掺铁尾矿粉和再生细骨料对UHPC力学性能变化规律及机理研究

掺铁尾矿粉和再生细骨料对UHPC力学性能变化规律及机理研究摘要：

为了提高钢筋混凝土的性能，许多研究者已开始关注掺杂工业废弃物的可行性。本文通过在超高强度混凝土（UHPC）中掺铁尾矿粉（IFG）和再生细骨料（RCA），研究了UHPC的变化规律与机理。通过压缩试验和拉伸试验，得出了掺IFG和RCA的UHPC的力学性能。实验数据表明，掺IFG和RCA的UHPC强度和韧性显著提高。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，研究了掺杂对UHPC微观结构的影响。结果表明，IFG和RCA在尾矿中的大量组分含铁矿物质，可以填补UHPC孔隙度，从而提高混凝土的密实度和力学性能。

关键词：超高强度混凝土（UHPC），铁尾矿粉（IFG），再生细骨料（RCA），力学性能，微观结构

引言：

超高强度混凝土（UHPC）已在现代工程中得到广泛应用，由于具有强度高、耐久性好等诸多优点，在工程领域中得到了广泛的推广应用。然而，随着工程施工的迅猛发展，应用UHPC的需求越来越大，然而，UHPC的价格昂贵，限制了其应用范围。为了解决这一问题，以往的研究中已经证实了将工业废弃物掺杂到混凝土中可以降低成本和提高性能的可行性。本文通过掺铁尾矿粉和再生细骨料来改性UHPC，研究掺IFG和RCA的UHPC的力学性能变化规律和机理分析。

实验：

将IFG和RCA分别掺在UHPC混凝土中，按不同比例制备试件，对试件进行压缩试验和拉伸试验，得到掺IFG和RCA的UHPC的力学性能。对掺IFG和RCA的UHPC试件进行扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，研究掺杂对UHPC微观结构的影响。

结果：

实验数据表明，相比于未掺IFG和RCA的UHPC，掺IFG和RCA的UHPC的强度和韧性显著提高。其中，掺矿物成分含量最高的IFG和RCA的加入，特别是掺入IFG的UHPC强度和韧性的提高更为显著。通过SEM和XRD分析，发现IFG和RCA的矿物颗粒可填补UHPC中孔隙度，从而提高其密实度和力学性能。此外，RCA的加入还可以提高UHPC的变形性能，在UHPC试件破坏时呈现出明显的早期塑性变形。

结论：

本研究表明，将IFG和RCA掺杂到UHPC中可以提高混凝土的力学性能和密实度。IFG能够有效填补孔隙度，降低混凝土的孔隙度，进而提高混凝土的力学性。在加入RCA的情况下，会降低混凝土的松散程度和韧性，从而提高混凝土的变形性能和抗裂性能。本研究对于改进UHPC的性能和降低成本产生了积极的影响。

关键词：超高强度混凝土（UHPC），铁尾矿粉（IFG），再生细骨料（RCA），力学性能，微观结构

4.讨论

4.1掺IFG和RCA的UHPC力学性能提高机理

IFG和RCA的加入对UHPC的力学性能的提高可以归结为两个方面。其一，IFG和RCA的矿物颗粒填补UHPC中孔隙度，使混凝土更加密实，减少了混凝土内部的孔隙度和缺陷，进而提高了混凝土的抗压强度和韧性。其二，RCA的加入减少了UHPC中的松散程度和韧性，从而提高了混凝土的变形性能和抗裂性能。这些机理的相对作用可能因混凝土配比和成分的不同而异。

IFG和RCA中的矿物颗粒可以填补UHPC中孔隙度，最终提高混凝土的密实度。控制UHPC中孔隙度的大小是影响混凝土力学性能的重要因素之一。由于UHPC的高水泥用量和高密实性，孔隙度和缺陷可能对混凝土的力学性能产生更为显著的影响。IFG和RCA中的矿物颗粒能够填补混凝土中的空隙和缺陷，因而有效改善了混凝土的力学性能。据报道，IFG中含有一定量的CaO、MgO、Fe_2O_3和Al_2O_3等物质[34]，可以通过反应生成一些晶体组分，此过程是一种密实作用机理。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，从而节约成本。此外，使用多回收的RCA可能会降低混凝土中的松散程度和缺陷，提高混凝土的韧性和抗裂性能。

4.2掺IFG和RCA的UHPC微观结构分析

通过SEM和XRD分析，可以更直观地了解IFG和RCA对UHPC微观结构的影响。SEM图像显示，UHPC试件掺IFG和RCA后，矿物颗粒能在混凝土中自然堆积，填补了混凝土中的空隙，并与水泥基质紧密结合，形成了一种更为紧密的肌理结构。此种变化是由矿物颗粒对混凝土中孔隙度的填补作用导致的。同时，这些矿物颗粒与水泥基质的反应也可能产生了新的晶体相，从而提高了混凝土的强度。

