高溫后鋼纖維重晶石混凝土力學特性試驗研究

劉財山，陳振富，2，3，吳旦，2，3，陶秋旺，2，3，謝利平

（1.南華大學土木工程學院，湖南衡陽 421001；2.高性能混凝土湖南省重點實驗室，湖南衡陽 421001；3.中核建核電土木工程與智能建筑結構重點實驗室，湖南衡陽 421001；4.中國核工業(yè)第二十二建設有限公司，湖北武漢 430051）

0 引 言

混凝土因其廉價、良好的力學性能與耐久性以及可塑性強等優(yōu)點，成為使用最廣的人工建筑材料之一。根據(jù)不同應用場景、工作性能等需求生產(chǎn)出不同類型的混凝土，防輻射混凝土就是其中一種。防輻射混凝土對X 射線、γ 射線和快中子具有良好的衰減性能[1-3]，因此被廣泛應用于核反應堆容器、核廢物儲存與處理建筑、醫(yī)療基礎設施、人防工程以及其他重大的國防工程[4]。目前，國內(nèi)外普遍采用重晶石和磁鐵礦等高密度礦石作為粗細骨料，同時引入充分數(shù)量的結晶水和含輕元素的化合物及其摻合料[5-6]，高密度的骨料可以屏蔽γ 射線，含輕元素的化合物能有效捕捉中子且不產(chǎn)生二次γ 射線。

然而，在防輻射混凝土服役期間，由于蒸汽的產(chǎn)生與處理、意外事故、核反應堆系統(tǒng)高溫部分傳遞的熱量以及γ 射線和中子射線衰減產(chǎn)生的熱量等作用[7-10]，會導致其暴露在高溫環(huán)境下，如核電廠的防輻射混凝土，在正常工況下溫度基本為60～120 ℃[11]。由于混凝土的熱惰性，內(nèi)部會形成較大梯度的熱應力，造成混凝土劣化，進而影響其力學性能及屏蔽性能。研究表明[12-15]，摻入鋼纖維可以改善混凝土的導熱性，從而有效降低混凝土內(nèi)部溫度梯度，對混凝土中裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展起到了抑制作用。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)[16]：重晶石混凝土相比磁鐵礦混凝土屏蔽性能較好且成本便宜，但高溫后劣化較為嚴重。因此，本研究通過改變鋼纖維的體積摻量（0、0.5%、1.0%、1.5%）來探究重晶石混凝土（BC）在不同溫度后（25、105、200、300、400 ℃）的質量損失、抗壓強度、劈裂抗拉強度以及超聲波波速的變化，并建立了高溫作用后鋼纖維重晶石混凝土（SFBC）的損傷演化曲線和超聲波波速與強度的關系曲線。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）水泥：海螺牌P·O42.5 水泥，其主要化學成分見表1，物理力學性能見表2。

表1 水泥的主要化學成分%

表2 水泥的物理力學性能

（2）骨料：重晶石骨料來自湖南衡陽。原石洗滌干燥后，使用標準方孔篩篩選，剔除片狀和針狀，其余裝袋備用。試驗所用粗骨料的最大粒徑為20 mm，由5~10 mm、10~16 mm 和16~20 mm 的粗骨料按12∶10∶3 的質量比混合而成。細骨料由粗骨料破碎得到，最大粒徑為5 mm。骨料的主要化學成分、基本性能和外觀特征分別見表3、表4 和圖1。

圖1 重晶石骨料的外觀特征

表3 骨料的主要化學成分%

表4 骨料的基本性能

（3）鋼纖維：波浪型，基本性能見表5。

表5 鋼纖維的基本性能

（4）水：自來水。

1.2 配合比及試樣制備

為獲得實際應用中的防輻射混凝土，考慮到砂漿中結晶水含量有助于提高混凝土的屏蔽性能，因此，在防輻射混凝土配合比設計時應考慮水泥用量大于350 kg/m3[17-18]，經(jīng)反復試驗確定重晶石混凝土的配合比如表6 所示。

