1、晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言混凝土因其廉价、良好的力学性能与耐久性以及可塑性强等优点，成为使用最广的人工建筑材料之一。根据不同应用场景、工作性能等需求生产出不同类型的混凝土，防辐射混凝土就是其中一种。防辐射混凝土对 X 射线、酌 射线和快中子具有良好的衰减性能1-3，因此被广泛应用于核反应堆容器、核废物储存与处理建筑、医疗基础设施、人防工程以及其他重大的国防工程4。目前，国内外普遍采用重晶石和磁铁矿等高密度矿石作为粗细骨料，同时引入充分数量的结晶水和含轻元素的化合物及其掺合料5-6，高密度的骨料可以屏蔽 酌 射线，含轻元素的化合
2、物能有效捕捉中子且不产生二次 酌 射线。然而，在防辐射混凝土服役期间，由于蒸汽的产生与处理、意外事故、核反应堆系统高温部分传递的热量以及 酌 射线和中子射线衰减产生的热量等作用7-10，会导致其暴露在高高温后钢纤维重晶石混凝土力学特性试验研究刘财山1，陈振富1，2，3，吴旦1，2，3，陶秋旺1，2，3，谢利平3，4（1.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳421001；2.高性能混凝土湖南省重点实验室，湖南 衡阳421001；3.中核建核电土木工程与智能建筑结构重点实验室，湖南 衡阳421001；4.中国核工业第二十二建设有限公司，湖北 武汉430051）摘要：研究了钢纤维体积掺量（0、0.5%
3、、1.0%、1.5%）以及温度（25、105、200、300、400 益）对重晶石混凝土（BC）质量损失、抗压强度、劈裂抗拉强度及超声波波速的影响，建立了高温作用后钢纤维 BC 的损伤演化曲线和超声波波速与强度的关系曲线。结果表明：随温度的升高，BC 的质量损失逐渐增加，抗压强度、劈裂抗拉强度及超声波波速均逐渐下降；掺入钢纤维可提高 BC 的抗压及劈裂抗拉强度，对劈裂抗拉强度的影响较大；BC 的超声波波速与强度的拟合度较高，可用超声无损检测技术评估 BC 高温作用后的受损程度。关键词：重晶石混凝土；高温；钢纤维；质量损失；力学性能；超声波波速中图分类号：TU528.35文献标识码：A文章编号：
4、1001-702X（2023）10-0011-06Experimental study on mechanical properties of steel fiber barite concrete after high temperatureLIU Caishan1，CHEN Zhenfu1，2，3，WU Dan1，2，3，TAO Qiuwang1，2，3，XIE Liping3，4（1.School of Civil Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.Hunan Provincial Key Labo
5、ratory of High Performance Special Concrete，Hengyang 421001，China；3.CNNC Key Laboratory of Civil Engineering and Intelligent Building Structure，Hengyang 421001，China；4.Nuclear Industry 22ND Construction Company Ltd.，Wuhan 430051，China）Abstract：This experiment tested and analyzed the effects of diffe
6、rent volume admixtures of steel fibers（0，0.5%，1.0%，1.5%）and different temperatures（25，105，200，300，400 益）on the mass loss，compressive strength，splitting tensile strength and ultrasonicwave velocity of barite concrete，and established the damage evolution curve of steel fiber barite concrete and the re