XRD结果显示，掺IFG和RCA的UHPC中出现了新的晶体相。这表明IFG和RCA中的矿物颗粒在UHPC中可能发生了化学反应，形成了新的化合物，从而增加了混凝土的密实度和强度。通过这些化学反应，熟料结晶化程度的提高可以促进舒张相生成，使晶体产生局部拉伸，从而提高混凝土的宏观性能。根据文献[35-36]，舒张相能促进晶体肌理结构的形成，并通过反应降低混凝土中的一些缺陷。此外，XRD结果还表明，掺IFG和RCA的UHPC中的结晶度增加，有利于强化混凝土的微观结构，提高其强度。

总之，由于UHPC的高水泥用量和高密实性，微观结构和孔隙度的控制对于混凝土力学性能具有重要的影响。IFG和RCA的加入可以填补混凝土中的孔隙度和缺陷，并形成更为紧密的肌理结构，进而提高混凝土的力学性能和密实度。另外，矿物颗粒与水泥基质间的反应使毛细孔被填充，从而提高了混凝土的密度。此外，通过XRD分析还发现，IFG和RCA的加入还可以增加混凝土中的结晶度，使晶体肌理结构更为稳定此外，掺IFG和RCA的UHPC还具有更好的耐久性和抗裂性能。IFG和RCA中含有的自然矿物能够改善混凝土的化学稳定性和抗腐蚀性能。据研究表明，IFG中含有的氟硅酸盐矿物可以与水泥形成新的化合物，并提高混凝土的碱度稳定性，从而减缓水泥石的溶解速度[37-38]。RCA中的某些矿物如角闪石等也具有抗酸性和抗侵蚀性能[39]。因此，掺IFG和RCA的UHPC能够在化学攻击下表现出更好的耐久性。

此外，IFG和RCA还能够提高混凝土的抗裂性能。IFG中的矿物颗粒可以通过协同作用，形成一种自愈合机制，即当混凝土发生微裂缝时，IFG中的矿物颗粒能够被激活并分散在微裂缝中，随着水泥的自然水化反应而形成晶体堆积，填充裂隙并重新凝固，从而实现微裂缝自愈合[40-41]。而RCA中的粗砂颗粒大小分布比较均匀，在混凝土中具有类似骨架的作用，能够承担一定的拉伸和抗裂能力[42]。因此，掺IFG和RCA的UHPC可以在一定程度上提高混凝土的抗裂性能，延长混凝土的使用寿命。

除此之外，掺IFG和RCA还具有环保和经济效益。IFG和RCA都是废弃物或副产品，其开发和利用可以有效减少其对环境的危害，同时也具有经济价值[43-45]。IFG的资源顺应了中国政府“推动绿色矿业”和“资源综合利用”等政策，推进了我国矿业可持续发展[46]。RCA则可以减轻对天然砂石的需求，节约资源，同时还可以解决城市建设中废弃混凝土的处理问题[47]。因此，掺IFG和RCA的UHPC可以实现环保和经济双赢。

综上所述，IFG和RCA的添加对UHPC的性能具有显著影响。IFG和RCA能够填补混凝土中的孔隙度和缺陷，形成更为紧密的肌理结构，提高混凝土的密实度和强度，同时还能改善混凝土的耐久性和抗裂性能。此外，掺IFG和RCA的UHPC还具有环保和经济效益。基于以上优良性能，IFG和RCA的添加可以广泛应用于UHPC的制备中，为混凝土结构的设计和施工提供更为可靠的解决方案除了IFG和RCA的应用之外，UHPC还可以通过其他材料和添加剂的加入来提高其性能。例如，钢纤维和碳纤维可以用于增强混凝土的拉伸和抗弯强度，从而提高混凝土的耐久性[48]。纳米材料，如二氧化硅和氧化铝、碳纳米管等，也可以用于增强混凝土的抗压强度和耐久性，同时改善混凝土的微观结构和弹性模量[49-50]。此外，添加剂如高效减水剂、徐变剂等也可以调节混凝土的流动性和凝固时间，使其更为适用于不同的施工场合[51]。

在UHPC的制备过程中，砂、水泥等原料的选择和配合对混凝土的性能和耐久性也至关重要[52-53]。砂的选择应该遵循颗粒均匀、洁净度高、颜色一致等原则，以获得更加均匀和紧密的肌理结构。水泥的选择应该考虑其硬化速度、早强和长期强度等多个因素，以获得更加稳定和可靠的混凝土性能。

总之，UHPC的制备和应用是一个涉及材料科学、土木工程和施工技术等多个学科的综合性问题。通过不断的研究和实践，我们可以探索到更多绿色、经济、持久的工程设计方案，为城市建设和可持续发展做出更大贡献综上所述，UHPC是一种高性能的混凝土