表6 重晶石混凝土的配合比

試驗共設計并制備100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊100 塊，每個纖維摻量制作25 塊，進行25、105、200、300、400 ℃高溫試驗各5 塊。試件完成后24 h 脫模，然后將其放置在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d?；炷猎嚰B(yǎng)護完成后，將其放置于干燥通風處靜置14 d，隨后放入干燥箱[溫度（105±5）℃]中2 d。

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫加熱試驗

試件采用爐膛尺寸為600 mm×600 mm×600 mm 的馬弗爐進行加熱，為確保試塊6 面受火加熱均勻，爐內(nèi)采用耐火磚和鋼網(wǎng)將試塊架空（見圖2）。所有重晶石混凝土試塊均分批次從常溫（25 ℃）開始加熱，以5 ℃/min 的升溫速率加熱至目標溫度（105、200、300、400 ℃）后恒溫1 h，以使試塊內(nèi)外溫度趨于一致，待爐內(nèi)溫度自然冷卻至常溫，將試塊取出以保鮮膜包裹備用。

圖2 重晶石混凝土試塊高溫加熱試驗

1.3.2 強度試驗

重晶石混凝土的抗壓及劈裂抗拉強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試，試驗儀器為WAW-EY1000C 微機控制電液伺服萬能試驗機，通過位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min。

1.3.3 超聲測試

采用ZBL-U520（510）非金屬超聲檢測儀在高溫后對混凝土試件進行超聲波無損測試，試驗方法按照CECS 21—2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫后試件的質量損失率

高溫后重晶石混凝土的質量損失率如表7 所示。

表7 高溫后重晶石混凝土的質量損失率

由表7 可見，隨著受火溫度的升高，重晶石混凝土的質量損失率逐漸增大；且隨著鋼纖維的摻入，對質量損傷有輕微減少，這是因為鋼纖維的添加對裂縫發(fā)展有一定的抑制作用，可能會阻礙高溫下水分的蒸發(fā)，然而因為水分的蒸發(fā)并不依賴于寬裂縫的形成，所以摻入鋼纖維不會對質量損失有顯著影響[19]。105 ℃時，質量損失率為2.28%~2.32%，重晶石混凝土質量損失為試塊內(nèi)部的自由水蒸發(fā)；105~200 ℃時，質量損失率隨受火溫度的升高變化幅度較為平緩，這是因為經(jīng)歷烘干后的試塊已經(jīng)達到干燥狀態(tài)；200~300 ℃時，質量損失開始增大，此時試塊內(nèi)部分結合水開始分解蒸發(fā)；300~400 ℃時，重晶石混凝土試塊質量損失急劇增大，未摻鋼纖維的重晶石混凝土質量損失率達到24.13%，但摻1.0%鋼纖維的重晶石混凝土質量損失率僅為11.00%。這是由于混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物中結晶水的蒸發(fā)及重晶石骨料結構性質共同作用引起的[20]。此時未摻鋼纖維的重晶石混凝土質量損失遠超摻鋼纖維的試塊，這是因為試塊內(nèi)部溫度梯度較大產(chǎn)生較大的熱應力，同時由于重晶石骨料的層狀微裂結構，內(nèi)部部分或完全填充了熱敏性物質（如沸石等）[21]，在300~450 ℃時，重晶石骨料中熱敏物質結晶水的排出[22]，蒸汽引起骨料膨脹，導致混凝土試塊炸裂、外皮掉落嚴重；而摻入鋼纖維可以改善混凝土導熱性能，降低試塊內(nèi)部溫度梯度從而減小熱應力，且鋼纖維與水泥基體粘結可增強混凝土韌性，約束骨料膨脹，減緩混凝土試塊炸裂。

