采用无损检测方法研究聚丙烯纤维增强铬铁矿浮选废料喷混凝土的力学性能

《Journal of Building Engineering》：Mechanical Properties of Polypropylene Fiber-reinforced Shotcrete based Chromite Flotation Waste Using a Nondestructive Testing Method

　　•对CFW–PPF混合喷射混凝土系统进行了实验研究。•单独使用UPV与强度和刚度之间的相关性较弱。•多元模型提高了fc的预测精度（R2≈0.86）。•弹性模量的预测精度很高（R2≈0.97）。•纤维与废料的相互作用决定了UPV与机械性能之间的关系。引言尽管混凝土是工程结构中常用的主要建筑材料，但由于其抗拉强度低且在受拉时易发生脆性破坏，因此其在抵抗裂纹扩展方面的能力有限。特别是在那些面临极端环境和机械应力作用的结构中，如地下设施、隧道以及边坡稳定系统，纤维增强混凝土的应用越来越重要[1]、[2]、[3]。当纤维嵌入混凝土基体后，能够阻碍微裂纹的产生与扩展，从而提升混凝土的延性、能量吸收能力以及耐久性[4]、[5]。PPF因其低弹性模量、优异的化学稳定性、耐碱性、能够降低回弹以及有效控制裂纹而广泛用于喷射混凝土施工中[6]、[7]。喷射混凝土是一种通过气动方式以高速喷射到表面的混凝土，结合了促凝剂，无需模板，且具有较高的早期强度。它的应用范围很广，包括隧道开挖、地下矿井巷道、边坡支护、地铁线路以及受损结构的加固。由于喷射混凝土可以快速施工，适用于复杂表面，且具有较高的凝聚力和粘结性，因此特别受欢迎。尽管有这些优点，但文献中仍经常提到喷射混凝土应用中存在的诸如回弹、纤维分布不均、含水量控制以及混合料稳定性等问题[8]、[9]、[10]。在减少回弹和提高混合料均匀性方面，使用PPF具有重要意义。PPF的微裂纹桥接能力能够提升混凝土的弯曲抗拉强度和劈裂抗拉强度，同时还能增强其耐久性，如抗冻融性、耐磨性和防水性。然而，增加PPF的含量会降低新拌混凝土的工作性，因此确定最佳的纤维掺量至关重要。近年来，出于可持续性和环境考虑，关于将工业和矿业废料用于混凝土生产的研究日益增多[11]、[12]、[13]。尤其是像CFW这样的矿物废料，由于其含有大量重金属，被视为具有环境危害性。这些废料通常以大量形式储存在尾矿坝中。将这些废料作为矿物掺合料或替代细骨料用于混凝土中，被认为是一种重要的回收策略，因为它不仅能减少废物处理带来的环境负担，还能带来经济利益。从废物可用性和材料消耗的角度来看，所提出的利用方案也具有很大的潜力。在许多铬铁矿选矿厂中，细粒物质约占原矿材料的10–50%，据报道，土耳其境内积累的铬铁矿加工尾矿量约为1000万吨[14]。根据本研究采用的混合比例，用CFW替代10%、20%和30%的细骨料时，每立方厘米喷射混凝土分别需要128.7公斤、257.4公斤和386.1公斤的CFW。从理论质量平衡的角度来看，按照这些替代比例使用现有库存的尾矿，可分别生产出约2331万立方米、1166万立方米和777万立方米的喷射混凝土。不过，CFW在混凝土中的行为可能会根据颗粒结构、矿物组成以及与水泥基体的相互作用等不同参数，对混凝土的机械性能产生积极影响。尽管喷射混凝土技术被广泛应用于隧道施工和边坡稳定等关键工程领域，但关于在这类系统中同时使用工业废料和纤维增强的综合研究仍然相当有限。文献中广泛报道了PPF在控制裂纹、降低回弹、提高抗冻融性以及增强能量吸收能力方面的积极作用[15]、[16]、[17]。同样，从可持续性的角度出发，将CFW、骨料或矿物掺合料这类细粒矿业废料用于混凝土中也越来越受到重视。然而，现有的研究并未着眼于在喷射混凝土背景下对这两种成分进行综合评估。抗压强度（fc）和弹性模量（Ec）是判断混凝土结构性能的关键指标[18]、[19]。诸如抗压强度测试和静态弹性模量测试之类的传统破坏性方法需要在测试过程中使试件失效，因此不仅成本高昂，而且所能获取的数据也很有限。相比之下，无损检测方法，尤其是UPV测试，被广泛用于质量控制，能够在不损害混凝土内部结构的情况下估算强度并检测微裂纹，如图1所示的UPV装置工作原理所示。文献中已经开发出了多种基于UPV的模型，用于估算水泥基材料的力学性能（见表1）。最常见的公式将抗压强度或弹性模量表示为UPV的线性函数、指数函数或幂律函数。线性模型虽然易于理解，但假设力学性能随波速的变化率是恒定的。而指数函数和幂律函数则能够反映在高UPV值时通常观察到的强度快速上升现象。不过，这些方程的系数很大程度上取决于组成材料、混合比例、养护龄期、湿度条件、骨料特性以及测量配置。因此，为一个混凝土体系开发的经验公式，应用于另一个材料体系时，其准确性可能会大幅下降。以往的研究已将基于UPV的评估方法扩展到再生骨料混凝土、自密实混凝土以及纤维增强混凝土。这些研究证实，UPV对基体密度、开裂情况以及骨料与浆体的连续性十分敏感。