction and Building Materials，2021，304：124617.

［8］ 姜磊，牛荻濤.硫酸鹽與凍融環(huán)境下混凝土本構(gòu)關(guān)系研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2016，48（3）：71-78.

JIANG Lei，NIU Ditao.Study on constitutive relation of concrete under sulfate attack and freeze-thaw environment［J］.Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition），2016，48（3）：71-78.

［9］ 姜磊，牛荻濤.硫酸鹽與凍融環(huán)境下混凝土損傷破壞準(zhǔn)則研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2017，37（1）：148-153.

JIANG Lei，NIU Ditao.Study on damage failure criterion of concrete under sulfate attack and freeze-thaw environment［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2017，37（1）：148-153.

［10］WANG Boxin，PAN Jingjing，F(xiàn)ANG Ruichang，et al.Damage model of concrete subjected to coupling chemical attacks and freeze-thaw cycles in saline soil area［J］.Construction and Building Materials，2020，242：118205.

［11］程云虹，黃菲，齊珊珊，等.高硅型鐵尾礦對(duì)混凝土碳化及抗硫酸鹽腐蝕性能的影響［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，40（1）：121-125.

CHENG Yunhong，HUANG Fei，QI Shanshan，et al.Effects of high-silicon iron tailings on carbonation and sulphate corrosion resistance of concrete［J］.Journal of Northeastern University（Natural Science），2019， 40（1）：121-125.

［12］HAN Jie，F(xiàn)U Chun，LIU Songyang，et al.life prediction of iron ore tailings concrete under freeze-thaw cycle based on weibull distribution［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2022，2022（1）：8028009.

［13］程和平，陸璐.改良鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)和耐腐蝕性能研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2021（6）：47-52.

CHENG Heping，LU Lu.Research on mechanical properties and corrosion resistance of improved iron tailings concrete［J］.Multipurpose Utilization of Mineral Resources，2021（6）：47-52.

［14］GB/T 50082—2009，普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［15］HAMZE Y.Concrete durability in harsh environmental conditions exposed to freeze thaw cycles［J］.Physics Procedia，2014，55：265-270.

［16］YU Hongfa，MA Haoxia，YAN Kun.An equation for determining freeze-thaw fatigue damage in concrete and a model for predicting the service life［J］.Construction and Building Materials，2017，137：104-116.

［17］吳瑞東.石英巖型鐵尾礦微粉及廢石對(duì)水泥基材料的性能影響及機(jī)理［D］.北京：北京科技大學(xué)，2020.

WU Ruidong.Performance and Mechanism Analysis of Quartz-Type Iron Tailings Powder and Waste Rock in Cement-Based Materials［D］.Beijing：Beijing University of Science and Technology，2020.

［18］SHETTIMA A U，HUSSIN M W，AHMAD Y，et al.Evaluation of iron ore tailings as replacement for fine aggregate in concrete［J］.Construction and Building Materials，2016，120：72-79.

［19］陳正，陳犇，鄭皆連，等.青藏高原低氣壓環(huán)境下鋼管混凝土的核心混凝土密實(shí)性評(píng)估方法研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2021，54（8）：1-13.

CHEN Zheng，CHEN Ben，ZHENG Jielian，et al.Methodology on evaluating the compactness of core concrete in CFST serving under low atmospheric pressure over the Qinghai-Tibet Plateau［J］.China Civil Engineering Journal，2021，54（8）：1-13.

［20］LAFHAJ Z，GOUEYGOU M，DJERBI A，et al.Correlation between porosity， permeability and ultrasonic parameters of mortar with variable water/cement ratio and water content［J］.Cement and Concrete Research，2006，36（4）：625-633.

［21］苑立冬，牛荻濤，姜磊，等.硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下混凝土損傷研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2013，32（6）：1171-1176.

YUAN Lidong，NIU Ditao，JIANG Lei，et al.Study on damage of concrete under the combined action of sulfate attack and freeze-thaw cycle［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2013，32（6）：1171-1176.

收稿日期：2024-05-06;修回日期：2024-12-12；責(zé)任編輯：王淑霞

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52378245）

第一作者簡(jiǎn)介：

李淑燕（1998—），女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事新型建筑材料方面的研究。

通信作者：

馮海暴高級(jí)工程師。E-mail： a1516373584@163.com

李淑燕，王鴻源，馮海暴.

凍融與硫酸鹽作用下鐵尾礦混凝土損傷性能研究

［J］.河北工業(yè)科技，2025，42（2）：128-136.

LI Shuyan，WANG Hongyuan，F(xiàn)ENG Haibao.

Study on damage properties of iron tailings concrete under freeze-thaw and sulfate action

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2025，42（2）：128-136.