凍融環(huán)境下鋼渣細(xì)骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)及損傷演化模型

收稿日期：2022-07-07""" 修回日期：2023-03-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51868061） ；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.2020MS05071;2022LHMS05011）

通信作者：曹芙波，教授。E-mail：caofubo2000@qq.com

引用格式：王晨霞，周陽(yáng)升，王高峰，等.凍融環(huán)境下鋼渣細(xì)骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)及損傷演化模型［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（3）：585-593.

WANG Chenxia，ZHOU Yangsheng，WANG Gaofeng，et al.Microstructure and damage evolution model of steel slag fine aggregates concrete under freezing-thawing environment［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：585-593.

文章編號(hào)：1000-4939（2024）03-0585-09

摘" 要：為了揭示工業(yè)鋼渣細(xì)骨料制備的鋼渣混凝土的凍融破壞機(jī)理，采用快速凍融法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試了凍融循環(huán)后不同鋼渣細(xì)骨料替代率混凝土的質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量，并分析凍融損傷規(guī)律；使用掃描電鏡方法觀察鋼渣混凝土水化產(chǎn)物及鋼渣-砂漿界面過(guò)渡區(qū)，進(jìn)行凍融損傷微觀機(jī)理的分析。結(jié)果表明：鋼渣細(xì)骨料因凍融作用而發(fā)生明顯破壞；鋼渣細(xì)骨料與水泥凝膠的界面過(guò)渡區(qū)優(yōu)于普通骨料；鋼渣替代率為60%時(shí)混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度損失最小，分別只減少了4.06%、44.2%；鋼渣替代率為100%時(shí)混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度損失率最高，分別為6.05%、58%；凍融循環(huán)次數(shù)大于50時(shí)，鋼渣摻量為60%的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量高于其余摻量組；采用鋼渣取代細(xì)骨料為提高混凝土在凍融循環(huán)作用下的工作性能時(shí)建議取代率為60%。通過(guò)對(duì)鋼渣混凝土的損傷演變分析，建立了鋼渣混凝土的凍融損傷演變模型。

關(guān)鍵詞：鋼渣混凝土；水化產(chǎn)物；強(qiáng)度損失；相對(duì)動(dòng)彈性模量；損傷模型

中圖分類號(hào)：TU528" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.011

Microstructure and damage evolution model of steel slag fine

aggregates concrete under freezing-thawing environment

WANG Chenxia1，ZHOU Yangsheng1，WANG Gaofeng2，LIU Tao2，WANG Xiaoyun2，CAO Fubo1

（1.School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，014010 Baotou，China；

2.Baotou Steel Group Metallurgical Slag Comprehensive Utilization Development Co.LTD.，014010 Baotou，China）

Abstract：The goals of this paper are to study the frost resistance of steel slag fine concrete （SSFC），research the damage mechanisms in cold regions.First，the mass loss rate，strength loss rate，relative dynamic elastic modulus of concrete with different steel slag fine aggregate replacement rates after freezing-thawing cycles were tested，and the freezing-thawing damage law was analyzed.Scanning electron microscopy method was used to observe the hydration products of steel slag concrete and the steel slag-mortar interface transition zone for the analysis of freezing-thawing damage microscopic mechanisms.The results revealed that the steel slag fine aggregate is significantly damaged by freezing-thawing action.Interfacial transition zone of steel slag fine concrete is superior to that of ordinary concrete.The minimum mass and strength loss of concrete at 60% replacement rate of steel slag fine concrete，only 4.06% and 44.2% reduction，respectively.The highest mass and strength loss rates of concrete are 6.05% and 58%，respectively，with 100% replacement of steel slag fine concrete.When the number of freeze-thaw cycles is greater than 50，the relative dynamic elastic modulus of concrete with 60% of steel slag fine concrete is higher than the rest of the dosing group.In order to improve the performance of concrete under freezing-thawing cycles，60% replacement rate of steel slag fine concrete is recommended.Finally，the freezing-thawing damage evolution model of steel slag concrete was established by analyzing the damage evolution s of steel slag concrete specimens.