然而，大多数现有公式仍然仅将UPV作为唯一的解释变量。在纤维增强混凝土中，纤维虽然可以桥接裂纹并提高抗拉强度，但并不会导致UPV成比例上升。相反，纤维团聚、夹杂的空气以及较弱的纤维与基体界面都可能降低波速，但却不会相应地降低结构的承载能力。因此，当纤维含量发生变化时，UPV与机械性能之间的关系可能会变得较弱，或者取决于具体的混合比例。当PPF与CFW结合使用时，仅依靠UPV的公式其局限性就更加明显。CFW的替代可能会改变颗粒的堆积方式、骨料与浆体的界面、密度以及基体的连续性，而PPF则主要影响裂纹的发展、裂纹形成后的载荷传递以及局部不均匀性。这些机制并不一定会以相同的比例影响超声波的传播和结构的机械抵抗力。因此，即使两种混合料的UPV值相近，由于其中CFW和PPF的含量不同，它们的抗压强度或弹性模量也可能存在差异。传统的单变量模型将这些混合料视为机械性能上等价的，无法区分废物替代和纤维增强这两种作用各自的效应，这也解释了为什么通用的UPV–强度公式可能不适用于由多种废物构成的纤维增强喷射混凝土。尽管在混凝土无损检测方面已经取得了一些进展，但目前仍存在三个相互关联的缺陷。首先，关于在喷射混凝土中同时使用CFW和PPF的研究极为有限，这种复合材料的力学性能和超声性能也尚未得到系统的研究。其次，现有的基于UPV的公式大多是基于使用天然骨料制成的传统混凝土或纤维增强混凝土开发的，因此并未明确考虑CFW替代所带来的影响。第三，传统的单变量模型无法区分UPV、废物含量以及纤维掺量对机械性能的直接作用和交互作用。本研究探讨了以0–30%的CFW替代细骨料，以及按体积计0–1%的PPF添加到喷射混凝土中的混合料。该研究的具体贡献包括：(i)通过实验量化CFW和PPF各自以及对抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性响应和UPV的综合影响；(ii)分析传统仅基于UPV的模型在该种复杂复合材料体系中的局限性；(iii)建立考虑标准化UPV值、CFW替代比例、PPF体积分数及其交互项的材料特定预测公式；(iv)通过误差统计、残差分析以及留一法交叉验证来评估所提出模型的内在预测性能。因此，本研究的创新之处不仅在于使用了UPV，还在于将材料组成参数及其交互作用明确纳入了对CFW–PPF喷射混凝土的无损评估之中。研究设计在本研究中，RI被视为自变量，而混凝土的力学性能则为因变量。从UPV获得的动态特性则作为中介变量。实验装置如图2所示。喷射混凝土原材料在制备纤维增强喷射混凝土时，使用了水、CEM I 42.5 R型波特兰水泥、0 - 5毫米的细骨料、5 - 12毫米的碎石灰石骨料作为粗骨料，以及PPF。此外，还使用了CFW。抗压强度、弹性模量及泊松比图8对比展示了7天和28天时立方体试件和圆柱体试件的抗压强度，同时还展示了在不同替代比例下（按质量计分别为0%、10%、20%和30%）用CFW替代细骨料，以及在不同体积分数下（按体积计分别为0%、0.25%、0.50%和1%）添加PPF后，与对照混合料相比，喷射混凝土试件强度的变化情况。对图8中数据的分析表明，纤维增强喷射混凝土的抗压强度……本研究的验证在本研究中，通过将与纤维增强混凝土以及含有废料的混凝土相关的文献中的实验数据作为参考，对所提出的基于UPV的fc和静态Ec预测模型的有效性及整体适用性进行了评估。在验证过程中采用了文献中常见的方法，将实验测得的数值与模型预测的数值直接进行比较，并对预测的精确度进行了定量评估。研究局限性、建议及意义在解读本研究的结果时，需考虑到其存在的若干局限性。该实验所使用的CFW、水泥、骨料和PPF均来自同一来源，且CFW的替代比例仅限于0–30%，PPF的体积分数为0–1%，养护时间最长为28天。此外，CFW是按质量而非相同体积替代细骨料的，而且试件是在实验室条件下制备的，并未模拟实际施工中的回弹现象以及纤维……结论本研究重点研究了以CFW部分替代细骨料、并添加PPF的纤维增强喷射混凝土的力学性能和无损检测方法，尤其侧重于利用UPV来预测其抗压强度和弹性模量。基于实验结果、统计分析以及预测建模，可得出以下结论：•简单的基于UPV的回归模型对于fc和Ec的预测能力较为有限，决定系数较低（fc的R2≈0.16，Ec的R2……CRediT作者贡献说明Yavuz Selim AKSüT：撰写——审阅与编辑、方法论、研究实施。Mehmet Tevfik SEFERO?LU：可视化、软件、形式分析。伦理标准声明作者声明，本研究中所使用的材料和方法无需经过伦理委员会的许可和/或特殊的法律批准。利益冲突声明作者声明，他们在本文的发表过程中不存在任何利益冲突。数据可用性本研究的相关数据，可在合理请求下从相应作者处获取。利益冲突声明? 作者声明，他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。Yavuz Selim Aksüt|Mehmet Tevfik Sefero?lu