高炉镍铁渣和钢纤维改性混凝土的耐热性和热损伤规律

刘雅琦，王淑娟，李立新

(吉林建筑科技学院土木工程学院，长春 130114)

0 引 言

近年来,社会的迅速发展使工程建筑物的数量不断增加，消耗了大量自然资源。为了保护自然资源和环境，发展代替材料十分必要。与此同时，随着钢铁工业的迅速发展，钢铁厂产生的大量废渣对环境造成的负面影响也越来越明显[1-3]。因此，以替代掺合料的方式实现高炉镍铁渣(简称镍铁渣)的回收利用具有重大的经济和环保意义。

此外，当前工程构筑物的工作环境也越来越复杂多样[4]，火灾等突发性灾难事件频发也对混凝土的性能提出了新的要求[5-6]。目前，已经有许多学者已经对混凝土的耐火、耐高温特性进行了研究，如贺一轩[6]和杨婷[7]等利用聚丙烯纤维、玄武岩纤维和钢纤维对混凝土进行改性；杜咏等[8]对水胶比、孔隙率、纤维类型及掺量和尺寸对混凝土爆裂特性的影响进行了较为系统的研究;李妍等[9]利用工业回收钢纤维对混凝土进行了改性，并对其在不同温度处理后的残余强度进行了研究。

由上可知，目前对改性混凝土耐热性的研究主要集中于温度水平的影响，对热循环效应的研究却相对缺乏。为此本文利用铁渣和钢纤维制备了混凝土试样，并对改性混凝土在热循环后的力学特性进行了研究；即，以一种镍铁渣掺量(30%，质量分数)、两种水灰比(0.55和0.50)和四种钢纤维体积比(0%、0.5%、1.0%和1.5%)制备了一系列混凝土试样，然后在400 ℃的水平下对改性混凝土分别进行了0次、25次和50次的高温处理；最后对高温处理后的试样进行强度测试，以研究镍铁渣、钢纤维和热循环对混凝土力学特性的影响规律。还利用了超声波速测试对热循环混凝土的内部损伤进行探测；结合力学和波速测试结果，获得了镍铁渣、钢纤维和热循环次数对混凝土抗压强度、抗拉强度和波速的影响规律；同时根据波速测试和强度测试结果建立了二者之间的关系式和一般化的损伤因子，并利用损伤因子对改性混凝土的损伤规律进行了分析。

1 实 验

1.1 原材料

试验的胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥。粗骨料为破碎的花岗岩，最大粒径为20 mm。细骨料是天然河砂，细度模数为2.51；高炉镍铁渣的比重为3.49，吸水率为0.44%。试验材料的基本特性见表1。钢纤维的平均长度约为30 mm，纵横比为60。镍铁渣和水泥的XRF的化学成分分析结果见表2。

表1 试验材料Table 1 Experimental materials

表2 水泥和镍铁渣的化学成分Table 2 Chemical composition of cement and nickel-iron slag

1.2 镍铁渣和钢纤维的掺量

现有的试验[4,10]表明，镍铁渣的掺入可以有效地提高混凝土的工作性能、强度特性、抗硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透的能力以及降低混凝土的干缩现象。但过多的镍铁渣对混凝土强度和体积的改善效果会减弱。根据类似的研究[2,4,10]，镍铁渣的最优掺量范围为25%～35%(质量分数，下同)，如图1所示。因此，试验采用的镍铁渣掺量为30%；参照类似的试验[5,7-8]，钢纤维的体积掺量设置分别为0%、0.5%、1.0%和1.5%。

图1 文献[2,4,10]及试验结果Fig.1 Literatures [2,4,10] and experimental results

1.3 试样制备

根据水灰比将试样分为两组，其中组1的水灰比(W/C)为0.55，组2的水灰比为0.50。在此基础上用镍铁渣取代30%的河砂，并按体积比分别为0%、0.5%、1.0%和1.5%掺入钢纤维，共计16种试样。试样分组和各种材料的掺量如表3所示。在按照配合比完成混凝土制备后，根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对拌合好的混凝土进行工作性能测试，结果表明试样的坍落度范围为40～90 mm。

