高钛型高炉渣混凝土回弹法地区测强曲线试验研究

汪 杰，梁月华*，蔡 润，李 吉

（1.攀枝花学院土木与建筑工程学院,四川 攀枝花 617000；2.中冶成都勘察研究总院有限公司,四川 成都 610063；3.中国十九冶集团有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

随着社会经济的发展，人们对生活质量和生活环境的要求越来越高，也深刻认识到了环境的重要性。针对全球气候变暖的挑战，国际社会制定了《联合国气候变化框架公约》，并达成了《京都议定书》，我国在2021 年将“碳达峰、碳中和”写进了政府工作报告，承诺在2030 年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。攀枝花市充分利用各种工业固体废弃物，降低碳排放。

攀枝花市是因矿而建、因攀钢而兴的典型工业城市，每年产生采矿弃碴、尾矿、炉渣、钢渣等各类工业固体废弃物6 000～8 000 万t，其中每年产生高钛型高炉渣超过400 万t，高钛型高炉渣是攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿而产生的高炉熔渣经自然冷却或水淬冷却而形成[1]，其TiO2含量高达20%～29%。

经过多年的研究，高钛型高炉渣已经作为粗、细骨料制备混凝土而广泛应用于工程建设领域[2−8]。回弹法是利用混凝土表面硬度(回弹值)与混凝土抗压强度之间的关系建立模型来推定混凝土抗压强度的一种间接检测混凝土抗压强度的方法[9−11]，由于其简便易操作等特点，现广泛应用于混凝土强度的现场无损检测，主要参照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011）进行[12−13]。

混凝土回弹值受骨料种类、环境条件等诸多因素影响，尤其受骨料种类影响最大。《规程》为了保证在全国范围内的适用性，并具有指导意义，其统一曲线要求必然越低，检测结果也更趋于保守；《规程》明确指出：“有条件的地区和部门应制定本地区的测强曲线或专用测强曲线。检测单位宜按专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的顺序选用测强曲线”。诸多学者针对不同地区混凝土回弹法测强曲线进行了修正[14−18]，然而该方法在高钛型高炉渣混凝土强度无损检测中准确度如何，能否适用，尚存在诸多不确定性。

笔者针对攀西地区特有的高钛型高炉渣混凝土进行专门试验，建立专门的测强曲线，为攀西地区高钛型高炉渣混凝土回弹法进行强度无损检测提供参考依据。

1 试验研究

1.1 试验材料

试验用粗、细集料为攀钢产生，攀枝花环业冶金渣开发有限责任公司生产的高钛型高炉渣，主要成分如表1 所示，其宏观、微观形貌如图1 所示。可见，宏观上高钛型高炉渣骨料质地坚硬、表面多孔；微观上不同放大倍数下高钛型高炉渣微观形貌与宏观形貌观察结果相似，最小识别长度为10 μm时，高钛型高炉渣表面粗糙，成无序峰谷状排列，图1（b）中位置1 处显示高钛型高炉渣质地坚硬，位置2 处显示高钛型高炉渣表面存在明显孔洞；最小识别长度为200 μm 时，显示高钛型高炉渣表面凹凸不平，存在大量明显孔洞（如图1（c）位置3 所示）和坑洼（如图1（c）4 位置所示），部分孔洞中被小颗粒或其他坚硬物质充填（如图1（c）5 位置所示）。胶凝材料采用普通硅酸盐水泥，掺和料选用Ⅱ级粉煤灰，试验用水为自来水，减水剂选用PY-型高效减水剂。

图1 高钛型高炉渣SEM 微观形貌Fig.1 SEM microstructure of high-titanium oxide blast furnace slag

表1 高钛型高炉渣成分及含量Table 1 Composition and content of high-titanium blast furnace slag %

1.2 方案设计与试验实施

运用攀枝花环业商品混凝土有限责任公司生产用C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70 强度等级高钛型高炉渣混凝土配合比，制备边长为150 mm 的高钛型高炉渣混凝土立方体试块，饱和水状态下养护7 d 后自然条件下养护21 d，混凝土试块饱和水条件养护如图2 所示。

图2 混凝土试块饱和水条件养护Fig.2 Water-saturated curing of concrete test block

混凝土受二氧化碳侵蚀，而碳化是一个漫长的过程，自然条件下短期内无法测到明显的碳化深度，参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定（环境温度：20 ℃±2 ℃，湿度：70%±3%RH，二氧化碳浓度：20%±2%）[19]，将养护28 d 后的高钛型高炉渣混凝土放入碳化箱加速碳化0、3、7、14、28 d，模拟得到长龄期混凝土的碳化，混凝土加速碳化如图3 所示[20]。

图3 标准环境加速碳化试验Fig.3 Accelerated carbonation test of concrete in standard environment

对养护、加速碳化后的228 块混凝土立方体试块进行回弹试验测定回弹值。将试块表面擦拭干净，置于压力试验机的上下承压板之间，加压至60～100 kN；用回弹仪在试块的两个侧面上分别弹击8个点，共获得16 个回弹值，分别剔除3 个最大值和3 个最小值，以余下10 个值的平均值作为平均回弹值；继续增加荷载直至试块破坏[21]，记录破坏荷载值；对压力破坏的混凝土试块运用浓度为1%的酚酞酒精溶液显色测定其碳化深度。