2.2 抗壓強度及劈裂抗拉強度

高溫后鋼纖維重晶石混凝土的殘余抗壓及劈裂抗拉強度分別見表8、表9。

表8 高溫后重晶石混凝土的殘余抗壓強度

表9 高溫后重晶石混凝土的殘余劈裂抗拉強度

由表8 可知：

（1）重晶石混凝土的殘余抗壓強度隨著受火溫度的升高而逐漸降低，摻入鋼纖維后，重晶石混凝土殘余抗壓強度明顯提高，其中鋼纖維摻量為1.0%的重晶石混凝土在各受火溫度時的殘余抗壓強度均最高，在常溫下較未摻纖維的重晶石混凝土提高了14.53%，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后提高了51.56%。其原因可能是重晶石混凝土中摻入鋼纖維可抑制裂縫開展，對提高重晶石混凝土高溫后殘余抗壓強度、降低強度損失率有顯著作用[23-24]。隨著鋼纖維摻量的增加，常溫下重晶石混凝土抗壓強度呈現(xiàn)先提高后降低趨勢，這是因為適量的鋼纖維可以在混凝土中均勻分布，其構成的三維網(wǎng)狀結構能有效抵抗混凝土內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生，但隨著摻量的繼續(xù)增加，鋼纖維在混凝土內(nèi)部無法均勻分散，互相糾結成團，水泥漿體無法進入，最終導致混凝土內(nèi)部形成應力集中破壞點，使得抗壓強度降低。

（2）200 ℃之前，各組混凝土殘余抗壓強度隨受火溫度升高下降較為平緩，降幅最大的為鋼纖維摻量1.5%的重晶石混凝土（16.46%）；未摻鋼纖維的重晶石混凝土在200 ℃后強度下降加快，而摻入鋼纖維將重晶石混凝土在高溫后的強度下降延緩到了300 ℃之后。

（3）鋼纖維的摻入有利于提高重晶石混凝土高溫后殘余抗壓強度，但在常溫下對抗壓強度的影響較小，而對試塊起加固作用，抗壓破壞模式從脆性變?yōu)檠有?。鋼纖維摻量是影響抗壓強度的重要因素，體積摻量為1.0%的鋼纖維對重晶石混凝土抗壓強度的提高最顯著。

由表9 可見：

（1）重晶石混凝土的殘余劈裂抗拉強度隨受火溫度的升高而降低，且隨著鋼纖維摻量的增加而提高。在常溫下（25 ℃），鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混凝土劈裂抗拉強度較未摻時分別提高了23.57%、56.05%、89.17%；經(jīng)歷400 ℃高溫作用后，鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混凝土劈裂抗拉強度較未摻時分別提高了289.66%、344.83%、475.86%，劈裂抗拉強度增幅顯著。其原因是鋼纖維的摻入增強了水泥基體的韌性，從而提高了重晶石混凝土的劈裂抗拉強度。

（2）未摻鋼纖維的普通重晶石混凝土劈裂抗拉強度在高溫作用后驟降，且在300~400 ℃時下降最快，這是因為重晶石骨料膨脹炸裂喪失強度，同時與水泥基體交界處產(chǎn)生裂縫，劈拉強度快速下降；而摻入鋼纖維的重晶石混凝土劈裂抗拉強度下降速度明顯減緩，特別是在400 ℃時，摻1.5%鋼纖維的殘余劈裂抗拉強度是未摻時的5.76 倍，這表明鋼纖維對緩解高溫對重晶石混凝土殘余強度的不利影響是有效的。

2.3 超聲波無損檢測

高溫作用后SFBC 的超聲波波速見表10。本文引用高溫作用下犧牲混凝土的損傷度D計算公式[25][見式（1），僅適用于高溫自然冷卻后的混凝土]。高溫后SFBC 的相對波速和損傷度分別見圖3、圖4，通過相對波速和損傷度2 個參數(shù)與溫度的關系間接分析評價試件內(nèi)部結構的劣化損傷程度。

圖3 高溫后SFBC的相對波速

圖4 高溫后SFBC的損傷度

表10 高溫后重晶石混凝土的超聲波波速

式中：V——SFBC 常溫下（25 ℃）的初始超聲波波速，km/s；

VT——不同溫度后SFBC 的超聲波波速，km/s。

由表10 可知，在常溫下，SFBC 的超聲波波速均比未摻入鋼纖維的重晶石混凝土高；SFBC 的超聲波波速均隨溫度的升高而降低。這主要是因為鋼纖維的加入有助于減少混凝土內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生，而高溫作用后，混凝土內(nèi)部缺陷增多，鋼纖維與基體界面過渡區(qū)裂紋、孔洞增多，基體變疏松，超聲波波速不斷降低[26]。

