高鈦型高爐渣混凝土回彈法地區測強曲線試驗研究

汪 杰，梁月華*，蔡 潤，李 吉

（1.攀枝花學院土木與建筑工程學院,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.中國十九冶集團有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

隨著社會經濟的發展，人們對生活質量和生活環境的要求越來越高，也深刻認識到了環境的重要性。針對全球氣候變暖的挑戰，國際社會制定了《聯合國氣候變化框架公約》，并達成了《京都議定書》，我國在2021 年將“碳達峰、碳中和”寫進了政府工作報告，承諾在2030 年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。碳中和是指企業、團體或個人測算在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節能減排等形式，抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現二氧化碳“零排放”。攀枝花市充分利用各種工業固體廢棄物，降低碳排放。

攀枝花市是因礦而建、因攀鋼而興的典型工業城市，每年產生采礦棄碴、尾礦、爐渣、鋼渣等各類工業固體廢棄物6 000～8 000 萬t，其中每年產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生的高爐熔渣經自然冷卻或水淬冷卻而形成[1]，其TiO2含量高達20%～29%。

經過多年的研究，高鈦型高爐渣已經作為粗、細骨料制備混凝土而廣泛應用于工程建設領域[2?8]?；貜椃ㄊ抢没炷帘砻嬗捕?回彈值)與混凝土抗壓強度之間的關系建立模型來推定混凝土抗壓強度的一種間接檢測混凝土抗壓強度的方法[9?11]，由于其簡便易操作等特點，現廣泛應用于混凝土強度的現場無損檢測，主要參照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T23-2011）進行[12?13]。

混凝土回彈值受骨料種類、環境條件等諸多因素影響，尤其受骨料種類影響最大?！兑幊獭窞榱吮ＷC在全國范圍內的適用性，并具有指導意義，其統一曲線要求必然越低，檢測結果也更趨于保守；《規程》明確指出：“有條件的地區和部門應制定本地區的測強曲線或專用測強曲線。檢測單位宜按專用測強曲線、地區測強曲線、統一測強曲線的順序選用測強曲線”。諸多學者針對不同地區混凝土回彈法測強曲線進行了修正[14?18]，然而該方法在高鈦型高爐渣混凝土強度無損檢測中準確度如何，能否適用，尚存在諸多不確定性。

筆者針對攀西地區特有的高鈦型高爐渣混凝土進行專門試驗，建立專門的測強曲線，為攀西地區高鈦型高爐渣混凝土回彈法進行強度無損檢測提供參考依據。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗用粗、細集料為攀鋼產生，攀枝花環業冶金渣開發有限責任公司生產的高鈦型高爐渣，主要成分如表1 所示，其宏觀、微觀形貌如圖1 所示?？梢?，宏觀上高鈦型高爐渣骨料質地堅硬、表面多孔；微觀上不同放大倍數下高鈦型高爐渣微觀形貌與宏觀形貌觀察結果相似，最小識別長度為10 μm時，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地堅硬，位置2 處顯示高鈦型高爐渣表面存在明顯孔洞；最小識別長度為200 μm 時，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?；蚱渌麍杂参镔|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級粉煤灰，試驗用水為自來水，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 方案設計與試驗實施

運用攀枝花環業商品混凝土有限責任公司生產用C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70 強度等級高鈦型高爐渣混凝土配合比，制備邊長為150 mm 的高鈦型高爐渣混凝土立方體試塊，飽和水狀態下養護7 d 后自然條件下養護21 d，混凝土試塊飽和水條件養護如圖2 所示。

圖2 混凝土試塊飽和水條件養護Fig.2 Water-saturated curing of concrete test block

混凝土受二氧化碳侵蝕，而碳化是一個漫長的過程，自然條件下短期內無法測到明顯的碳化深度，參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定（環境溫度：20 ℃±2 ℃，濕度：70%±3%RH，二氧化碳濃度：20%±2%）[19]，將養護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，模擬得到長齡期混凝土的碳化，混凝土加速碳化如圖3 所示[20]。

圖3 標準環境加速碳化試驗Fig.3 Accelerated carbonation test of concrete in standard environment

對養護、加速碳化后的228 塊混凝土立方體試塊進行回彈試驗測定回彈值。將試塊表面擦拭干凈，置于壓力試驗機的上下承壓板之間，加壓至60～100 kN；用回彈儀在試塊的兩個側面上分別彈擊8個點，共獲得16 個回彈值，分別剔除3 個最大值和3 個最小值，以余下10 個值的平均值作為平均回彈值；繼續增加荷載直至試塊破壞[21]，記錄破壞荷載值；對壓力破壞的混凝土試塊運用濃度為1%的酚酞酒精溶液顯色測定其碳化深度。