2 试验数据分析

通过对228 个试块回弹值与实际抗压强度进行分析得出，高钛型高炉渣混凝土实际抗压强度区间为19.9～70.1 MPa，回弹值区间为 20.4～45.9，回弹值与实际抗压强度之间关系如图4 所示。回弹数值主要集中在30.4～39.9，涵盖数据点151 个，占比达到66.23%，对应的抗压强度区间范围为30.1～65.4 MPa。结合碳化深度值，参照《规程》确定混凝土回弹推定强度区间范围为11.1～57.8 MPa。228 个样品实际抗压强度值与《规程》推定强度值对比如图5 所示。

图4 回弹值与实际抗压强度的关系Fig.4 The relationship between rebound value and actual compressive strength

图5 《规程》推定强度值、《规程》推定强度值+10 MPa 与实际抗压强度之间的关系Fig.5 Relationship between the presumed strength value of the “Specification,” the presumed strength value of the Specification value+10 MPa and the actual compressive strength value

《规程》推定强度平均相对误差δ=30.25%，平均相对标准误差er=32.25%，无正误差，最大负误差为29.44 MPa，正误差比例为0，负误差比例100%，最大相对误差60.1%，相对误差大于25%的样本数为184，占比达到80.7%。《规程》推定强度值普遍低于实际抗压强度值两个强度等级，相关性差，即《规程》中统一测强曲线在高钛型高炉渣混凝土中结果偏于保守，实用性较差。

3 建立测强曲线

3.1 测强曲线回归模型选取

《规程》中给出的统一测强曲线模型如式（1）所示，并推荐在制定专用测强曲线或地区测强曲线时采用该回归曲线模型。

该模型可以看做由两部分组成，当不考虑碳化深度影响，即dm=0 时，可以看做当dm＞0 时，可以将作为碳化影响对a·Rbm进行修正，将碳化深度作为另一个测强参数来对回弹值和混凝土强度的关系进行修正，充分考虑碳化深度对强度的影响。

精度判定主要指标为强度平均相对误差 δ和强度相对标准差er，分别表示如式（2）和式（3）：

式中，δ为回归方程式(1)中强度平均相对误差（%），精度至0.1；er为回归方程式(1)中强度相对标准差（%），精度至0.1；fcu,i为由第i个试块抗压试验得出的混凝土抗压强度值（MPa），精确至为由同一试块的平均回弹值Rm和 平均碳化深度dm按式(1)推定的混凝土强度换算值（MPa），精确至0.1 MPa；n为制定回归方程的试块数。

3.2 幂函数回归曲线的确定

3.2.1 工程现场快速确定

如图5 所示，在《规程》推定强度值的基础上+10 MPa，结果相关系数为R2=0.777 1，平均相对误差 δ=13.49%，平均相对标准误差er=16.58%，满足《规程》对于地区测强曲线平均相对误差δ 不应大于±14.0%，相对标准差er不应大于17.0%的要求，强度符合性较好，但相关系数较差，可作为工程现场检测强度估算用。

《规程》推定强度值均低于实际抗压强度值，且两者之间差值较大；在《规程》推定值基础上直接+10 MPa，其值也整体比实际抗压强度值小，但两者之间差值更小，曲线更贴近，其精度比《规程》推定值更高。

3.2.2 地区测强曲线建立

按照《规程》中地区测强曲线的制定方法，根据回弹值、碳化深度、实际抗压强度之间关系，剔除相对误差绝对值大于25%，显著异常的数据22 个，对剩下的206 个数据，按式(1)模型运用MATLAB，采用最小二乘法进行拟合，得到高钛型高炉渣混凝土回弹曲线如图6 和式(4)所示：

图6 实际抗压强度值、拟合强度值与《规程》推定强度值对比Fig.6 Comparison diagram of the actual compressive strength,the fitting strength and the presumed strength of the “Specification”

拟合结果相关系数为R2=0.871 7，平均相对误差 δ=9.28%，平均相对标准误差er=11.30%，满足《规程》对于专用测强曲线平均相对误差 δ不应大于±12.0%，相对标准差er不应大于14.0%的要求。拟合结果最大正误差为10.76 MPa，最大负误差为15.31 MPa，正误差比例40.3%，负误差比例59.7%，最大相对误差25.2%，相对误差小于10%的样本数为173，占比达到84.0%。

4 结论

通过对228 个高钛型高炉渣标准混凝土试块进行“回弹−抗压−碳化深度试验”，分析回弹值、《规程》推定强度值、实际抗压强度值、碳化深度值之间关系得到如下结论：

1）按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）（采用全国统一测强曲线）检测攀西地区特有的高钛型高炉渣混凝土的强度与实际压载值误差较大，平均相对误差δ=30.25%，平均相对标准误差er=32.25%，结果可信度差，不宜直接使用。

2）在《规程》推定强度值的基础上+10 MPa，结果相关系数为R2=0.777 1，平均相对误差δ=13.49%，平均相对标准误差er=16.58%，满足《规程》对于地区测强曲线精度要求，可用于工程现场检测强度快速估算。

3）按照《规程》地区或专用测强曲线制定方法得到满足精度要求的攀西地区特有的高钛型高炉渣混凝土的回弹法测强曲线为，拟合结果相关系数为R2=0.871 7，平均相对误差 δ=9.28%，平均相对标准误差er=11.30%，满足《规程》中专用曲线精度要求，可在攀西地区高钛型高炉渣混凝土回弹法检测强度中推广使用。