高溫對標養(yǎng)鐵尾礦RPC性能影響研究*

田耀剛,黃顯龍，路 鑫,3，閻寶寶，覃 超，卯愛軍，魯 濤，張 軍

(1.長安大學 材料科學與工程學院，西安 710064；2.長安大學 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計研究院有限公司，武漢430050；5.長安大學 公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室,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顆粒致密體系與纖維增強材料相結合所開發(fā)的一種具有超高強度、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]，這些結構可能會受到高溫作用。但RPC與普通混凝土相比滲透率較低并且微觀結構更加致密，這使得RPC在高溫作用下內部水汽被“堵塞”無法逸出，導致RPC爆裂剝落,產生經濟損失的同時對人的生命與財產安全還具有巨大威脅[5]。與普通混凝土相比，RPC還存在生產成本過高(單位體積約為普通混凝土的4倍)、養(yǎng)護工藝復雜等缺點，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未來發(fā)展依賴于可操作性和成本這兩個突破點。

鐵尾礦是鐵礦石經選礦后產生的工業(yè)固體廢物。由于對鋼鐵和相關行業(yè)的需求不斷增加，我國鐵尾礦年產量近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存在尾礦壩中,這不僅占用大量土地，而且尾礦壩的建設和維護也同樣需要相當大的成本。此外，鐵尾礦壩周邊還存在地下水污染、揚塵污染和土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境破壞風險，嚴重影響當?shù)鼐用裆眢w健康[9]。因此鐵尾礦無害資源化處理已刻不容緩。近年來，一些學者將鐵尾礦應用到RPC中，并取得一定研究成果。SujingZhao等[10]研究了在兩種不同養(yǎng)護條件下使用鐵尾礦替代天然細骨料制備UHPC可行性，發(fā)現(xiàn)當鐵尾礦替代量不大于40%時，標準養(yǎng)護90 d后尾礦混凝土力學性能與對照混凝土相當。Zhang Weifeng等[11]研究了鐵尾礦對UHPC抗壓強度和滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)當鐵尾礦替代量不大于40%時，可提高UHPC抗壓強度和抗?jié)B性。田耀剛等[12]采用鐵尾礦替代石英砂在標準養(yǎng)護條件下設計制備RPC，研究其引入對RPC工作性能、強度的影響，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦降低RPC流動度和28 d強度，但取代率不大于30%時，RPC抗壓強度仍能超過130 MPa并且對內部水泥水化無明顯影響?，F(xiàn)有鐵尾礦制備RPC研究大多針對工作性能、力學性能和微觀性能展開，而對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所用價格昂貴石英砂，并采用常規(guī)養(yǎng)護制備RPC，研究高溫對不同摻量鐵尾礦制備RPC表觀特征、質量損失率、抗壓與抗折強度、阻尼性能和微觀結構的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級水泥；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，長度13～14 mm，直徑0.22 mm，抗拉強度大于2 850 MPa，密度為7.850 g/cm3。

表1 水泥、硅灰主要化學成分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，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攪動2 min后加入剩余水繼續(xù)攪動3 min即得RPC砂漿。拌和好的RPC裝入40 mm×40 mm×160 mm模具中振動成型，24 h拆模標養(yǎng)至規(guī)定齡期。

1.3 試驗方法

(1)高溫及強度試驗

高溫處理前，為避免濕度過大導致RPC升溫過程中發(fā)生爆裂，將養(yǎng)護28 d的RPC放入105 ℃烘箱預干燥24 h。干燥后放入SX2-4-10型箱式電阻爐內并以10.0 ℃/min的升溫速率將爐內溫度分別升至200、400、600和800 ℃。為確保目標溫度在試樣內部均勻分布，將試樣在目標溫度下恒溫保持2 h后關閉電源，待爐冷卻至室溫后取出試件并進行強度測試?？箟号c抗折試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—2005)進行。

(2)阻尼試驗

本文采用懸臂梁沖擊作用下自由振動研究試件阻尼比。將標養(yǎng)至規(guī)定齡期的試件一端固定，利用試驗力錘對試件施加簡諧振動荷載，使用INV3062T型阻尼比測試分析系統(tǒng)對振動進行分析，測試簡圖如圖2所示。采用半功率帶寬法計算阻尼比，計算公式為：

圖2 阻尼測試簡圖Fig 2 Schematic diagram of damping test

式中，ξ為阻尼比，ω1和ω2為共振峰值0.707倍對應頻率，Hz；ω0為共振頻率，Hz。每個試件重復進行3次阻尼試驗，結果取平均值。

(3)SEM與XRD試驗

將高溫試驗后的試樣去除表面并破碎，浸泡于無水乙醇中終止水化，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200目篩后，采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀進行XRD分析，掃描步長0.02°(2θ)，掃描范圍2θ=5～70°，掃描時間30 s。

2 結果與討論

2.1 鐵尾礦RPC高溫后表觀特征

RPC經歷高溫后，化學反應會使顏色發(fā)生轉變，骨料與鋼纖維熱膨脹系數(shù)不同會使敲擊聲音發(fā)生改變并出現(xiàn)裂紋，氧化作用會使表面的鋼纖維變脆并發(fā)黑，水蒸汽逸出則會使電阻爐內有白煙逸出。表2記錄了各組試驗的高溫作用現(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高溫后質量損失率

