高鈦型高爐渣混凝土回彈法地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線試驗(yàn)研究

汪 杰，梁月華*，蔡 潤(rùn)，李 吉

（1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000；2.中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610063；3.中國十九冶集團(tuán)有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量和生活環(huán)境的要求越來越高，也深刻認(rèn)識(shí)到了環(huán)境的重要性。針對(duì)全球氣候變暖的挑戰(zhàn)，國際社會(huì)制定了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，并達(dá)成了《京都議定書》，我國在2021 年將“碳達(dá)峰、碳中和”寫進(jìn)了政府工作報(bào)告，承諾在2030 年前，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。攀枝花市充分利用各種工業(yè)固體廢棄物，降低碳排放。

攀枝花市是因礦而建、因攀鋼而興的典型工業(yè)城市，每年產(chǎn)生采礦棄碴、尾礦、爐渣、鋼渣等各類工業(yè)固體廢棄物6 000～8 000 萬t，其中每年產(chǎn)生高鈦型高爐渣超過400 萬t，高鈦型高爐渣是攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦而產(chǎn)生的高爐熔渣經(jīng)自然冷卻或水淬冷卻而形成[1]，其TiO2含量高達(dá)20%～29%。

經(jīng)過多年的研究，高鈦型高爐渣已經(jīng)作為粗、細(xì)骨料制備混凝土而廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域[2?8]?；貜椃ㄊ抢没炷帘砻嬗捕?回彈值)與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系建立模型來推定混凝土抗壓強(qiáng)度的一種間接檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的方法[9?11]，由于其簡(jiǎn)便易操作等特點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)，主要參照《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T23-2011）進(jìn)行[12?13]。

混凝土回彈值受骨料種類、環(huán)境條件等諸多因素影響，尤其受骨料種類影響最大?！兑?guī)程》為了保證在全國范圍內(nèi)的適用性，并具有指導(dǎo)意義，其統(tǒng)一曲線要求必然越低，檢測(cè)結(jié)果也更趨于保守；《規(guī)程》明確指出：“有條件的地區(qū)和部門應(yīng)制定本地區(qū)的測(cè)強(qiáng)曲線或?qū)Ｓ脺y(cè)強(qiáng)曲線。檢測(cè)單位宜按專用測(cè)強(qiáng)曲線、地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線、統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的順序選用測(cè)強(qiáng)曲線”。諸多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)混凝土回彈法測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行了修正[14?18]，然而該方法在高鈦型高爐渣混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)中準(zhǔn)確度如何，能否適用，尚存在諸多不確定性。

筆者針對(duì)攀西地區(qū)特有的高鈦型高爐渣混凝土進(jìn)行專門試驗(yàn)，建立專門的測(cè)強(qiáng)曲線，為攀西地區(qū)高鈦型高爐渣混凝土回彈法進(jìn)行強(qiáng)度無損檢測(cè)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用粗、細(xì)集料為攀鋼產(chǎn)生，攀枝花環(huán)業(yè)冶金渣開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高鈦型高爐渣，主要成分如表1 所示，其宏觀、微觀形貌如圖1 所示。可見，宏觀上高鈦型高爐渣骨料質(zhì)地堅(jiān)硬、表面多孔；微觀上不同放大倍數(shù)下高鈦型高爐渣微觀形貌與宏觀形貌觀察結(jié)果相似，最小識(shí)別長(zhǎng)度為10 μm時(shí)，高鈦型高爐渣表面粗糙，成無序峰谷狀排列，圖1（b）中位置1 處顯示高鈦型高爐渣質(zhì)地堅(jiān)硬，位置2 處顯示高鈦型高爐渣表面存在明顯孔洞；最小識(shí)別長(zhǎng)度為200 μm 時(shí)，顯示高鈦型高爐渣表面凹凸不平，存在大量明顯孔洞（如圖1（c）位置3 所示）和坑洼（如圖1（c）4 位置所示），部分孔洞中被小顆?；蚱渌麍?jiān)硬物質(zhì)充填（如圖1（c）5 位置所示）。膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥，摻和料選用Ⅱ級(jí)粉煤灰，試驗(yàn)用水為自來水，減水劑選用PY-型高效減水劑。

圖1 高鈦型高爐渣SEM 微觀形貌Fig.1 SEM microstructure of high-titanium oxide blast furnace slag

表1 高鈦型高爐渣成分及含量Table 1 Composition and content of high-titanium blast furnace slag %

