鋼鐵渣粉海工混凝土性能的研究

丁忍忍 夏 春 朱桂林 孫樹杉

(中冶集團建筑研究總院有限公司，北京 100088)

0 引言

建設(shè)海洋強國，開發(fā)海洋資源需要大量建設(shè)深水碼頭、跨海大橋、海底隧道、海上航空港等海洋工程。海洋工程要求混凝土結(jié)構(gòu)有好的耐久性。我國沿海80%的混凝土使用10年之后發(fā)生了混凝土順筋脹裂、剝離等，使混凝土結(jié)構(gòu)壽命受到嚴重影響。其主要原因是混凝土耐久性不良，大量氯離子侵入混凝土，引起鋼筋銹蝕。其次是處于水位變動區(qū)的凍融損壞。因此，海工混凝土要有良好的抗凍性，抗?jié)B性和抗氯離子浸入能力。

鋼鐵渣［1］是鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，磨細后可做混凝土摻合料，改善混凝土耐久性。摻粒化高爐礦渣粉可提高混凝土的密實性及耐久性［2］。國內(nèi)粒化高爐礦渣粉的產(chǎn)量已達1.5 億噸［3］。大量用于混凝土中，然而粒化高爐礦渣粉堿度低，水化時與Ca(OH)2反應(yīng)才具有膠凝性，因此會降低混凝土液相PH 值。鋼筋的鈍化膜被破壞，會引起鋼筋的銹蝕。

通過鋼渣粉的化學(xué)成分和礦物組成分析可知，鋼渣粉是高堿性材料，硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)的含量在50%以上，與硅酸鹽水泥熟料相似，具有水硬膠凝性。水化時產(chǎn)Ca(OH)2，不降低混凝土中液相堿度，鋼筋的鈍化膜不被破壞，保護鋼筋不生銹。而且，鋼渣粉具有良好的抗?jié)B性和耐磨性，后期強度高，水化熱低等。

鋼鐵渣粉是將細度(比表面積)大于400m2/kg的粒化高爐礦渣粉和鋼渣粉，按科學(xué)比例配制成復(fù)合粉。兩者相互激發(fā)，促進水化反應(yīng)。復(fù)合粉的摻入可降低混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率，使混凝土更加密實，產(chǎn)生“微集料效應(yīng)”［4］。鋼渣粉可維持混凝土內(nèi)部液相堿度的作用，彌補礦渣粉作混凝土的缺點［5］，有利于保護鋼筋免于銹蝕，提高混凝土耐久性，是混凝土最佳摻合料。“鋼鐵渣粉”國家標準GB/T28293 -2012 和鋼鐵渣粉混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GB/T50912 -2013，已發(fā)布實施。鋼鐵渣粉在海工混凝土中的應(yīng)用是發(fā)展趨勢，其良好性能可提高混凝土壽命，降低工程造價，同時實現(xiàn)鋼渣高價值利用［6］。

1 試驗

1.1 原材料

(1)水泥為北京琉璃河水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5;鋼渣是江西新余熱悶穩(wěn)定化處理后的鋼渣;粒化高爐渣是江西新余鋼廠的粒化高爐渣;減水劑為萘系;骨料為碎石。鋼鐵渣粉質(zhì)量比為:鋼渣粉:礦渣粉=3:7。

水泥、鋼渣和粒化高爐渣的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥、鋼渣和粒化高爐渣的化學(xué)成分%

(2)水泥、鋼渣和粒化高爐渣的活性指數(shù)。

水泥、鋼渣和粒化高爐渣的活性指數(shù)見表2。

(3)混凝土。

試驗用混凝土強度等級為C40、C50、C60。

2 試驗方法

所有耐久性實驗均按照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》JTJ270 進行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 鋼鐵渣粉混凝土齡期抗壓強度

試驗配置了C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 鋼鐵渣粉混凝土［7-9］，其齡期抗壓強度見表3。

表3 混凝土齡期抗壓強度

從試驗結(jié)果可知鋼鐵渣粉取代30%的水泥可配制強度等級為C40～C60 的混凝土。C40 混凝土除3 天強度比普通水泥混凝土略低外，其他齡期強度均比普通水泥混凝土略高。因為鋼渣粉和粒化高爐礦渣粉比表面積比水泥大，改善了膠凝材料的顆粒組成，加大了混凝土密實度，提高了強度。另外鋼鐵渣粉細度大，使膠凝材料水化產(chǎn)物增多，對提高強度有利。

3.2 鋼鐵渣粉混凝土抗氯離子滲透性能

混凝土中鋼筋腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕。硅酸鹽水泥水化時生成氫氧化鈣，使鋼筋周圍混凝土孔隙中的水分變成飽和的氫氧化鈣電解液，鋼筋與電解液發(fā)生電化學(xué)作用。

鋼筋一般含有雜質(zhì)，表面有缺陷，這樣就構(gòu)成本身電化學(xué)的不均勻性。由于鋼筋和雜質(zhì)的電位不同，形成了許多通往金屬本身短路的微小原電池。雜質(zhì)和缺陷的電位往往比鋼要高，構(gòu)成了微電池的陰極區(qū)，鋼為陽極區(qū)。它們之間的電位差就形成了微電池的電動勢，這時如果鋼筋周圍有氧和水，就會有電流產(chǎn)生，也就有腐蝕產(chǎn)生。