表3 试验分组及混凝土的配合比Table 3 Test group and material quality per unit volume of concrete

采用分批浇铸的方法进行试样浇筑，抗压试验试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体；劈裂试验试样为φ150 mm×300 mm的标准圆柱体。在浇筑过程中对试样进行震动压实，浇筑24 h后进行脱模、编号，并放入标准养护环境(温度为(20±3) ℃，相对湿度≥90%)下养护28 d。

1.4 热处理及抗压强度测试

为了研究试样的耐高温性能，分别对16种试样进行0次、25次和50次的热循环处理。参照现有混凝土的高温试验[7,11-12]，热循环的温度设置为400 ℃。在养护28 d后，将试样放入马弗炉，从室温(25 ℃)开始加热并开始计时，到400 ℃后维持温度8 h，之后停止加热冷却到室温，以此作为一个热循环。完成热循环处理之后，进行后续的强度和波速测试。强度试验采用RMT-201岩石与混凝土力学试验机，参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对试样进行抗压和劈裂测试，加载速度为0.5 MPa/s。

2 热处理后混凝土的力学性能

试验过程中，每种试样均制备3个，取3个试样测试结果的平均值作为最后的试验结果，具体如下。

2.1 抗压强度

钢纤维对混凝土抗压强度的影响如图2所示。由图2(a)和图2(b)可知，试样的抗压强度随着钢纤维的增加逐渐上升；且组2试样的最大抗压强度为61.5 MPa，大于组1试样的最大抗压强度。由图2(c)和图2(d)可知，钢纤维和镍铁渣复掺试样的强度呈现先增后减的现象，在钢纤维为1.0%时达到峰值。其中，钢纤维掺量为1.0%、水灰比为0.50的复掺试样的抗压强度达到了67.16 MPa;表明，1.0%的钢纤维、30%的镍铁渣和0.50的水灰比可以明显提高混凝土的抗压强度。

图2 钢纤维掺量对抗压强度的影响Fig.2 Influence of steel fiber content on compressive strength

热循环对混凝土抗压强度的影响如图3所示。随着热循环次数的增加，混凝土的抗压强逐渐降低；表明热循环导致的强度退化具有累积和强化的效果。通过线性拟合可以发现，组1试样的拟合线斜率平均值为-0.194 6，较组2试样的拟合线斜率均值(-0.209 78)小；说明组2试样对热循环更加敏感。为了更清晰地显示出热循环导致的混凝土力学性能的退化，本文引入了抗压强度降低率，其计算公式见式(1)。

图3 抗压强度随着热循环次数的变化Fig.3 Changes in compressive strength with numbers of thermal cycles

(1)

式中:Rc是抗压强度的降低率；fc0是热循环次数为0时的抗压强度；fcn是经过n次热循环后试样的抗压强度。

Rc的范围为：0～1,Rc值升高表明经过n次热循环之后试样的强度退化程度大，反之则较小。试样的抗压强度降低率如图4所示。由该图可知，25次热循环时两组试样的Rc实测范围分别为：0.13～0.19(图4(a)，0%镍铁渣)、0.13～0.16(图4(b),30%镍铁渣)。而经历50次循环之后，试样的Rc实测范围达到了： 0.19～0.3(图4(a)，0%镍铁渣)和0.19～0.28(图4(a)，30%镍铁渣),再次说明热循环具有累积和强化效应。此外，对比图4(a)和图4(b)可知，单掺钢纤维时，其最优掺量为1.5%；而复掺时，1-T30G1和2-T30G1试样的强度降低最少 (见图4(b))，此时钢纤维体积比为1.0%。

图4 钢纤维掺量对抗压强度降低率的影响Fig.4 Influence of steel fiber content on the compressive strength reduction rate