1.2 方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)實(shí)施

運(yùn)用攀枝花環(huán)業(yè)商品混凝土有限責(zé)任公司生產(chǎn)用C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70 強(qiáng)度等級(jí)高鈦型高爐渣混凝土配合比，制備邊長(zhǎng)為150 mm 的高鈦型高爐渣混凝土立方體試塊，飽和水狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7 d 后自然條件下養(yǎng)護(hù)21 d，混凝土試塊飽和水條件養(yǎng)護(hù)如圖2 所示。

圖2 混凝土試塊飽和水條件養(yǎng)護(hù)Fig.2 Water-saturated curing of concrete test block

混凝土受二氧化碳侵蝕，而碳化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，自然條件下短期內(nèi)無法測(cè)到明顯的碳化深度，參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定（環(huán)境溫度：20 ℃±2 ℃，濕度：70%±3%RH，二氧化碳濃度：20%±2%）[19]，將養(yǎng)護(hù)28 d 后的高鈦型高爐渣混凝土放入碳化箱加速碳化0、3、7、14、28 d，模擬得到長(zhǎng)齡期混凝土的碳化，混凝土加速碳化如圖3 所示[20]。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境加速碳化試驗(yàn)Fig.3 Accelerated carbonation test of concrete in standard environment

對(duì)養(yǎng)護(hù)、加速碳化后的228 塊混凝土立方體試塊進(jìn)行回彈試驗(yàn)測(cè)定回彈值。將試塊表面擦拭干凈，置于壓力試驗(yàn)機(jī)的上下承壓板之間，加壓至60～100 kN；用回彈儀在試塊的兩個(gè)側(cè)面上分別彈擊8個(gè)點(diǎn)，共獲得16 個(gè)回彈值，分別剔除3 個(gè)最大值和3 個(gè)最小值，以余下10 個(gè)值的平均值作為平均回彈值；繼續(xù)增加荷載直至試塊破壞[21]，記錄破壞荷載值；對(duì)壓力破壞的混凝土試塊運(yùn)用濃度為1%的酚酞酒精溶液顯色測(cè)定其碳化深度。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)228 個(gè)試塊回彈值與實(shí)際抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析得出，高鈦型高爐渣混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度區(qū)間為19.9～70.1 MPa，回彈值區(qū)間為 20.4～45.9，回彈值與實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系如圖4 所示?；貜棓?shù)值主要集中在30.4～39.9，涵蓋數(shù)據(jù)點(diǎn)151 個(gè)，占比達(dá)到66.23%，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度區(qū)間范圍為30.1～65.4 MPa。結(jié)合碳化深度值，參照《規(guī)程》確定混凝土回彈推定強(qiáng)度區(qū)間范圍為11.1～57.8 MPa。228 個(gè)樣品實(shí)際抗壓強(qiáng)度值與《規(guī)程》推定強(qiáng)度值對(duì)比如圖5 所示。

圖4 回彈值與實(shí)際抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 The relationship between rebound value and actual compressive strength

圖5 《規(guī)程》推定強(qiáng)度值、《規(guī)程》推定強(qiáng)度值+10 MPa 與實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)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

《規(guī)程》推定強(qiáng)度平均相對(duì)誤差δ=30.25%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=32.25%，無正誤差，最大負(fù)誤差為29.44 MPa，正誤差比例為0，負(fù)誤差比例100%，最大相對(duì)誤差60.1%，相對(duì)誤差大于25%的樣本數(shù)為184，占比達(dá)到80.7%?！兑?guī)程》推定強(qiáng)度值普遍低于實(shí)際抗壓強(qiáng)度值兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，相關(guān)性差，即《規(guī)程》中統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線在高鈦型高爐渣混凝土中結(jié)果偏于保守，實(shí)用性較差。

3 建立測(cè)強(qiáng)曲線

3.1 測(cè)強(qiáng)曲線回歸模型選取

《規(guī)程》中給出的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線模型如式（1）所示，并推薦在制定專用測(cè)強(qiáng)曲線或地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線時(shí)采用該回歸曲線模型。

該模型可以看做由兩部分組成，當(dāng)不考慮碳化深度影響，即dm=0 時(shí)，可以看做當(dāng)dm＞0 時(shí)，可以將作為碳化影響對(duì)a·Rbm進(jìn)行修正，將碳化深度作為另一個(gè)測(cè)強(qiáng)參數(shù)來對(duì)回彈值和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行修正，充分考慮碳化深度對(duì)強(qiáng)度的影響。

精度判定主要指標(biāo)為強(qiáng)度平均相對(duì)誤差 δ和強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er，分別表示如式（2）和式（3）：