本文采用混凝土試件的電通量為指標來確定混凝土抗氯離子滲透性能［10］。

試驗測定普通C40 混凝土和取代30%水泥的鋼鐵渣粉混凝土的電通量試驗結(jié)果見表4。

表4 混凝土的電通量值

從試驗可知鋼鐵渣粉混凝土電通量均比普通水泥混凝土低，具有良好的抗氯離子滲透作用，有利于保護混凝土中鋼筋不被腐蝕。

3.3 鋼鐵渣粉混凝土鋼筋銹蝕

試驗?zāi)M了浪濺區(qū)和水位變動區(qū)混凝土中的鋼筋銹蝕環(huán)境［11］，即海水干濕交替，并用提高濕度的方法加速腐蝕速度。試驗方法按水運工程混凝土試驗規(guī)程7.11 進行。試驗結(jié)果為C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 鋼鐵渣粉混凝土的銹蝕率均為0，說明混凝土中鋼筋均未生銹。防銹蝕性能良好。

3.4 鋼鐵渣粉混凝土的抗凍性

混凝土在凍融循環(huán)作用下造成結(jié)構(gòu)耐久性降低。按JTJ270 試驗規(guī)程進行抗凍性試驗。混凝土凍融循環(huán)設(shè)計為50 次、100 次、150 次、200 次、250 次、300 次、350 次、400 次。其動彈性模量和質(zhì)量損失見表5。

根據(jù)JTJ270 規(guī)程規(guī)定相對動彈性模量下降至75%或重量損失率達5%時，可認為試件已經(jīng)破壞，并以相應(yīng)的凍融循環(huán)次數(shù)作為該混凝土的抗凍融等級。

從試驗結(jié)果可知:

(1)凍融后混凝土的質(zhì)量損失均小于5%。

(2)C40 普通水泥混凝土抗凍等級為F100。

(3)C40 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級為F250。

(4)C50 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級為F300。

(5)C60 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級為F400。

表5 鋼渣粉混凝土凍融循環(huán)性能

摻鋼鐵渣粉混凝土抗凍性好是因為:

(1)加入鋼鐵渣粉的混凝土減少了內(nèi)部的孔隙，提高了混凝土的密實度。

(2)由于摻入鋼鐵渣粉，水化產(chǎn)物和普通水泥混凝土有差別，由于鋼鐵渣粉水化產(chǎn)物是二堿水化硅酸鈣，它的強度較低，但它的抗凍性能超過水泥的水化產(chǎn)物，使混凝土具有良好的抗凍性。

3.5 鋼鐵渣粉混凝土的抗?jié)B性

為檢驗鋼鐵渣粉混凝土抗?jié)B性能，按水運工程混凝土試驗規(guī)程，進行了C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 摻鋼鐵渣粉混凝土抗?jié)B試驗和滲水高度試驗。結(jié)果見表6。

表6 混凝土抗?jié)B性能

各強度等級混凝土滲水時的水壓力為1.2MPa，鋼鐵渣粉混凝土的滲水高度平均值為0.3～0.5cm，具有良好的抗?jié)B性。由于渣粉比表面積大，改善了膠凝材料的密實性，同時鋼渣粉和粒化高爐礦渣粉水化充分釋放凝膠數(shù)量，增多、增強了混凝土界面的粘結(jié)力，減少了混凝土空隙，提高了抗?jié)B性。

3.6 鋼鐵渣粉混凝土收縮

混凝土在應(yīng)用時，由于受到環(huán)境溫度和濕度等條件的變化，由于干縮或自由膨脹引起長度變化，造成混凝土裂紋或裂縫，引起鋼筋銹蝕和耐久性不良［12，13］。按JTJ270 試驗方法測定的試驗結(jié)果見表7。

表7 鋼鐵渣粉混凝土收縮率

鋼鐵渣粉混凝土與普通水泥混凝土相比較，具有收縮率小的特點。鋼渣粉中含有少量的游離氯化鈣，水化時產(chǎn)生氫氧化鈣，體積增大，使混凝土膠砂密實而收縮降低。這些特點減少了混凝土構(gòu)筑物的裂紋，提高了混凝土的耐久性。

4 結(jié)論

(1)鋼鐵渣粉作混凝土摻合料，取代30%水泥可配制強度等級為C40、C50、C60 的混凝土。

(2)鋼鐵渣粉混凝土具有良好的抗氯離子滲透作用。電通量值均比普通水泥混凝土低，有利于保護混凝土中鋼筋不被侵蝕。

(3)鋼鐵渣粉混凝土具有良好的抗凍性。C40普通水泥混凝土抗凍等級為F100，而同等級的鋼鐵渣粉混凝抗凍等級為F250，C50 混凝土為F300，C60混凝土為F400。

(4)鋼鐵渣粉混凝土具有良好的抗?jié)B性，抗?jié)B等級為12MPa，滲水高度為0.3cm。

(5)鋼鐵渣粉混凝土收縮率低于普通水泥混凝土。

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