7、lationship curvebetween ultrasonic wave velocity and strength after high temperatures.The results showed that the mass loss of barite concretespecimens gradually increased with the increase of temperature.The compressive strength，splitting tensile strength and ultrasonicwave velocity gradually decre
8、ased.The incorporation of steel fiber could improve the compressive strength and splitting tensilestrength of barite concrete，among which the effect on the splitting tensile strength of specimens was greater.The ultrasonic wavevelocity and strength of barite concrete fitted well，and ultrasonic nonde
9、structive testing technique could be used to assess the dam原age degree of barite concrete after the high-temperature action.Key words：barite concrete，high temperature，steel fiber，mass loss，mechanical properties，supersonic wave velocity基金项目：国家自然科学基金项目（51678286）；湖南省教育厅科研项目（14C0971）收稿日期：2023-03-03；修订日期
10、：2023-07-30作者简介：刘财山，男，1997 年生，硕士研究生，主要从事防辐射混凝土性能研究，E-mail：。通讯作者：陈振富，教授，E-mail：。中国科技核心期刊11新型建筑材料圆园23援10温环境下，如核电厂的防辐射混凝土，在正常工况下温度基本为 60耀120 益11。由于混凝土的热惰性，内部会形成较大梯度的热应力，造成混凝土劣化，进而影响其力学性能及屏蔽性能。研究表明12-15，掺入钢纤维可以改善混凝土的导热性，从而有效降低混凝土内部温度梯度，对混凝土中裂缝的产生及发展起到了抑制作用。本课题组前期研究发现16：重晶石混凝土相比磁铁矿混凝土屏蔽性能较好且成本便宜，但高温后劣化较为
11、严重。因此，本研究通过改变钢纤维的体积掺量（0、0.5%、1.0%、1.5%）来探究重晶石混凝土（BC）在不同温度后（25、105、200、300、400 益）的质量损失、抗压强度、劈裂抗拉强度以及超声波波速的变化，并建立了高温作用后钢纤维重晶石混凝土（SFBC）的损伤演化曲线和超声波波速与强度的关系曲线。1试验1.1原材料（1）水泥：海螺牌 P O42.5 水泥，其主要化学成分见表 1，物理力学性能见表 2。表 1水泥的主要化学成分%表 2水泥的物理力学性能（2）骨料：重晶石骨料来自湖南衡阳。原石洗涤干燥后，使用标准方孔筛筛选，剔除片状和针状，其余装袋备用。试验所用粗骨料的最大粒径为 20
12、mm，由 510 mm、1016 mm 和1620 mm 的粗骨料按 12颐10颐3 的质量比混合而成。细骨料由粗骨料破碎得到，最大粒径为 5 mm。骨料的主要化学成分、基本性能和外观特征分别见表 3、表 4 和图 1。表 3骨料的主要化学成分%表 4骨料的基本性能图 1重晶石骨料的外观特征（3）钢纤维：波浪型，基本性能见表 5。表 5钢纤维的基本性能（4）水：自来水。1.2配合比及试样制备为获得实际应用中的防辐射混凝土，考虑到砂浆中结晶水含量有助于提高混凝土的屏蔽性能，因此，在防辐射混凝土配合比设计时应考虑水泥用量大于 350 kg/m317-18，经反复试验确定重晶石混凝土的配合比如表 6
13、 所示。表 6重晶石混凝土的配合比试验共设计并制备 100 mm伊100 mm伊100 mm 立方体试块 100 块，每个纤维掺量制作 25 块，进行 25、105、200、300、400 益高温试验各 5 块。试件完成后 24 h 脱模，然后将其放置在标准养护室中养护 28 d。混凝土试件养护完成后，将其放置于干燥通风处静置 14 d，随后放入干燥箱温度（105依5）益中2 d。1.3试验方法1.3.1高温加热试验试件采用炉膛尺寸为 600 mm伊600 mm伊600 mm 的马弗炉进行加热，为确保试块 6 面受火加热均匀，炉内采用耐火砖和钢网将试块架空（见图 2）。所有重晶石混凝土试块均分