Key words：steel slag concrete；hydration products；strength loss；relative dynamic modulus of elasticity；damage model

鋼渣是一種源于鋼鐵行業(yè)的固廢材料，主要成分為硅酸鈣、鈣鎂橄欖石及少量的氧化鈣等［1］REF_Ref9043＼r＼h＼*MERGEFORMAT。我國(guó)的鋼渣排放量約為鋼產(chǎn)量的15%，利用率僅為22%［2］REF_Ref23196＼r＼h＼*MERGEFORMAT，而在歐美國(guó)家利用率可達(dá)到95%以上［3］REF_Ref23232＼r＼h＼*MERGEFORMAT?；谖覈?guó)河砂資源短缺的市場(chǎng)現(xiàn)狀，鋼渣用作混凝土細(xì)集料對(duì)于節(jié)約天然資源以及工業(yè)固廢的利用具有重要意義。內(nèi)蒙古包頭市是我國(guó)北方寒冷地區(qū)主要的鋼鐵源產(chǎn)地之一，研究其本地鋼渣細(xì)骨料混凝土的抗凍性能，對(duì)寒冷地區(qū)鋼渣的資源化利用提供參考。SANTAMARA等［4］通過(guò)凍融試驗(yàn)研究證明鋼渣混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。WANG等［5］采用反分析方法研究了鋼渣滲透混凝土界面過(guò)渡區(qū)（interface transition zone，ITZ）的力學(xué)性能。結(jié)果表明，與天然骨料相比，鋼渣使混凝土ITZ的黏結(jié)力和斷裂能分別提高了52%和35%。LAM等［6］對(duì)鋼渣骨料混凝土的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）進(jìn)行觀察，結(jié)果表明鋼渣混凝土ITZ孔洞及黏結(jié)情況優(yōu)于普通骨料。吳發(fā)紅等［7］研究表明摻加鋼渣粉的磷酸鉀鎂水泥（potassium magnesium phosphate cement，MKPC）試件在經(jīng)歷200次凍融循環(huán)后的線膨脹率逐漸小于純MKPC試件。邢琳琳［8］研究表明鋼渣粗骨料替代率在50%時(shí)，對(duì)混凝土的抗凍性是有利的。朱訓(xùn)國(guó)等［9］研究表明鋼渣摻量的增加可顯著提升混凝土抗凍性能。

上述文獻(xiàn)表明，目前將鋼渣研磨成粉替代水泥和用作粗骨料使用是常見(jiàn)研究方法，但都存在著高能耗和低利用率的缺點(diǎn)。

因此對(duì)鋼渣細(xì)骨料混凝土在凍融環(huán)境下的耐久性和損傷機(jī)理進(jìn)行研究，為鋼渣細(xì)骨料混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的使用奠定了重要的基礎(chǔ)，并有著十分重要的工程意義。

1" 試" 驗(yàn)

1.1" 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)水泥為蒙西牌P·O 42.5水泥，減水劑為萘系減水劑，水為普通自來(lái)水，粉煤灰來(lái)源于包頭某電廠，普通粗骨料為粒徑5～31.5mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石，普通細(xì)骨料為天然河砂，通過(guò)篩分、清洗等處理后進(jìn)行性能測(cè)試，骨料具體性能見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所采用的細(xì)骨料為陳化處理后，性狀穩(wěn)定的水淬鋼渣，f-CaO含量低于3.0%，鋼渣形態(tài)為細(xì)砂狀，其表面凹凸不平，是一種亞穩(wěn)態(tài)的玻璃狀物質(zhì)，并夾雜一些黑色顆粒，顏色呈現(xiàn)出棕灰色。鋼渣的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)電鏡照片分別如圖1（a）～（b）所示，可以看到鋼渣細(xì)骨料內(nèi)部有直徑5～

200 μm的球形密閉孔洞。

圖2為鋼渣細(xì)骨料的X射線衍射 （X-ray diffraction，XRD） 圖譜，由圖譜可以看出鋼渣沒(méi)有明顯衍射峰，無(wú)法得出其物相，說(shuō)明鋼渣中成分的結(jié)晶度較低，融合物成分比較復(fù)雜。采用XRF得出鋼渣的主要成分見(jiàn)表2。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，制備了4組設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C40的試件，參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），試驗(yàn)采用快凍法，設(shè)計(jì)普通及鋼渣骨料混凝土在內(nèi)共4組、共設(shè)計(jì)108個(gè)尺寸為100mm×100mm×100mm立方體試塊測(cè)量各組試件的強(qiáng)度損失率；共設(shè)計(jì)12個(gè)尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體測(cè)量各組試件質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量損失。循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、25、50、75、100、125、150、175、200次；鋼渣細(xì)骨料替代率分別為0%、30%、60%和100%。試驗(yàn)以混凝土強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量損失作為破壞指標(biāo)。有以下情況之一出現(xiàn)試驗(yàn)停止：①凍融循環(huán)到規(guī)定次數(shù)；