2.2 劈裂抗拉强度

钢纤维对劈裂抗拉强度的影响如图5所示。钢纤维对混凝土的抗拉强度具有积极的影响；其中2-T30G1.5试样的抗拉强度最大，为5.38 MPa, 如图5(d)所示。

图5 钢纤维掺量对抗拉强度的影响Fig.5 Influence of steel fiber content on tensile strength

热循环次数对抗拉强度的影响如图6所示。混凝土的抗拉强度随热循环次数的增加而降低，且组1和组2试样拟合线斜率非常接近，表明水灰比对抗拉强度的影响较弱。

图6 热循环对抗拉强度的影响Fig.6 Influence of thermal cycling on tensile strength

同抗压强度降低率，抗拉强度降低率计算见式(2)。

(2)

式中：Rl是抗拉强度的降低率；fl0是未经过热循环的抗拉强度；fln是n次热循环之后混凝土的抗拉强度。

图7为钢纤维对抗拉强度降低率的影响。结果表明(见图7)，Rl随着热循环次数的增加逐渐增大。但由图7(b)可以发现，在25次热循环时，含30%镍铁渣试样的抗拉强度降低率小于不含镍铁渣试样的强拉强度降低率；这说明镍铁渣对混凝土受热循环后的抗拉强度有积极影响。

图7 钢纤维掺量对抗拉强度降低率的影响Fig.7 Influence of steel fiber content on reduction rate of tensile strength

2.3 镍铁渣对混凝土耐高温性能的影响

在钢纤维体积分数相同时，试样的强度随着镍铁渣的变化规律可以反映出镍铁渣对混凝土耐高温特性的影响。因此，以抗压强度计算的耐高温系数Hch计算公式见式(3)。

(3)

式中：Hch的下标c和h分别表示抗压强度和高温;fc-T0为不含镍铁渣的试样的抗压强度；fc-T30含30%镍铁渣的抗压强度。

试样的耐高温系数如图8所示，除2-T30G1.5外，在添加30%的镍铁渣之后，试样的耐高温系数均大于0，表明，镍铁渣对混凝土的耐高温特性有积极作用，且在钢纤维掺量为0.5%～1.0%时，这一作用最为明显。

同式(3)，以抗拉强度计算的耐热系数Hlh计算公式见式(4)。

(4)

式中：Hlh的下标l和h分别表示抗拉强度和高温;fl-T0为不含镍铁渣试样的抗拉强度；fl-T30含30%镍铁渣试样的抗拉强度。

以抗拉强度计算的耐高温系数如图9所示。对比图8和图9可以看出，虽然两种方法获得的耐高温系数数值不同，但是对于组1，两种计算方式获得的耐高温系数的变化规律基本相同。但对于组2，当钢纤维掺量为1.0%时，镍铁渣的加入降低了试样的耐高温性能，这与利用抗压强度计算的结果有所不同。综合图8和图9的结果可知，钢纤维的最优掺量为0.5%～1.0%。

图8 镍铁渣对试样耐高温系数的影响(按照抗压强度计算)Fig.8 Influence of nickel-iron slag on temperature resistance coefficient (based on compressive strength)

图9 镍铁渣对试样耐高温系数的影响(按照抗拉强度计算)Fig.9 Influence of nickel-iron slag on temperature resistance coefficient (based on tensile strength)

3 波速测试及损伤分析

热循环会使得混凝土产生损伤，其损伤程度可以通过强度的退化反映出。材料的损伤也会影响压缩波的传播速度，且损伤越严重，波速越慢[12-13]。因此本文对热处理之后的试样进行超声波速测试，并结合强度测试结果对试样的高温损伤规律进行分析。

3.1 超声波速测试结果

钢纤维对超声波速的影响如图10所示。单掺钢纤维时，混凝土的波速随着钢纤维的增加而增加；复掺时，当钢纤维体积分数<1.0%时，试样的波速呈上升趋势；但当钢纤维体积分数>1.0%时， 波速出现了下降；这一规律与图2中的规律相同；再次说明钢纤维的最优掺量为1.0%。

超声波速随着热循环次数的变化规律如图11所示。当钢纤维和镍铁渣掺量不变时，超声波速随热循环次数的增加而降低，且从0次到25次时波速下降最快；之后逐渐放缓。此外，相同热循环次数下，组1试样的波速均低于组2。这一现象可能是由组1的水灰比高，含有更多水分，孔隙也相对更多，受热后水分蒸发；而声波在空气中的传播速度低于水中的传播速度，使波速下降。