14、批次从常温（25 益）开始加热，以 5 益/min 的升温速率加热至目标温度（105、200、300、400 益）后恒温 1 h，以使试块内外温度趋于一致，待炉内温度自然冷却至常温，将试块取出以保鲜膜包裹备用。比表面积/（m2/kg）凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝3 d3 d28 d3451202405.27.524.745.3终凝28 dCaOSiO2Al2O3Fe2O3MgONa2OK2O62.0522.514.333.301.490.961.28SO32.02其他2.06BaSO4SiO2Al2O3Na2OMgOCaOSrO93.310.550.750.980.07
15、0.403.66Fe2O30.10其他0.18项目表观密度/（kg/m3）含水率/%吸水率/%压碎指标/%42050.30.8-42380.10.535.8重晶石细骨料重晶石粗骨料直径/mm长度/mm长径比表观密度/（kg/m3）抗拉强度/MPa0.753546.6778001100水材料用量/（kg/m3）水泥粗骨料细骨料编 号水胶比钢纤维体积掺量/%19238416781119BC0.50SFBC-0.50.50.519238416781119SFBC-1.00.51.019238416781119SFBC-1.50.51.519238416781119刘财山，等：高温后钢纤维重晶石混凝土
16、力学特性试验研究12晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 2重晶石混凝土试块高温加热试验1.3.2强度试验重晶石混凝土的抗压及劈裂抗拉强度按照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准 进行测试，试验仪器为 WAW-EY1000C 微机控制电液伺服万能试验机，通过位移控制加载，加载速率为 0.2 mm/min。1.3.3超声测试采用 ZBL-U520（510）非金属超声检测仪在高温后对混凝土试件进行超声波无损测试，试验方法按照 CECS 212000 超声法检测混凝土缺陷技术规程 进行。2试验结果与分析2.1高温后试件的
17、质量损失率高温后重晶石混凝土的质量损失率如表 7 所示。表 7高温后重晶石混凝土的质量损失率由表 7 可见，随着受火温度的升高，重晶石混凝土的质量损失率逐渐增大；且随着钢纤维的掺入，对质量损伤有轻微减少，这是因为钢纤维的添加对裂缝发展有一定的抑制作用，可能会阻碍高温下水分的蒸发，然而因为水分的蒸发并不依赖于宽裂缝的形成，所以掺入钢纤维不会对质量损失有显著影响19。105 益时，质量损失率为 2.28%2.32%，重晶石混凝土质量损失为试块内部的自由水蒸发；105200 益时，质量损失率随受火温度的升高变化幅度较为平缓，这是因为经历烘干后的试块已经达到干燥状态；200300 益时，质量损失开始增
18、大，此时试块内部分结合水开始分解蒸发；300400益时，重晶石混凝土试块质量损失急剧增大，未掺钢纤维的重晶石混凝土质量损失率达到 24.13%，但掺 1.0%钢纤维的重晶石混凝土质量损失率仅为 11.00%。这是由于混凝土内部水化产物中结晶水的蒸发及重晶石骨料结构性质共同作用引起的20。此时未掺钢纤维的重晶石混凝土质量损失远超掺钢纤维的试块，这是因为试块内部温度梯度较大产生较大的热应力，同时由于重晶石骨料的层状微裂结构，内部部分或完全填充了热敏性物质（如沸石等）21，在 300450 益时，重晶石骨料中热敏物质结晶水的排出22，蒸汽引起骨料膨胀，导致混凝土试块炸裂、外皮掉落严重；而掺入钢纤维可
19、以改善混凝土导热性能，降低试块内部温度梯度从而减小热应力，且钢纤维与水泥基体粘结可增强混凝土韧性，约束骨料膨胀，减缓混凝土试块炸裂。2.2抗压强度及劈裂抗拉强度高温后钢纤维重晶石混凝土的残余抗压及劈裂抗拉强度分别见表 8、表 9。表 8高温后重晶石混凝土的残余抗压强度由表 8 可知：（1）重晶石混凝土的残余抗压强度随着受火温度的升高而逐渐降低，掺入钢纤维后，重晶石混凝土残余抗压强度明显提高，其中钢纤维掺量为 1.0%的重晶石混凝土在各受火温度时的残余抗压强度均最高，在常温下较未掺纤维的重晶石混凝土提高了 14.53%，经历 400 益高温作用后提高了 51.56%。其原因可能是重晶石混凝土中掺
