摻鐵尾礦粉和再生細(xì)骨料對(duì)UHPC力學(xué)性能變化規(guī)律及機(jī)理研究

摻鐵尾礦粉和再生細(xì)骨料對(duì)UHPC力學(xué)性能變化規(guī)律及機(jī)理研究摘要：

為了提高鋼筋混凝土的性能，許多研究者已開始關(guān)注摻雜工業(yè)廢棄物的可行性。本文通過(guò)在超高強(qiáng)度混凝土（UHPC）中摻鐵尾礦粉（IFG）和再生細(xì)骨料（RCA），研究了UHPC的變化規(guī)律與機(jī)理。通過(guò)壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，得出了摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，摻IFG和RCA的UHPC強(qiáng)度和韌性顯著提高。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析，研究了摻雜對(duì)UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，IFG和RCA在尾礦中的大量組分含鐵礦物質(zhì)，可以填補(bǔ)UHPC孔隙度，從而提高混凝土的密實(shí)度和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度混凝土（UHPC），鐵尾礦粉（IFG），再生細(xì)骨料（RCA），力學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)

引言：

超高強(qiáng)度混凝土（UHPC）已在現(xiàn)代工程中得到廣泛應(yīng)用，由于具有強(qiáng)度高、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。然而，隨著工程施工的迅猛發(fā)展，應(yīng)用UHPC的需求越來(lái)越大，然而，UHPC的價(jià)格昂貴，限制了其應(yīng)用范圍。為了解決這一問題，以往的研究中已經(jīng)證實(shí)了將工業(yè)廢棄物摻雜到混凝土中可以降低成本和提高性能的可行性。本文通過(guò)摻鐵尾礦粉和再生細(xì)骨料來(lái)改性UHPC，研究摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能變化規(guī)律和機(jī)理分析。

實(shí)驗(yàn)：

將IFG和RCA分別摻在UHPC混凝土中，按不同比例制備試件，對(duì)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，得到摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能。對(duì)摻IFG和RCA的UHPC試件進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析，研究摻雜對(duì)UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相比于未摻IFG和RCA的UHPC，摻IFG和RCA的UHPC的強(qiáng)度和韌性顯著提高。其中，摻礦物成分含量最高的IFG和RCA的加入，特別是摻入IFG的UHPC強(qiáng)度和韌性的提高更為顯著。通過(guò)SEM和XRD分析，發(fā)現(xiàn)IFG和RCA的礦物顆?？商钛a(bǔ)UHPC中孔隙度，從而提高其密實(shí)度和力學(xué)性能。此外，RCA的加入還可以提高UHPC的變形性能，在UHPC試件破壞時(shí)呈現(xiàn)出明顯的早期塑性變形。

結(jié)論：

本研究表明，將IFG和RCA摻雜到UHPC中可以提高混凝土的力學(xué)性能和密實(shí)度。IFG能夠有效填補(bǔ)孔隙度，降低混凝土的孔隙度，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性。在加入RCA的情況下，會(huì)降低混凝土的松散程度和韌性，從而提高混凝土的變形性能和抗裂性能。本研究對(duì)于改進(jìn)UHPC的性能和降低成本產(chǎn)生了積極的影響。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度混凝土（UHPC），鐵尾礦粉（IFG），再生細(xì)骨料（RCA），力學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)

4.討論

4.1摻IFG和RCA的UHPC力學(xué)性能提高機(jī)理

IFG和RCA的加入對(duì)UHPC的力學(xué)性能的提高可以歸結(jié)為兩個(gè)方面。其一，IFG和RCA的礦物顆粒填補(bǔ)UHPC中孔隙度，使混凝土更加密實(shí)，減少了混凝土內(nèi)部的孔隙度和缺陷，進(jìn)而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和韌性。其二，RCA的加入減少了UHPC中的松散程度和韌性，從而提高了混凝土的變形性能和抗裂性能。這些機(jī)理的相對(duì)作用可能因混凝土配比和成分的不同而異。

IFG和RCA中的礦物顆?？梢蕴钛a(bǔ)UHPC中孔隙度，最終提高混凝土的密實(shí)度?？刂芔HPC中孔隙度的大小是影響混凝土力學(xué)性能的重要因素之一。由于UHPC的高水泥用量和高密實(shí)性，孔隙度和缺陷可能對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生更為顯著的影響。IFG和RCA中的礦物顆粒能夠填補(bǔ)混凝土中的空隙和缺陷，因而有效改善了混凝土的力學(xué)性能。據(jù)報(bào)道，IFG中含有一定量的CaO、MgO、Fe_2O_3和Al_2O_3等物質(zhì)[34]，可以通過(guò)反應(yīng)生成一些晶體組分，此過(guò)程是一種密實(shí)作用機(jī)理。RCA中的碎石、沙子等物料可以代替混凝土配比中的天然砂石，從而節(jié)約成本。此外，使用多回收的RCA可能會(huì)降低混凝土中的松散程度和缺陷，提高混凝土的韌性和抗裂性能。

4.2摻IFG和RCA的UHPC微觀結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)SEM和XRD分析，可以更直觀地了解IFG和RCA對(duì)UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響。SEM圖像顯示，UHPC試件摻IFG和RCA后，礦物顆粒能在混凝土中自然堆積，填補(bǔ)了混凝土中的空隙，并與水泥基質(zhì)緊密結(jié)合，形成了一種更為緊密的肌理結(jié)構(gòu)。此種變化是由礦物顆粒對(duì)混凝土中孔隙度的填補(bǔ)作用導(dǎo)致的。同時(shí)，這些礦物顆粒與水泥基質(zhì)的反應(yīng)也可能產(chǎn)生了新的晶體相，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