综合图2、图3、图5、图6、图10和图11，可以发现波速测试结果与强度测试结果的变化规律基本相同。

图10 钢纤维掺量对超声波速的影响Fig.10 Influence of steel fiber content on ultrasonic velocity

图11 热循环对超声波速的影响Fig.11 Influence of thermal cycling on ultrasonic velocity

3.2 强度-超声波速关系

在利用热循环次数为0时的强度和波速对热循环后的试样的强度和波速进行归一化处理，之后根据部分试验结果拟合得出了强度和超声波的归一化线性关系，具体关系见式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中:fc、fl和v分别代表抗压强度、抗拉强度和超声波速；下标n和0分别代表n次和0次热循环。

上述关系计算的结果和试验结果如图12所示。由图12可知，所有的试验结果均集中于上述关系式以ΔY=0.03进行上下移动所包含的范围内，表明上述表达式能够较好地反映出波速和强度之间的关系。

图12 强度和波速间的关系Fig.12 Relationship between strength and wave speed

3.3 基于波速测试的热损伤分析

混凝土损伤最常见的表示方法是利用强度或者刚度的退化率来反映，也有学者[14]用超声波速来表示损伤因子。因此本文提出一个一般化的热损伤因子D表达式，如式(7)所示。

(7)

式中:Pn和P0分别为热循环损伤后和损伤前混凝土的物理力学参数。该参数可以是强度、刚度、波速，也可以是体积、质量等。

利用式(7)计算出不同热循环次数下试样的波速损伤因子(即P为波速)，然后得到平均损伤因子随热循环次数的变化规律。图13为不同参数与循环次数间的关系，其中包括基于波速的损伤因子(Dv)曲线。由vn/v0(热循环n次后的波速与热循环0次的波速之比)和Dv曲线可知，波速损伤为先快后慢，说明在热循环早期(0～25次)，混凝土会产生明显的损伤；但是随着循环次数的增加，热循环的损伤效应逐渐变弱。类似地，利用强度结果和式(7)计算出抗压强度损伤因子(Dc)和抗拉强度损伤因子(Dl)，见图13；对比三个损伤因子的变化情况可知热循环敏感性顺序为：波速>抗拉强度>抗压强度。

图13 不同参数与循环次数间的关系Fig.13 Relationship between different parameters and number of cycles

不同试样的波速损伤因子如图14所示。通过对比可知钢纤维对混凝土耐高温特性的改善效果大于镍铁渣；同时，较低的水灰比有利于降低混凝土的受热损伤。

图14 各因素对热循环损伤的影响规律Fig.14 Influence of various factors on thermal cycle damage

4 结 论

通过对高温处理后的镍铁渣和钢纤维改性混凝土进行强度测试，分析了镍铁渣、钢纤维和热循环对混凝土力学特性的影响。同时，采用超声波速测试研究了超声波速随着钢纤维和热循环的变化规律；并根据波速测试和力学试验结果对混凝土热循环的损伤规律进行分析，得出了如下结论：

(1)加入30%镍铁渣的可以提高混凝土的强度和耐热性。

(2)钢纤维的加入也有利于混凝土的强度特性和耐热性，但过多的钢纤维会对混凝土的强度和耐热性产生负面影响，本文建议的最优掺量为0.5%～1.0%。

(3)混凝土的抗压强度和抗拉强度均随着热循环次数的增加而降低，表明热循环对混凝土力学特性的退化具有累积效应。

(4)波速测试结果表明超声波速随着热循环次数的增加而降低；与强度试验结果具有相同的规律。基于此，建立了波速与强度的经验关系。

(5)通过建立一般化的损伤因子表达式，获得了由不同参数计算的损伤因子。对比表明波速对热循环的敏感性最强，抗拉强度次之，抗压强度最弱。同时，对热循环损伤的改善效果钢纤维>镍铁渣；低水灰比>高水灰比。