20、入钢纤维可抑制裂缝开展，对提高重晶石混凝土高温后残余抗压强度、降低强度损失率有显著作用23-24。随着钢纤维掺量的增加，常温下重晶石混凝土抗压强度呈现先提高后降低趋势，这是因为适量的钢纤维可以在混凝土中均匀分布，其构成的三维网状结构能有效抵抗混凝土内部微小裂缝的产生，但随着掺量的继续增加，钢纤维在混凝土内部无法均匀分散，互相纠结成团，水泥浆体无法进入，最终导致混凝土内部形成应力集中破坏点，使得抗压强度降低。（2）200 益之前，各组混凝土残余抗压强度随受火温度升高下降较为平缓，降幅最大的为钢纤维掺量 1.5%的重晶石混凝土（16.46%）；未掺钢纤维的重晶石混凝土在 200 益后强度下降加快，
21、而掺入钢纤维将重晶石混凝土在高温后的强度下25 益105 益200 益编 号02.322.88BCSFBC-0.502.312.81SFBC-1.002.302.72SFBC-1.502.282.57质量损失率/%300 益4.904.964.364.66400 益24.1320.8511.0013.3625 益105 益200 益编 号34.2031.3829.17BCSFBC-0.537.0533.0332.36SFBC-1.039.1736.4535.55SFBC-1.537.8036.0031.58残余抗压强度/MPa300 益20.6426.0533.6928.23400 益7.06
22、7.2610.7010.06刘财山，等：高温后钢纤维重晶石混凝土力学特性试验研究13新型建筑材料圆园23援10降延缓到了 300 益之后。（3）钢纤维的掺入有利于提高重晶石混凝土高温后残余抗压强度，但在常温下对抗压强度的影响较小，而对试块起加固作用，抗压破坏模式从脆性变为延性。钢纤维掺量是影响抗压强度的重要因素，体积掺量为 1.0%的钢纤维对重晶石混凝土抗压强度的提高最显著。表 9高温后重晶石混凝土的残余劈裂抗拉强度由表 9 可见：（1）重晶石混凝土的残余劈裂抗拉强度随受火温度的升高而降低，且随着钢纤维掺量的增加而提高。在常温下（25 益），钢纤维掺量为 0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混
23、凝土劈裂抗拉强度较未掺时分别提高了 23.57%、56.05%、89.17%；经历 400 益高温作用后，钢纤维掺量为 0.5%、1.0%、1.5%的重晶石混凝土劈裂抗拉强度较未掺时分别提高了 289.66%、344.83%、475.86%，劈裂抗拉强度增幅显著。其原因是钢纤维的掺入增强了水泥基体的韧性，从而提高了重晶石混凝土的劈裂抗拉强度。（2）未掺钢纤维的普通重晶石混凝土劈裂抗拉强度在高温作用后骤降，且在 300400 益时下降最快，这是因为重晶石骨料膨胀炸裂丧失强度，同时与水泥基体交界处产生裂缝，劈拉强度快速下降；而掺入钢纤维的重晶石混凝土劈裂抗拉强度下降速度明显减缓，特别是在 400
24、益时，掺 1.5%钢纤维的残余劈裂抗拉强度是未掺时的 5.76 倍，这表明钢纤维对缓解高温对重晶石混凝土残余强度的不利影响是有效的。2.3超声波无损检测2.3.1超声波波速高温作用后 SFBC 的超声波波速见表 10。本文引用高温作用下牺牲混凝土的损伤度 D 计算公式25见式（1），仅适用于高温自然冷却后的混凝土。高温后 SFBC 的相对波速和损伤度分别见图 3、图 4，通过相对波速和损伤度 2 个参数与温度的关系间接分析评价试件内部结构的劣化损伤程度。D=1-（VT/V）2伊100%（1）式中：VSFBC 常温下（25 益）的初始超声波波速，km/s；VT不同温度后 SFBC 的超声波波速，
25、km/s。表 10高温后重晶石混凝土的超声波波速图 3高温后SFBC的相对波速图 4高温后SFBC的损伤度由表 10 可知，在常温下，SFBC 的超声波波速均比未掺入钢纤维的重晶石混凝土高；SFBC 的超声波波速均随温度的升高而降低。这主要是因为钢纤维的加入有助于减少混凝土内部微小裂缝的产生，而高温作用后，混凝土内部缺陷增多，钢纤维与基体界面过渡区裂纹、孔洞增多，基体变疏松，超声波波速不断降低26。由图 3 可知，SFBC 的相对波速随温度的升高而逐渐降低。在200 益之前，SFBC 的相对波速下降较为平缓，下降幅度在11.17%16.36%，SFBC 相对波速的降幅在 300 益时开始变大，