②相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%；③試件質(zhì)量損失率達(dá)5%。試件配合比見(jiàn)表3，其中，水膠比均為0.43。

2" 試驗(yàn)現(xiàn)象

隨著鋼渣的替代率增加，鋼渣混凝土的流動(dòng)性降低，塌落度也減小，不同鋼渣替代率下鋼渣混凝土坍落度見(jiàn)表7。

如圖3所示，當(dāng)凍融低于50次時(shí)，所有試件表面開(kāi)始出現(xiàn)麻面現(xiàn)象。當(dāng)凍融次數(shù)在100次后，除SC-60組外，其余各組試件表面砂漿開(kāi)始出現(xiàn)表面砂漿酥脆及剝落，且鋼渣細(xì)骨料裸露的現(xiàn)象。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到150次時(shí)，SC-100組的表面已無(wú)砂漿附著，粗骨料完全裸露；NC-0組約有占表面積1/2的區(qū)域出現(xiàn)粗骨料裸露現(xiàn)象，SC-30組、SC-60組均只有少量粗骨料裸露。在凍融次數(shù)達(dá)到200時(shí)，SC-100組試件暴露在表面的砂漿變得酥脆，出現(xiàn)棱角缺失及粗骨料脫落的現(xiàn)象；SC-60組情況最好，表面砂漿未完全脫落，粗骨料裸露較少。

3" 結(jié)果分析

3.1" 凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度損失

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知SC-30組、SC-60組在整個(gè)凍融周期內(nèi)強(qiáng)度均高于NC-0組；SC-100組在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次之前強(qiáng)度均高于NC-0組，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次之后，強(qiáng)度低于NC-0組；SC-30組凍融循環(huán)150次后強(qiáng)度損失率高于NC-0組。不同鋼渣替代率混凝土強(qiáng)度損失率變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

由圖4可知：凍融循環(huán)在50次以內(nèi)時(shí)，各組強(qiáng)度損失率變化近似；在凍融循環(huán)100次以前，鋼渣混凝土的強(qiáng)度損失率曲線較平緩；凍融次數(shù)超過(guò)100次時(shí)，曲線出現(xiàn)折點(diǎn)，斜率開(kāi)始增大，強(qiáng)度損失速率變化加快，而NC-0組強(qiáng)度損失率變化相對(duì)平穩(wěn)；凍融循環(huán)200次時(shí)SC-100組強(qiáng)度損失最大，達(dá)到58.1%。

圖5為SC-60組凍融100次和150次時(shí)的鋼渣細(xì)骨料電鏡照片。

由圖5可知：100次凍融循環(huán)后鋼渣骨料開(kāi)始出現(xiàn)微小裂縫，水通過(guò)這些細(xì)微裂縫滲入到原本密閉的球形孔洞中，使得骨料內(nèi)部處于水飽和狀態(tài)，最后由于混凝土在凍融作用下孔壁內(nèi)部產(chǎn)生各向同性液相壓力作用，使得裂縫越來(lái)越寬，導(dǎo)致骨料脹裂破壞；在凍融循環(huán)150次時(shí)，鋼渣骨料損壞程度比較嚴(yán)重；鋼渣骨料孔壁上的裂縫沿著孔壁向外發(fā)展，并且隨著離孔壁的距離逐漸變大，裂縫寬度也逐漸變小，明顯呈脹裂破壞形態(tài)，寬度較大的裂縫與周圍孔的裂縫貫通，整體呈網(wǎng)狀分布。

3.2" 凍融循環(huán)后混凝土質(zhì)量的變化

由表4可以看出，在凍融次數(shù)達(dá)到25次時(shí)，不同鋼渣細(xì)骨料替代率混凝土的質(zhì)量均增加，這是由于鋼渣細(xì)骨料中的部分密閉孔存在原始裂縫，由于水結(jié)冰膨脹使得裂縫發(fā)展擴(kuò)大，水溶液由于混凝土內(nèi)外滲透壓，沿著原始損傷的裂縫會(huì)緩慢的進(jìn)入密閉孔中，并且水進(jìn)入孔洞的速度大于混凝土質(zhì)量損失的速度，最終使得混凝土的質(zhì)量出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。在凍融循環(huán)達(dá)到50次后SC-30組、SC-60組的質(zhì)量損失率始終低于普通組，且變化規(guī)律相類似，在凍融循環(huán)125次后，質(zhì)量損失率突然增加，這是由于鋼渣骨料損壞造成質(zhì)量損失率變化速率增大引起的，與鋼渣骨料損壞時(shí)凍融次數(shù)基本吻合。而SC-100組與NC-0組在凍融125次損失率表現(xiàn)不同，是因?yàn)镹C-0組為砂漿黏結(jié)的破壞，細(xì)骨料在這種黏結(jié)完全破壞時(shí)才會(huì)脫落。

