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(tuán)建筑研究總院有限公司，北京 100088)

0 引言

建設(shè)海洋強(qiáng)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(yán)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(dòng)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(xì)后可做混凝土摻合料，改善混凝土耐久性。摻?；郀t礦渣粉可提高混凝土的密實(shí)性及耐久性［2］。國內(nèi)?；郀t礦渣粉的產(chǎn)量已達(dá)1.5 億噸［3］。大量用于混凝土中，然而?；郀t礦渣粉堿度低，水化時(shí)與Ca(OH)2反應(yīng)才具有膠凝性，因此會(huì)降低混凝土液相PH 值。鋼筋的鈍化膜被破壞，會(huì)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(shí)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(hù)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(qiáng)度高，水化熱低等。

鋼鐵渣粉是將細(xì)度(比表面積)大于400m2/kg的?；郀t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(jìn)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(shí)，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(bǔ)礦渣粉作混凝土的缺點(diǎn)［5］，有利于保護(hù)鋼筋免于銹蝕，提高混凝土耐久性，是混凝土最佳摻合料?！颁撹F渣粉”國家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施。鋼鐵渣粉在海工混凝土中的應(yīng)用是發(fā)展趨勢(shì)，其良好性能可提高混凝土壽命，降低工程造價(jià)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋼渣高價(jià)值利用［6］。

1 試驗(yàn)

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(qiáng)度等級(jí)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?；郀t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?；郀t渣的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥、鋼渣和?；郀t渣的化學(xué)成分%

(2)水泥、鋼渣和?；郀t渣的活性指數(shù)。

水泥、鋼渣和?；郀t渣的活性指數(shù)見表2。

(3)混凝土。

試驗(yàn)用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、C50、C60。

2 試驗(yàn)方法

所有耐久性實(shí)驗(yàn)均按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTJ270 進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼鐵渣粉混凝土齡期抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)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(qiáng)度見表3。

表3 混凝土齡期抗壓強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可知鋼鐵渣粉取代30%的水泥可配制強(qiáng)度等級(jí)為C40～C60 的混凝土。C40 混凝土除3 天強(qiáng)度比普通水泥混凝土略低外，其他齡期強(qiáng)度均比普通水泥混凝土略高。因?yàn)殇撛酆土；郀t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(shí)度，提高了強(qiáng)度。另外鋼鐵渣粉細(xì)度大，使膠凝材料水化產(chǎn)物增多，對(duì)提高強(qiáng)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(shí)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(dòng)勢(shì)，這時(shí)如果鋼筋周圍有氧和水，就會(huì)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(biāo)來確定混凝土抗氯離子滲透性能［10］。

試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土的電通量值

從試驗(yàn)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(hù)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(yàn)?zāi)M了浪濺區(qū)和水位變動(dòng)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(yàn)方法按水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程7.11 進(jìn)行。試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。混凝土凍融循環(huán)設(shè)計(jì)為50 次、100 次、150 次、200 次、250 次、300 次、350 次、400 次。其動(dòng)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(duì)動(dòng)彈性模量下降至75%或重量損失率達(dá)5%時(shí)，可認(rèn)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(jí)。

從試驗(yàn)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(jí)為F100。

(3)C40 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級(jí)為F250。

(4)C50 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級(jí)為F300。

(5)C60 鋼鐵渣粉混凝土抗凍等級(jí)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?yàn)?

(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(shí)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(qiáng)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(yàn)鋼鐵渣粉混凝土抗?jié)B性能，按水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程，進(jìn)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(yàn)和滲水高度試驗(yàn)。結(jié)果見表6。

表6 混凝土抗?jié)B性能

各強(qiáng)度等級(jí)混凝土滲水時(shí)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(shí)性，同時(shí)鋼渣粉和?；郀t礦渣粉水化充分釋放凝膠數(shù)量，增多、增強(qiáng)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(shí)，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(yàn)方法測定的試驗(yàn)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(diǎn)。鋼渣粉中含有少量的游離氯化鈣，水化時(shí)產(chǎn)生氫氧化鈣，體積增大，使混凝土膠砂密實(shí)而收縮降低。這些特點(diǎn)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(qiáng)度等級(jí)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(hù)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(jí)為F100，而同等級(jí)的鋼鐵渣粉混凝抗凍等級(jí)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(jí)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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