由圖3 可知，SFBC 的相對波速隨溫度的升高而逐漸降低。在200 ℃之前，SFBC 的相對波速下降較為平緩，下降幅度在11.17%~16.36%，SFBC 相對波速的降幅在300 ℃時開始變大，在400 ℃時降幅急劇增大（最小為SFBC-1.0 的41.88%）。

綜合圖3、圖4 可以看出，由于高溫作用下混凝土水化產(chǎn)物[C-S-H、Ca（OH）2等]的大量分解及骨料膨脹的各向異性，SFBC 的最大劣化發(fā)生在300~400 ℃；而摻入鋼纖維可以減緩損傷，但摻量過低時效果并不顯著，摻量過多時因鋼纖維在混凝土中無法均勻分布而影響效果，1.0%為鋼纖維較優(yōu)摻量。

2.3.2 超聲波波速與強度的關系

為加強日常的運行與管理，保證工程的良性運行，避免因職能設置混亂、相互扯皮及人員分工的不合理造成不應有的經(jīng)濟損失而影響日常的正常通水要求，應建立健全各項規(guī)章制度、完善職能分工和搞好人員的優(yōu)化配置。

圖5、圖6 為高溫后SFBC 相對波速（VT/V25）分別與相對抗壓強度（fc，T/fc，25）和相對劈裂抗拉強度（ft，T/ft，25）的關系，并選取合適的函數(shù)[見式（2）、式（3）]進行回歸分析，擬合結果見表11。

圖5 高溫后SFBC 相對波速與相對抗壓強度的關系

圖6 高溫后SFBC 相對波速與相對劈裂抗拉強度的關系

表11 高溫后SFBC超聲波波速與力學性能擬合結果

式中：fc，T——SFBC 在不同溫度作用后的抗壓強度，MPa；

fc，25——25 ℃時SFBC 的抗壓強度，MPa；

ft，T——SFBC 在不同溫度作用后的劈裂抗拉強度，MPa；

ft，25——25 ℃時SFBC 的劈裂抗拉強度，MPa；

V——25 ℃時的超聲波波速，km/s；

a，b，c——擬合常數(shù)。

對于熱損傷材料，超聲波波速能準確、直觀地反映材料損傷力學性能的變化趨勢。試驗發(fā)現(xiàn)，SFBC 的相對波速分別與相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度2 種力學性能的擬合結果較好（R2＞0.94），所以相對波速的變化能評價鋼纖維重晶石混凝土在不同溫度作用后的力學性能，并通過不同溫度作用后相對波速的變化預測其抗壓強度及劈裂抗拉強度。因此，超聲波無損檢測技術可以作為評價及預測SFBC 高溫作用后力學性能的方法。

3 結 論

（1）SFBC 高溫后質量損失率隨著受火溫度的升高而增大。未摻入鋼纖維的重晶石混凝土試塊在400 ℃時質量損失高達24.13%；摻1.0%鋼纖維可明顯降低SFBC 高溫后的質量損失，400 ℃時質量損失僅為11.00%。

（2）高溫后SFBC 的殘余抗壓強度和殘余劈裂抗拉強度均隨受火溫度的升高而降低。摻入鋼纖維可以提高重晶石混凝土的強度，但抗壓強度增幅不大，常溫下?lián)?.0%鋼纖維時僅提高14.53%；而對于劈裂抗拉強度增強效果顯著，且隨著摻量的增加增幅變大，常溫下?lián)饺?.5%鋼纖維時提高89.17%。經(jīng)400 ℃高溫作用后，抗壓強度增幅最大為摻1.0%鋼纖維的51.56%，而劈裂抗拉強度增幅最大為摻1.5%鋼纖維時，為不摻鋼纖維的5.76 倍。

（3）SFBC 的超聲波波速隨受火溫度的升高而降低。與普通重晶石混凝土相比，摻入鋼纖維的重晶石混凝土在常溫下有明顯提升，但高溫作用后，由于鋼纖維與基體過渡區(qū)裂紋、空隙增多，超聲波波速下降較快；鋼纖維以1.0%體積摻量為較優(yōu)摻量。

（4）高溫作用后SFBC 的相對波速與相對抗壓強度、相對劈裂抗拉強度均有良好的回歸關系（R2＞0.94）。因此，超聲波無損檢測技術可以用來評價高溫作用后SFBC 的受損程度。