摻鋼渣微粉混凝土耐久性的實(shí)驗(yàn)研究

田爾布，王逢朝，康海鑫，連躍宗，劉奮醒

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建三明365004 )

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摻鋼渣微粉混凝土耐久性的實(shí)驗(yàn)研究

田爾布，王逢朝，康海鑫，連躍宗，劉奮醒

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建三明365004 )

摘要：經(jīng)過磁選、熱悶等工藝處理后的鋼渣，其金屬鐵或鐵的化合物、f-CaO含量要減少很多，解決了鋼渣易磨性和體積安定問題。用鋼渣微粉取代部分水泥制備混凝土進(jìn)行抗?jié)B透、抗碳化和抗凍融實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土抗碳化效果得到提升；鋼渣微粉摻量為20%時(shí)，混凝土抗?jié)B透性(氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量)及抗凍性最佳。

關(guān)鍵詞：鋼渣；抗?jié)B透；電通量；抗凍性

隨著水泥混凝土技術(shù)的發(fā)展，摻合料如礦渣、粉煤灰等逐漸成為混凝土不可缺少的組分。鋼渣和水泥熟料由相似礦物組成，可以作為混凝土摻合料，但是由于含有大量鐵和鐵的化合物，難以被磨細(xì)，其活性不能充分發(fā)揮，同時(shí)顆粒里包裹著大量游離的CaO和MgO，易使水泥混凝土產(chǎn)生安定性不良等問題[1-2]。近些年，部分鋼廠采用磁選、熱悶工藝等技術(shù)處理鋼渣[3-4]，使鋼渣能夠磨細(xì)，去除金屬鐵和鐵化合物，改善其易磨性，降低游離CaO和MgO的產(chǎn)生。研究表明，磨細(xì)鋼渣對(duì)混凝土的工作性和強(qiáng)度影響不明顯[5-6]，但目前對(duì)經(jīng)過處理后的鋼渣對(duì)混凝土耐久性能影響的研究還很少，因此，本文將對(duì)此進(jìn)行研究。

1實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1)水泥。本研究采用建福牌P.O 42.5R型普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

2)粗集料。粗集料為福建三明的花崗巖碎石，其物理性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　粗集料性能測(cè)試結(jié)果

3)細(xì)集料。本研究所采用的細(xì)集料為三明沙溪河產(chǎn)的河砂，屬中砂，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范的相關(guān)要求，其物理性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　細(xì)集料性能測(cè)試結(jié)果

4)鋼渣。本實(shí)驗(yàn)所用鋼渣為福建鋼源粉體有限公司生產(chǎn)，經(jīng)過磁選、熱悶等工藝處理，其主要化學(xué)成分及技術(shù)指標(biāo)如表4所示，與未經(jīng)過此種技術(shù)處理的鋼渣相比[7]，本實(shí)驗(yàn)所用鋼渣金屬鐵或鐵化物、f-CaO含量減少很多，解決了鋼渣體積安定問題。

表4　鋼渣化學(xué)成分及技術(shù)指標(biāo)

5)減水劑。本研究減水劑為福建省莆田新華新型建筑材料中心生產(chǎn)的FDN系列高效減水劑，根據(jù)試驗(yàn)，測(cè)得最佳摻量為1.3%。

6)水。普通自來水。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1混凝土配合比設(shè)計(jì)

用于測(cè)試磨細(xì)鋼渣混凝土電通量、氯離子侵蝕、碳化、抗凍的配合比見表5。

表5　配合比

1.2.2抗?jié)B透實(shí)驗(yàn)方法

混凝土滲透性評(píng)價(jià)方法主要有透水法、透氣法、Cl-滲透法、通電法。本研究主要對(duì)試件進(jìn)行了電通量和Cl-滲透實(shí)驗(yàn)。

1)電通量：按照《混凝土抗氯離子滲透性能的電動(dòng)指示試驗(yàn)方法》(ASTM C1202—2012)或《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》(鐵建設(shè)[2005]160號(hào))，成型直徑為100 mm、高50 mm 的圓柱體試件。試件真空飽水后，取出放入兩側(cè)的濃度為0.3 mol/L的NaOH 溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的NaCl 溶液的試驗(yàn)槽，在兩側(cè)通入60 V 直流電壓，試件的電通量為6 h內(nèi)通過試件的總電量值。

2)氯離子遷移：成型直徑為100 mm、高50 mm 的圓柱體試件，標(biāo)養(yǎng)28 d。在A電通量相同實(shí)驗(yàn)槽中試件兩端外加30 V電壓。通電完畢，將試件切成兩半，并在切開表面噴涂濃度為0.1 mol/L 的AgNO3，用游標(biāo)卡尺測(cè)氯離子滲透深度，再計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)[8]。

1.2.3碳化實(shí)驗(yàn)方法

成型100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件，標(biāo)養(yǎng)28 d。碳化采用加速碳化試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中碳化箱內(nèi)溫度為(20±3) ℃，相對(duì)濕度為(70±5)%，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20±3)%[9]。將試塊切塊，除去表面上殘存的粉末后噴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的酚酞酒精溶液試劑，用游標(biāo)卡尺測(cè)量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離。計(jì)算各試塊測(cè)點(diǎn)的碳化深度算術(shù)平均值作為碳化深度。

1.2.4抗凍實(shí)驗(yàn)方法

采用快凍法進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，對(duì)各組試件分別進(jìn)行100次凍融循環(huán)后，再按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1抗?jié)B透實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，取各組的有效平均值作為該組試件的電通量試驗(yàn)結(jié)果測(cè)定值。試驗(yàn)根據(jù)《混凝土抗氯離子滲透性能的動(dòng)指示試驗(yàn)方法》(ASTM C1202—2012)計(jì)算氯離子的滲透性，按《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 193—2009)對(duì)電通量等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可得出如表6所示的結(jié)果。