2 試驗數據分析

通過對228 個試塊回彈值與實際抗壓強度進行分析得出，高鈦型高爐渣混凝土實際抗壓強度區間為19.9～70.1 MPa，回彈值區間為 20.4～45.9，回彈值與實際抗壓強度之間關系如圖4 所示?；貜棓抵抵饕性?0.4～39.9，涵蓋數據點151 個，占比達到66.23%，對應的抗壓強度區間范圍為30.1～65.4 MPa。結合碳化深度值，參照《規程》確定混凝土回彈推定強度區間范圍為11.1～57.8 MPa。228 個樣品實際抗壓強度值與《規程》推定強度值對比如圖5 所示。

圖4 回彈值與實際抗壓強度的關系Fig.4 The relationship between rebound value and actual compressive strength

圖5 《規程》推定強度值、《規程》推定強度值+10 MPa 與實際抗壓強度之間的關系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

《規程》推定強度平均相對誤差δ=30.25%，平均相對標準誤差er=32.25%，無正誤差，最大負誤差為29.44 MPa，正誤差比例為0，負誤差比例100%，最大相對誤差60.1%，相對誤差大于25%的樣本數為184，占比達到80.7%?！兑幊獭吠贫◤姸戎灯毡榈陀趯嶋H抗壓強度值兩個強度等級，相關性差，即《規程》中統一測強曲線在高鈦型高爐渣混凝土中結果偏于保守，實用性較差。

3 建立測強曲線

3.1 測強曲線回歸模型選取

《規程》中給出的統一測強曲線模型如式（1）所示，并推薦在制定專用測強曲線或地區測強曲線時采用該回歸曲線模型。

該模型可以看做由兩部分組成，當不考慮碳化深度影響，即dm=0 時，可以看做當dm＞0 時，可以將作為碳化影響對a·Rbm進行修正，將碳化深度作為另一個測強參數來對回彈值和混凝土強度的關系進行修正，充分考慮碳化深度對強度的影響。

精度判定主要指標為強度平均相對誤差 δ和強度相對標準差er，分別表示如式（2）和式（3）：

式中，δ為回歸方程式(1)中強度平均相對誤差（%），精度至0.1；er為回歸方程式(1)中強度相對標準差（%），精度至0.1；fcu,i為由第i個試塊抗壓試驗得出的混凝土抗壓強度值（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)推定的混凝土強度換算值（MPa），精確至0.1 MPa；n為制定回歸方程的試塊數。

3.2 冪函數回歸曲線的確定

3.2.1 工程現場快速確定

如圖5 所示，在《規程》推定強度值的基礎上+10 MPa，結果相關系數為R2=0.777 1，平均相對誤差 δ=13.49%，平均相對標準誤差er=16.58%，滿足《規程》對于地區測強曲線平均相對誤差δ 不應大于±14.0%，相對標準差er不應大于17.0%的要求，強度符合性較好，但相關系數較差，可作為工程現場檢測強度估算用。

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

3.2.2 地區測強曲線建立

按照《規程》中地區測強曲線的制定方法，根據回彈值、碳化深度、實際抗壓強度之間關系，剔除相對誤差絕對值大于25%，顯著異常的數據22 個，對剩下的206 個數據，按式(1)模型運用MATLAB，采用最小二乘法進行擬合，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 實際抗壓強度值、擬合強度值與《規程》推定強度值對比Fig.6 Comparison diagram of the actual compressive strength,the fitting strength and the presumed strength of the “Specification”

擬合結果相關系數為R2=0.871 7，平均相對誤差 δ=9.28%，平均相對標準誤差er=11.30%，滿足《規程》對于專用測強曲線平均相對誤差 δ不應大于±12.0%，相對標準差er不應大于14.0%的要求。擬合結果最大正誤差為10.76 MPa，最大負誤差為15.31 MPa，正誤差比例40.3%，負誤差比例59.7%，最大相對誤差25.2%，相對誤差小于10%的樣本數為173，占比達到84.0%。

4 結論

通過對228 個高鈦型高爐渣標準混凝土試塊進行“回彈?抗壓?碳化深度試驗”，分析回彈值、《規程》推定強度值、實際抗壓強度值、碳化深度值之間關系得到如下結論：

1）按《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23-2011）（采用全國統一測強曲線）檢測攀西地區特有的高鈦型高爐渣混凝土的強度與實際壓載值誤差較大，平均相對誤差δ=30.25%，平均相對標準誤差er=32.25%，結果可信度差，不宜直接使用。

2）在《規程》推定強度值的基礎上+10 MPa，結果相關系數為R2=0.777 1，平均相對誤差δ=13.49%，平均相對標準誤差er=16.58%，滿足《規程》對于地區測強曲線精度要求，可用于工程現場檢測強度快速估算。

3）按照《規程》地區或專用測強曲線制定方法得到滿足精度要求的攀西地區特有的高鈦型高爐渣混凝土的回彈法測強曲線為，擬合結果相關系數為R2=0.871 7，平均相對誤差 δ=9.28%，平均相對標準誤差er=11.30%，滿足《規程》中專用曲線精度要求，可在攀西地區高鈦型高爐渣混凝土回彈法檢測強度中推廣使用。