26、在 400 益时降幅急剧增大（最小为 SFBC-1.0 的 41.88%）。综合图 3、图 4 可以看出，由于高温作用下混凝土水化产物C-S-H、Ca（OH）2等的大量分解及骨料膨胀的各向异性，SFBC 的最大劣化发生在 300400 益；而掺入钢纤维可以减缓损伤，但掺量过低时效果并不显著，掺量过多时因钢纤维在混凝土中无法均匀分布而影响效果，1.0%为钢纤维较优掺量。25 益105 益200 益编 号1.571.381.07BCSFBC-0.51.941.901.82SFBC-1.02.452.402.16SFBC-1.52.972.892.71残余劈裂抗拉强度/MPa300 益0.841.3
27、21.552.43400 益0.291.131.291.6725 益105 益200 益编 号3.793.653.17BCSFBC-0.53.883.753.39SFBC-1.03.943.823.50SFBC-1.53.833.703.31超声波波速/（km/s）300 益2.552.612.842.55400 益0.600.881.190.90刘财山，等：高温后钢纤维重晶石混凝土力学特性试验研究14晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂2.3.2超声波波速与强度的关系图 5、图 6 为高温后 SFBC 相对波速（VT/V25）分别与相对抗压
28、强度（fc，T/fc，25）和相对劈裂抗拉强度（ft，T/ft，25）的关系，并选取合适的函数见式（2）、式（3）进行回归分析，拟合结果见表 11。fc，T/fc，25=a VT/V+b（2）ft，T/ft，25=a（VT/V）2+b VT/V25+c（3）式中：fc，TSFBC 在不同温度作用后的抗压强度，MPa；fc，2525 益时 SFBC 的抗压强度，MPa；ft，TSFBC 在不同温度作用后的劈裂抗拉强度，MPa；ft，2525 益时 SFBC 的劈裂抗拉强度，MPa；V25 益时的超声波波速，km/s；a，b，c拟合常数。图 5高温后 SFBC 相对波速与相对抗压强度的关系图 6高
29、温后 SFBC 相对波速与相对劈裂抗拉强度的关系表 11高温后SFBC超声波波速与力学性能拟合结果对于热损伤材料，超声波波速能准确、直观地反映材料损伤力学性能的变化趋势。试验发现，SFBC 的相对波速分别与相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度 2 种力学性能的拟合结果较好（R2跃0.94），所以相对波速的变化能评价钢纤维重晶石混凝土在不同温度作用后的力学性能，并通过不同温度作用后相对波速的变化预测其抗压强度及劈裂抗拉强度。因此，超声波无损检测技术可以作为评价及预测 SFBC 高温作用后力学性能的方法。3结论（1）SFBC 高温后质量损失率随着受火温度的升高而增大。未掺入钢纤维的重晶石混凝土试块在 4
30、00 益时质量损失高达 24.13%；掺 1.0%钢纤维可明显降低 SFBC 高温后的质量损失，400 益时质量损失仅为 11.00%。（2）高温后 SFBC 的残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度均随受火温度的升高而降低。掺入钢纤维可以提高重晶石混凝土的强度，但抗压强度增幅不大，常温下掺 1.0%钢纤维时仅提高 14.53%；而对于劈裂抗拉强度增强效果显著，且随着掺量的增加增幅变大，常温下掺入 1.5%钢纤维时提高 89.17%。经 400 益高温作用后，抗压强度增幅最大为掺 1.0%钢纤维的51.56%，而劈裂抗拉强度增幅最大为掺 1.5%钢纤维时，为不掺钢纤维的 5.76 倍。（3）SFBC
31、的超声波波速随受火温度的升高而降低。与普通重晶石混凝土相比，掺入钢纤维的重晶石混凝土在常温下有明显提升，但高温作用后，由于钢纤维与基体过渡区裂纹、空隙增多，超声波波速下降较快；钢纤维以 1.0%体积掺量为较优掺量。（4）高温作用后 SFBC 的相对波速与相对抗压强度、相对劈裂抗拉强度均有良好的回归关系（R2跃0.94）。因此，超声波无损检测技术可以用来评价高温作用后 SFBC 的受损程度。参考文献：1Alwaeli M.Investigation of gamma radiation shielding and com原pressive strength properties of concr
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