3.3" 凍融循環(huán)后混凝土的動(dòng)彈性模量變化

由圖6可知：在凍融次數(shù)小于50次時(shí)，各組相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線相互交錯(cuò)，沒(méi)有明顯規(guī)律，但是曲線的整體斜率比凍融50次以后的斜率要大，說(shuō)明初始凍融對(duì)鋼渣混凝土的動(dòng)彈性模量影響較大。由于水泥干縮以及細(xì)骨料的差異導(dǎo)致普通混凝土與鋼渣混凝土基體中出現(xiàn)的初始微裂紋不同，鋼渣細(xì)骨料的原始裂縫發(fā)展較快。隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷地增加，這種由原始損傷產(chǎn)生的破壞差異開(kāi)始逐漸減小，動(dòng)彈性模量下降速率會(huì)減慢，這與凍融循環(huán)次數(shù)在50～100次時(shí)混凝土強(qiáng)度損失較慢的規(guī)律相符合；最后由于鋼渣骨料受凍融循環(huán)作用導(dǎo)致破壞速度加快，導(dǎo)致混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量再次快速下降；因此SC-30組、SC-60組相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率呈現(xiàn)出：前期發(fā)展較快、中期下降速率減慢、后期又加快3個(gè)階段。SC-100組在凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)50次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量始終小于SC-30組混凝土，說(shuō)明全鋼渣混凝土長(zhǎng)期的抗凍性較NC-0組混凝土差。

3.4" 凍融損傷演化模型

對(duì)混凝土的凍融破壞的研究多是用動(dòng)彈性模量來(lái)衡量。冀曉東等［10］基于混凝土凍融細(xì)觀現(xiàn)象分析，描述了混凝土動(dòng)彈性模量在凍融循環(huán)作用下的演變規(guī)律，即

1-D=Ea/E0（1）

式中：D是損傷變量；Ea和E0分別表征凍融損傷后的動(dòng)彈模和初始動(dòng)彈模。也有不同學(xué)者提出了其他類型的混凝土凍融損傷模型，見(jiàn)表8。通過(guò)表中各演變規(guī)律對(duì)本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于NC-0組、SC-100組表中各式均能較好地反映凍融損傷規(guī)律，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.994，而對(duì)于SC-30和SC-60兩組的擬合結(jié)果偏差較大；表9為對(duì)式（2）、式（3）的擬合結(jié)果，表中Ea/E0和N分別表征相對(duì)動(dòng)彈性模量以及凍融循環(huán)次數(shù)，a、b、c分別為參數(shù)。

根據(jù)損傷力學(xué)［13］中微觀隨機(jī)損傷認(rèn)為，引起混凝土損傷的主要原因是其界面過(guò)渡區(qū)的破壞，文獻(xiàn)用微彈簧系統(tǒng)來(lái)描述混凝土的損傷機(jī)理，以彈簧束的隨機(jī)斷裂模擬混凝土細(xì)觀機(jī)構(gòu)的隨機(jī)斷裂。圖7為放大5000倍的界面過(guò)渡區(qū)電鏡照片，可以看出界面過(guò)渡區(qū)與鋼渣細(xì)骨料間的縫隙約為0.5μm，而普通骨料約為1.5μm?？p隙越小表示黏結(jié)越緊密，結(jié)構(gòu)體微彈簧束越多，因而在受到損傷后剩余微彈簧束也越多；因此在凍融次數(shù)在50～100之間時(shí)鋼渣骨料與普通骨料組成的砂漿的損傷發(fā)展較普通組要慢，相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線的斜率變緩。SC-100組由于鋼渣替代率增加導(dǎo)致流動(dòng)性差且孔隙率較大，所以在鋼渣完全替代細(xì)骨料時(shí)鋼渣砂漿抗凍性變差，動(dòng)彈性模量下降速率變化的不明顯。

通過(guò)上述分析，針對(duì)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出鋼渣混凝土的凍融損傷模型，即

