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

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

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。本文通過在超高強度混凝土（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)律與機理。通過壓縮試驗和拉伸試驗，得出了摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能。實驗數(shù)據(jù)表明，摻IFG和RCA的UHPC強度和韌性顯著提高。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析，研究了摻雜對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UHPC孔隙度，從而提高混凝土的密實度和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：超高強度混凝土（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，由于具有強度高、耐久性好等諸多優(yōu)點，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的需求越來越大，然而，UHPC的價格昂貴，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。本文通過摻鐵尾礦粉和再生細(xì)骨料來改性UHPC，研究摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能變化規(guī)律和機理分析。

實驗：

將IFG和RCA分別摻在UHPC混凝土中，按不同比例制備試件，對試件進(jìn)行壓縮試驗和拉伸試驗，得到摻IFG和RCA的UHPC的力學(xué)性能。對摻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UHPC微觀結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)果：

實驗數(shù)據(jù)表明，相比于未摻IFG和RCA的UHPC，摻IFG和RCA的UHPC的強度和韌性顯著提高。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強度和韌性的提高更為顯著。通過SEM和XRD分析，發(fā)現(xiàn)IFG和RCA的礦物顆粒可填補UHPC中孔隙度，從而提高其密實度和力學(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)性能和密實度。IFG能夠有效填補孔隙度，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)性能提高機理

IFG和RCA的加入對UHPC的力學(xué)性能的提高可以歸結(jié)為兩個方面。其一，IFG和RCA的礦物顆粒填補UHPC中孔隙度，使混凝土更加密實，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。這些機理的相對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aUHPC中孔隙度，最終提高混凝土的密實度?？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性，孔隙度和缺陷可能對混凝土的力學(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]，可以通過反應(yīng)生成一些晶體組分，此過程是一種密實作用機理。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SEM和XRD分析，可以更直觀地了解IFG和RCA對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混凝土中孔隙度的填補作用導(dǎo)致的。同時，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度和強度。通過這些化學(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，有利于強化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高其強度。

總之，由于UHPC的高水泥用量和高密實性，微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度的控制對于混凝土力學(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^協(xié)同作用，形成一種自愈合機制，即當(dāng)混凝土發(fā)生微裂縫時，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環(huán)境的危害，同時也具有經(jīng)濟價值[43-45]。IFG的資源順應(yīng)了中國政府“推動綠色礦業(yè)”和“資源綜合利用”等政策，推進(jìn)了我國礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展[46]。RCA則可以減輕對天然砂石的需求，節(jié)約資源，同時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可以實現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟雙贏。

綜上所述，IFG和RCA的添加對UHPC的性能具有顯著影響。IFG和RCA能夠填補混凝土中的孔隙度和缺陷，形成更為緊密的肌理結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實度和強度，同時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還可以通過其他材料和添加劑的加入來提高其性能。例如，鋼纖維和碳纖維可以用于增強混凝土的拉伸和抗彎強度，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，也可以用于增強混凝土的抗壓強度和耐久性，同時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)混凝土的流動性和凝固時間，使其更為適用于不同的施工場合[51]。

在UHPC的制備過程中，砂、水泥等原料的選擇和配合對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、早強和長期強度等多個因素，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)用是一個涉及材料科學(xué)、土木工程和施工技術(shù)等多個學(xué)科的綜合性問題。通過不斷的研究和實踐，我們可以探索到更多綠色、經(jīng)濟、持久的工程設(shè)計方案，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