圖3為鐵尾礦RPC在不同溫度下的質量損失率。由圖3可知，鐵尾礦RPC高溫后質量損失率變化與RPC-0相似，均隨溫度升高逐漸增大。20～200 ℃時，RPC內部物理結合水與毛細水蒸發(fā)，并且105 ℃后，部分化學結合水因水化反應而散失，造成質量損失[13]。200～400 ℃時，RPC質量出現(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，RPC質量損失降幅較為平緩，內部不再含有蒸發(fā)水，質量損失主要來源于CH分解[14]。600～800 ℃時，RPC質量損失又出現(xiàn)較大幅度增長，這主要來源于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質量損失率提高，經歷800 ℃后，RPC-0質量損失為9.2%，RPC-100質量損失為9.9%，這是由于鐵尾礦相對于天然骨料在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出強烈不穩(wěn)定性，溫度為450 ℃時鐵尾礦開始分解而石英砂在650 ℃時才開始[16]。

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

2.3 鐵尾礦RPC高溫后強度

圖4為鐵尾礦RPC在不同溫度下的強度。由圖4(a)可知，鐵尾礦RPC高溫后抗壓強度變化與RPC-0相似，均隨溫度升高先略微提高后大幅下降。200 ℃時，RPC抗壓強度略有提升，這是由于RPC中水分被加熱蒸發(fā)使其干燥硬化，同時轉變?yōu)闅鈶B(tài)的水分可使RPC內部形成“高壓反應釜”，使部分未反應水泥進一步水化[17]。400 ℃時，RPC抗壓強度小幅下降，這是由于水分蒸發(fā)導致RPC基體中出現(xiàn)部分微裂紋和孔隙。600 ℃時，RPC抗壓強度進一步下降，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形式轉變?yōu)棣滦问?，使RPC發(fā)生體積膨脹，導致骨料與水泥石之間粘合被破壞[18]。當溫度高于600 ℃時，RPC發(fā)生開裂，抗壓強度嚴重劣化，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度下降，這是由于鐵尾礦加入使集料中細粒徑顆粒含量增加，級配性能變差，并且鐵尾礦與石英砂相比表面粗糙內部缺陷較多，RPC內部水化反應程度不均勻[12]。

圖4(b)為鐵尾礦RPC在不同溫度下的抗折強度。由圖4(b)可知，當溫度高于200 ℃時，所有RPC抗折強度都會迅速降低，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使基體產生更多微裂紋。鐵尾礦RPC在高溫下抗折強度與抗壓強度結果相似，隨鐵尾礦摻量增加逐漸下降。當溫度為600 ℃時，RPC-0保留了20 ℃抗折強度的60.4%而RPC-30、RPC-60與RPC-100分別保留了20 ℃抗折強度的57.0%、56.3%與54.4%，這是由于隨著鐵尾礦取代率的增加，RPC水泥基體強度降低，水泥基體與鋼纖維之間粘結力下降[12]。然而，當溫度為800 ℃時，RPC發(fā)生開裂，無論是否摻有鐵尾礦，抗折強度均小于20 ℃抗折強度的30%。

圖4 RPC不同溫度下強度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，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。內部質點之間甚至相之間產生的摩擦和振動被大多數(shù)學者認為是混凝土材料受到振動時阻尼耗能機理[20]。RPC經歷溫度高于200 ℃時，蒸汽逸出、骨料與纖維膨脹分解會使得骨料與水泥漿體以及水泥漿體之間產生大量微裂紋和孔隙。當受到外部荷載作用時，微裂紋產生閉合、擴張、滑移，從而使振動能被衰減。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、孔隙率高還會使水化反應程度不均勻，從而增加RPC中微裂紋與不規(guī)則孔隙數(shù)量。當受到外部荷載作用時，不規(guī)則孔隙周邊會發(fā)生塑性變形與滑移從而消耗振動能量；孔隙內空氣會產生收縮與膨脹變形，使外載做功轉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高溫后微觀結構

不同鐵尾礦摻量RPC高溫后微觀結構變化相似。以RPC-30為例分析鐵尾礦RPC高溫微觀結構變化規(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峰強度在20～400 ℃隨溫度升高逐漸降低，這是由于高溫促進火山灰反應，使CH轉化為C-S-H，這個過程解釋了為什么RPC-30在200 ℃時抗壓強度可以提高。當溫度高于600 ℃時，CH分解為CaO，導致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內部結構完整致密，主要由連續(xù)塊狀C-S-H凝膠組成，同時包含少量CH與未水化膠凝材料。200 ℃時，RPC內部結構更加完整致密，這主要由于物理吸附水與毛細水蒸發(fā)促進水泥水化反應與火山灰反應，生成更多C-S-H凝膠。此外，這消耗了對強度不利的CH，宏觀表現(xiàn)為強度與20 ℃相比略有提高。400 ℃時，試樣表面出現(xiàn)少量裂紋，這是由于自由水與結合水蒸發(fā)逸出。600 ℃時，RPC微觀結構松動，C-S-H凝膠從膠結連續(xù)相轉變成相對獨立的分散相，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)為強度明顯下降。800 ℃時，RPC基體結構呈破碎蜂窩狀，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 論

(1)隨溫度和鐵尾礦摻量提高，RPC質量損失增加，表面裂紋增多；各組RPC經歷高溫后顏色變化基本相同，均由青灰色依次轉變?yōu)樽睾稚?、灰黑色、黃白色。

(2)隨著經歷溫度不斷增加，鐵尾礦RPC抗壓與抗折強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內部微觀結構，隨著溫度升高，鐵尾礦RPC內部CH峰強度逐漸降低直至消失，C-S-H凝膠從膠結連續(xù)相轉變成相對獨立的分散相，裂紋和孔隙率數(shù)量增加，導致RPC宏觀強度損失增大。