Ea /E0=1-aNb（5）

式中：Ea/E0和N分別表征相對(duì)動(dòng)彈性模量以及凍融循環(huán)次數(shù)；a、b分別為參數(shù)。擬合結(jié)果見(jiàn)表10。

選取文獻(xiàn)［14］中G、F組的相對(duì)動(dòng)彈性模量與本研究SC-60組損傷模型進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)選取文獻(xiàn)［15］中CSA組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本研究SC-100組損傷模型進(jìn)行對(duì)比（圖8）?？梢钥吹匠齻€(gè)別點(diǎn)外，文獻(xiàn)［14］與文獻(xiàn)［15］在經(jīng)過(guò)175次凍融循環(huán)與120次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度加快，但文獻(xiàn)中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)均勻散布在擬合曲線的兩邊，且離擬合曲線較近，R2均在0.9以上，說(shuō)明該模型不僅適用于內(nèi)蒙地區(qū)環(huán)境，而且具有普適性，能夠較好地反應(yīng)鋼渣混凝土的凍融損傷規(guī)律。

3.5" 鋼渣細(xì)骨料混凝土SEM分析

分別對(duì)鋼渣細(xì)骨料混凝土與普通混凝土的水化產(chǎn)物進(jìn)行電鏡掃描。由圖9可知，鋼渣細(xì)骨料混凝土與普通混凝土的氫氧化鈣均為分層的塊狀晶體。對(duì)比圖9（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)：NC-0組的氫氧化鈣晶體較小且晶體的單層較?。籗C-100組的氫氧化鈣晶體較大，且單層較厚。說(shuō)明鋼渣中的一些活性的硅酸鈣參與了混凝土的水化反應(yīng)，使得鋼渣細(xì)骨料混凝土在同等水化條件下產(chǎn)生了更多的氫氧化鈣。根據(jù)圖10中電鏡掃描出的針狀產(chǎn)物和立方晶體的形態(tài)，可以確定針狀產(chǎn)物為鈣礬石，水化鋁酸鈣為立方體結(jié)晶。

由圖10可知，SC-40組同時(shí)產(chǎn)生了大量的鈣礬石及水化鋁酸鈣；SC-100組幾乎沒(méi)有水化鋁酸鈣產(chǎn)生，這是由于鋼渣中含有硫的氧化物，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)產(chǎn)生一定量的可溶性SO2-4，促使水泥中的鋁酸三鈣完全反應(yīng)生成大量鈣礬石。圖11為SC-40與 SC-100組的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)SC-100組的孔隙要多于SC-40組。

鋼渣骨料由于在化學(xué)成分上與水泥相近，含有CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分，后期發(fā)生硅酸二鈣的水化反應(yīng)，產(chǎn)生的鈣礬石和水化鋁酸鈣都具有膨脹性而鋼渣粗、細(xì)骨料表面均有孔洞，使得凝膠能與骨料結(jié)合更緊密，減少了孔隙數(shù)量，同時(shí)降低了因水溶液流動(dòng)可能生成的靜水壓力及滲透壓力，使得整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，鋼渣骨料混凝土的抗凍性能得到提高。

4" 結(jié)" 論

1）在凍融循環(huán)100次時(shí)，鋼渣細(xì)骨料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂縫，凍融循環(huán)125次時(shí)鋼渣骨料微裂縫發(fā)展加速。鋼渣骨料界面過(guò)渡區(qū)孔隙較少，密實(shí)度優(yōu)于普通骨料。

2）試件凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)200時(shí)，SC-100組破壞最嚴(yán)重，強(qiáng)度損失率為58%，質(zhì)量損失率為6.05%；SC-60組表現(xiàn)最好，強(qiáng)度損失率與質(zhì)量損失率分別為44.1%、4.06%。

3）凍融循環(huán)后SC-30組、SC-60組相對(duì)動(dòng)彈性模量下降先快后慢而后又加快；通過(guò)對(duì)現(xiàn)有混凝土凍融損傷模型的擬合分析，發(fā)現(xiàn)NC-0組與SC-100組符合大部分現(xiàn)有演化模型，SC-30組、SC-60組則出現(xiàn)不同的情況，這是由于鋼渣細(xì)骨料與普通細(xì)骨料本身結(jié)構(gòu)以及界面黏結(jié)情況不同造成的；由此建立了基于彈性模量的鋼渣混凝土的損傷演變模型，且該模型具有普適性。

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（編輯" 張璐）