表6　電通量試驗(yàn)結(jié)果

表6為混凝土氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果。由表6可知，A、B、D組滲透性等級(jí)為中等，C組為低等，同時(shí)，C組電通量最低、氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小。由圖1、2可以看出電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加先逐漸減小后逐漸增大，摻量為20%時(shí)，兩者最低。其主要原因可能是當(dāng)鋼渣摻量達(dá)到20%時(shí)，氯離子滲透性能較其余摻量時(shí)更佳，鋼渣粉的水化產(chǎn)生CSH凝膠，可以較好地堵塞擴(kuò)散通道，改善混凝土孔的孔徑分布和幾何形狀，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降。同時(shí)，也說明鋼渣粉過少或過多，其水化產(chǎn)生的CSH凝膠或者鋼渣粉沒有很好地填充混凝土內(nèi)部孔隙?？梢?，適量的鋼渣在改善混凝土孔結(jié)構(gòu)、增加混凝土密實(shí)度、降低滲透性方面是有利的，可以提高混凝土的抗?jié)B透性能。

2.2碳化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行磨細(xì)鋼渣混凝土碳化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7和圖3、4。

圖1　電通量

圖2　Cl-擴(kuò)散系數(shù)

表7　碳化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3　鋼渣摻量對(duì)碳化深度影響

圖4　碳化深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

由表7和圖3、4可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的不同摻量磨細(xì)鋼渣混凝土的碳化深度隨時(shí)間增加而不斷增大。圖3顯示，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土抗碳化效果越來越好。由圖4可知隨著碳化時(shí)間的增加，試件整體的碳化深度逐漸增大，其中鋼渣摻量為0%、10%的混凝土在7 d后的碳化深度快速增大，而鋼渣摻量為20%、30%的，碳化深度增大不多，說明鋼渣粉與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)，減少了混凝土中Ca(OH)2的產(chǎn)生，同時(shí)鋼渣微粉填充混凝土孔隙，改善混凝土孔的孔徑分布和幾何形狀，阻斷了混凝土碳化部分通道，降低碳化機(jī)會(huì)。

2.3抗凍性實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)試件進(jìn)行100次凍融循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)A組試件表面有部分脫落跡象，對(duì)A組部分試件單獨(dú)進(jìn)行到104次凍融后，A組抗凍達(dá)到極限，強(qiáng)度下降36%。100次凍融循環(huán)后，清除表面脫落塊，對(duì)A、B、C、D 4組試件進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定和力學(xué)抗壓強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8和圖5。

表8　抗凍試驗(yàn)結(jié)果

圖5　100次凍融循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖5可以看出，凍融前后，混凝土的質(zhì)量和28 d抗壓強(qiáng)度均在鋼渣摻量20%時(shí)最高，由于鋼渣微粉不僅能夠與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，而且也有填充效應(yīng)，使混凝土更加密實(shí)，二者均提高混凝土抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過100次凍融后，混凝土抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量均有所下降，但是鋼渣摻量為20%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高，這是由于水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與鋼渣微粉發(fā)生二次水化反應(yīng)，混凝土毛細(xì)孔通道被反應(yīng)物填充，使水泥鋼渣漿體的孔徑變細(xì)，曲折度增加，連通孔變少，從而使水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的幾率大為減少，降低因水結(jié)冰膨脹破壞混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。

3結(jié)論

1)經(jīng)過磁選、熱悶等工藝處理的鋼渣，其Fe2O3、f-CaO含量減少很多，解決了鋼渣體積安定問題。

2)隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土的抗碳化效果越好；鋼渣微粉摻量為20%時(shí)，混凝土抗?jié)B透性(氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量)及抗凍性最佳。

3)水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與鋼渣微粉發(fā)生二次水化反應(yīng)，減少了混凝土中Ca(OH)2的產(chǎn)生，有利于降低碳化程度；鋼渣與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成的CSH凝膠可以較好地堵塞擴(kuò)散通道，改善混凝土孔的孔徑分布和幾何形狀，增加混凝土密實(shí)度，降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)和減少因水結(jié)冰膨脹破壞混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。

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責(zé)任編輯：唐海燕

A Study of Steel Slag Powder Concrete Durability

TIAN Erbu，WANG Fengchao，KANG Haixin，LIAN Yuezong，LIU Fenxing

(College of Architecture Civil Engineering，Sanming University,Sanming 365004)

Abstract：The metal iron or iron compounds and f-CaO content of steel slag was much less after the process of steel slag magnetic separation and fever treatment,and the problems of grindability and volume stability of steel slag were solved.The experiment of anti-permeability,carbonation resistance and freeze-thaw resistance of concrete was carried out by using steel slag powder to replace part of cement.The experimental results show that with the increase of the dosage of steel slag powder,the effect of concrete carbonation is getting better.When the steel slag fine powder content reaches 20%,anti-permeability (chloride ion diffusion coefficient,electric flux) and frost resistance of concrete were the best.

Key words：steel slag;anti-permeability;electric flux;freezing resistance

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)01- 0039- 04

作者簡(jiǎn)介：田爾布(1981—)，男，博士研究生，講師。

基金項(xiàng)目：福建省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013Y0076)；福建省教育廳A類科技項(xiàng)目(JA12307)；福建省科學(xué)技術(shù)廳自然科學(xué)基金(2015J01646)；福建省科學(xué)技術(shù)廳自然科學(xué)基金指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012D125)

收稿日期：2015-12-12

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.009