XRD結(jié)果顯示，摻IFG和RCA的UHPC中出現(xiàn)了新的晶體相。這表明IFG和RCA中的礦物顆粒在UHPC中可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了新的化合物，從而增加了混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度。通過(guò)這些化學(xué)反應(yīng)，熟料結(jié)晶化程度的提高可以促進(jìn)舒張相生成，使晶體產(chǎn)生局部拉伸，從而提高混凝土的宏觀性能。根據(jù)文獻(xiàn)[35-36]，舒張相能促進(jìn)晶體肌理結(jié)構(gòu)的形成，并通過(guò)反應(yīng)降低混凝土中的一些缺陷。此外，XRD結(jié)果還表明，摻IFG和RCA的UHPC中的結(jié)晶度增加，有利于強(qiáng)化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度。

總之，由于UHPC的高水泥用量和高密實(shí)性，微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度的控制對(duì)于混凝土力學(xué)性能具有重要的影響。IFG和RCA的加入可以填補(bǔ)混凝土中的孔隙度和缺陷，并形成更為緊密的肌理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能和密實(shí)度。另外，礦物顆粒與水泥基質(zhì)間的反應(yīng)使毛細(xì)孔被填充，從而提高了混凝土的密度。此外，通過(guò)XRD分析還發(fā)現(xiàn)，IFG和RCA的加入還可以增加混凝土中的結(jié)晶度，使晶體肌理結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定此外，摻IFG和RCA的UHPC還具有更好的耐久性和抗裂性能。IFG和RCA中含有的自然礦物能夠改善混凝土的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕性能。據(jù)研究表明，IFG中含有的氟硅酸鹽礦物可以與水泥形成新的化合物，并提高混凝土的堿度穩(wěn)定性，從而減緩水泥石的溶解速度[37-38]。RCA中的某些礦物如角閃石等也具有抗酸性和抗侵蝕性能[39]。因此，摻IFG和RCA的UHPC能夠在化學(xué)攻擊下表現(xiàn)出更好的耐久性。

此外，IFG和RCA還能夠提高混凝土的抗裂性能。IFG中的礦物顆?？梢酝ㄟ^(guò)協(xié)同作用，形成一種自愈合機(jī)制，即當(dāng)混凝土發(fā)生微裂縫時(shí)，IFG中的礦物顆粒能夠被激活并分散在微裂縫中，隨著水泥的自然水化反應(yīng)而形成晶體堆積，填充裂隙并重新凝固，從而實(shí)現(xiàn)微裂縫自愈合[40-41]。而RCA中的粗砂顆粒大小分布比較均勻，在混凝土中具有類似骨架的作用，能夠承擔(dān)一定的拉伸和抗裂能力[42]。因此，摻IFG和RCA的UHPC可以在一定程度上提高混凝土的抗裂性能，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。

除此之外，摻IFG和RCA還具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。IFG和RCA都是廢棄物或副產(chǎn)品，其開發(fā)和利用可以有效減少其對(duì)環(huán)境的危害，同時(shí)也具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值[43-45]。IFG的資源順應(yīng)了中國(guó)政府“推動(dòng)綠色礦業(yè)”和“資源綜合利用”等政策，推進(jìn)了我國(guó)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展[46]。RCA則可以減輕對(duì)天然砂石的需求，節(jié)約資源，同時(shí)還可以解決城市建設(shè)中廢棄混凝土的處理問題[47]。因此，摻IFG和RCA的UHPC可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)雙贏。

綜上所述，IFG和RCA的添加對(duì)UHPC的性能具有顯著影響。IFG和RCA能夠填補(bǔ)混凝土中的孔隙度和缺陷，形成更為緊密的肌理結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，同時(shí)還能改善混凝土的耐久性和抗裂性能。此外，摻IFG和RCA的UHPC還具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益?；谝陨蟽?yōu)良性能，IFG和RCA的添加可以廣泛應(yīng)用于UHPC的制備中，為混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供更為可靠的解決方案除了IFG和RCA的應(yīng)用之外，UHPC還可以通過(guò)其他材料和添加劑的加入來(lái)提高其性能。例如，鋼纖維和碳纖維可以用于增強(qiáng)混凝土的拉伸和抗彎強(qiáng)度，從而提高混凝土的耐久性[48]。納米材料，如二氧化硅和氧化鋁、碳納米管等，也可以用于增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和彈性模量[49-50]。此外，添加劑如高效減水劑、徐變劑等也可以調(diào)節(jié)混凝土的流動(dòng)性和凝固時(shí)間，使其更為適用于不同的施工場(chǎng)合[51]。

在UHPC的制備過(guò)程中，砂、水泥等原料的選擇和配合對(duì)混凝土的性能和耐久性也至關(guān)重要[52-53]。砂的選擇應(yīng)該遵循顆粒均勻、潔凈度高、顏色一致等原則，以獲得更加均勻和緊密的肌理結(jié)構(gòu)。水泥的選擇應(yīng)該考慮其硬化速度、早強(qiáng)和長(zhǎng)期強(qiáng)度等多個(gè)因素，以獲得更加穩(wěn)定和可靠的混凝土性能。

總之，UHPC的制備和應(yīng)用是一個(gè)涉及材料科學(xué)、土木工程和施工技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的綜合性問題。通過(guò)不斷的研究和實(shí)踐，我們可以探索到更多綠色、經(jīng)濟(jì)、持久的工程設(shè)計(jì)方案，為城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)綜上所述，UHPC是一種高性能的混凝土