式中，δ為回歸方程式(1)中強(qiáng)度平均相對(duì)誤差（%），精度至0.1；er為回歸方程式(1)中強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（%），精度至0.1；fcu,i為由第i個(gè)試塊抗壓試驗(yàn)得出的混凝土抗壓強(qiáng)度值（MPa），精確至為由同一試塊的平均回彈值Rm和 平均碳化深度dm按式(1)推定的混凝土強(qiáng)度換算值（MPa），精確至0.1 MPa；n為制定回歸方程的試塊數(shù)。

3.2 冪函數(shù)回歸曲線的確定

3.2.1 工程現(xiàn)場(chǎng)快速確定

如圖5 所示，在《規(guī)程》推定強(qiáng)度值的基礎(chǔ)上+10 MPa，結(jié)果相關(guān)系數(shù)為R2=0.777 1，平均相對(duì)誤差 δ=13.49%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=16.58%，滿足《規(guī)程》對(duì)于地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差δ 不應(yīng)大于±14.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er不應(yīng)大于17.0%的要求，強(qiáng)度符合性較好，但相關(guān)系數(shù)較差，可作為工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)強(qiáng)度估算用。

《規(guī)程》推定強(qiáng)度值均低于實(shí)際抗壓強(qiáng)度值，且兩者之間差值較大；在《規(guī)程》推定值基礎(chǔ)上直接+10 MPa，其值也整體比實(shí)際抗壓強(qiáng)度值小，但兩者之間差值更小，曲線更貼近，其精度比《規(guī)程》推定值更高。

3.2.2 地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線建立

按照《規(guī)程》中地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的制定方法，根據(jù)回彈值、碳化深度、實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系，剔除相對(duì)誤差絕對(duì)值大于25%，顯著異常的數(shù)據(jù)22 個(gè)，對(duì)剩下的206 個(gè)數(shù)據(jù)，按式(1)模型運(yùn)用MATLAB，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到高鈦型高爐渣混凝土回彈曲線如圖6 和式(4)所示：

圖6 實(shí)際抗壓強(qiáng)度值、擬合強(qiáng)度值與《規(guī)程》推定強(qiáng)度值對(duì)比Fig.6 Comparison diagram of the actual compressive strength,the fitting strength and the presumed strength of the “Specification”

擬合結(jié)果相關(guān)系數(shù)為R2=0.871 7，平均相對(duì)誤差 δ=9.28%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=11.30%，滿足《規(guī)程》對(duì)于專用測(cè)強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差 δ不應(yīng)大于±12.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er不應(yīng)大于14.0%的要求。擬合結(jié)果最大正誤差為10.76 MPa，最大負(fù)誤差為15.31 MPa，正誤差比例40.3%，負(fù)誤差比例59.7%，最大相對(duì)誤差25.2%，相對(duì)誤差小于10%的樣本數(shù)為173，占比達(dá)到84.0%。

4 結(jié)論

通過對(duì)228 個(gè)高鈦型高爐渣標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊進(jìn)行“回彈?抗壓?碳化深度試驗(yàn)”，分析回彈值、《規(guī)程》推定強(qiáng)度值、實(shí)際抗壓強(qiáng)度值、碳化深度值之間關(guān)系得到如下結(jié)論：

1）按《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）（采用全國統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線）檢測(cè)攀西地區(qū)特有的高鈦型高爐渣混凝土的強(qiáng)度與實(shí)際壓載值誤差較大，平均相對(duì)誤差δ=30.25%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=32.25%，結(jié)果可信度差，不宜直接使用。

2）在《規(guī)程》推定強(qiáng)度值的基礎(chǔ)上+10 MPa，結(jié)果相關(guān)系數(shù)為R2=0.777 1，平均相對(duì)誤差δ=13.49%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=16.58%，滿足《規(guī)程》對(duì)于地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線精度要求，可用于工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)強(qiáng)度快速估算。

3）按照《規(guī)程》地區(qū)或?qū)Ｓ脺y(cè)強(qiáng)曲線制定方法得到滿足精度要求的攀西地區(qū)特有的高鈦型高爐渣混凝土的回彈法測(cè)強(qiáng)曲線為，擬合結(jié)果相關(guān)系數(shù)為R2=0.871 7，平均相對(duì)誤差 δ=9.28%，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=11.30%，滿足《規(guī)程》中專用曲線精度要求，可在攀西地區(qū)高鈦型高爐渣混凝土回彈法檢測(cè)強(qiáng)度中推廣使用。