掺钢渣微粉混凝土耐久性的实验研究

田尔布，王逢朝，康海鑫，连跃宗，刘奋醒

(三明学院建筑工程学院，福建三明365004 )



掺钢渣微粉混凝土耐久性的实验研究

田尔布，王逢朝，康海鑫，连跃宗，刘奋醒

(三明学院建筑工程学院，福建三明365004 )

摘要：经过磁选、热闷等工艺处理后的钢渣，其金属铁或铁的化合物、f-CaO含量要减少很多，解决了钢渣易磨性和体积安定问题。用钢渣微粉取代部分水泥制备混凝土进行抗渗透、抗碳化和抗冻融实验。实验表明：随着钢渣粉掺量的增加，混凝土抗碳化效果得到提升；钢渣微粉掺量为20%时，混凝土抗渗透性(氯离子扩散系数、电通量)及抗冻性最佳。

关键词：钢渣；抗渗透；电通量；抗冻性

随着水泥混凝土技术的发展，掺合料如矿渣、粉煤灰等逐渐成为混凝土不可缺少的组分。钢渣和水泥熟料由相似矿物组成，可以作为混凝土掺合料，但是由于含有大量铁和铁的化合物，难以被磨细，其活性不能充分发挥，同时颗粒里包裹着大量游离的CaO和MgO，易使水泥混凝土产生安定性不良等问题[1-2]。近些年，部分钢厂采用磁选、热闷工艺等技术处理钢渣[3-4]，使钢渣能够磨细，去除金属铁和铁化合物，改善其易磨性，降低游离CaO和MgO的产生。研究表明，磨细钢渣对混凝土的工作性和强度影响不明显[5-6]，但目前对经过处理后的钢渣对混凝土耐久性能影响的研究还很少，因此，本文将对此进行研究。

1实验材料与实验方法

1.1实验材料

1)水泥。本研究采用建福牌P.O 42.5R型普通硅酸盐水泥，其主要技术指标见表1。

表1　水泥的主要技术指标

2)粗集料。粗集料为福建三明的花岗岩碎石，其物理性能测试结果如表2所示。

表2　粗集料性能测试结果

3)细集料。本研究所采用的细集料为三明沙溪河产的河砂，属中砂，其各项性能指标均符合规范的相关要求，其物理性能测试结果如表3所示。

表3　细集料性能测试结果

4)钢渣。本实验所用钢渣为福建钢源粉体有限公司生产，经过磁选、热闷等工艺处理，其主要化学成分及技术指标如表4所示，与未经过此种技术处理的钢渣相比[7]，本实验所用钢渣金属铁或铁化物、f-CaO含量减少很多，解决了钢渣体积安定问题。

表4　钢渣化学成分及技术指标

5)减水剂。本研究减水剂为福建省莆田新华新型建筑材料中心生产的FDN系列高效减水剂，根据试验，测得最佳掺量为1.3%。

6)水。普通自来水。

1.2实验方法

1.2.1混凝土配合比设计

用于测试磨细钢渣混凝土电通量、氯离子侵蚀、碳化、抗冻的配合比见表5。

表5　配合比

1.2.2抗渗透实验方法

混凝土渗透性评价方法主要有透水法、透气法、Cl-渗透法、通电法。本研究主要对试件进行了电通量和Cl-渗透实验。

1)电通量：按照《混凝土抗氯离子渗透性能的电动指示试验方法》(ASTM C1202—2012)或《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》(铁建设[2005]160号)，成型直径为100 mm、高50 mm 的圆柱体试件。试件真空饱水后，取出放入两侧的浓度为0.3 mol/L的NaOH 溶液和质量分数为3.0%的NaCl 溶液的试验槽，在两侧通入60 V 直流电压，试件的电通量为6 h内通过试件的总电量值。

2)氯离子迁移：成型直径为100 mm、高50 mm 的圆柱体试件，标养28 d。在A电通量相同实验槽中试件两端外加30 V电压。通电完毕，将试件切成两半，并在切开表面喷涂浓度为0.1 mol/L 的AgNO3，用游标卡尺测氯离子渗透深度，再计算氯离子扩散系数[8]。

1.2.3碳化实验方法

成型100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件，标养28 d。碳化采用加速碳化试验，试验过程中碳化箱内温度为(20±3) ℃，相对湿度为(70±5)%，二氧化碳质量分数为(20±3)%[9]。将试块切块，除去表面上残存的粉末后喷质量分数为1%的酚酞酒精溶液试剂，用游标卡尺测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离。计算各试块测点的碳化深度算术平均值作为碳化深度。

1.2.4抗冻实验方法

采用快冻法进行试验，依据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，对各组试件分别进行100次冻融循环后，再按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行力学性能试验。

2实验结果与数据分析

2.1抗渗透实验

通过对各组的实验数据进行整理，取各组的有效平均值作为该组试件的电通量试验结果测定值。试验根据《混凝土抗氯离子渗透性能的动指示试验方法》(ASTM C1202—2012)计算氯离子的渗透性，按《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193—2009)对电通量等级的划分标准，可得出如表6所示的结果。

表6　电通量试验结果

表6为混凝土氯离子渗透性能试验结果。由表6可知，A、B、D组渗透性等级为中等，C组为低等，同时，C组电通量最低、氯离子扩散系数最小。由图1、2可以看出电通量、氯离子扩散系数随着钢渣掺量的增加先逐渐减小后逐渐增大，掺量为20%时，两者最低。其主要原因可能是当钢渣掺量达到20%时，氯离子渗透性能较其余掺量时更佳，钢渣粉的水化产生CSH凝胶，可以较好地堵塞扩散通道，改善混凝土孔的孔径分布和几何形状，氯离子扩散系数下降。同时，也说明钢渣粉过少或过多，其水化产生的CSH凝胶或者钢渣粉没有很好地填充混凝土内部孔隙。可见，适量的钢渣在改善混凝土孔结构、增加混凝土密实度、降低渗透性方面是有利的，可以提高混凝土的抗渗透性能。

2.2碳化实验

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行磨细钢渣混凝土碳化实验，实验结果见表7和图3、4。

图1　电通量

图2　Cl-扩散系数

表7　碳化实验结果

图3　钢渣掺量对碳化深度影响

图4　碳化深度随时间变化趋势

由表7和图3、4可以看出，养护龄期为28 d的不同掺量磨细钢渣混凝土的碳化深度随时间增加而不断增大。图3显示，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土抗碳化效果越来越好。由图4可知随着碳化时间的增加，试件整体的碳化深度逐渐增大，其中钢渣掺量为0%、10%的混凝土在7 d后的碳化深度快速增大，而钢渣掺量为20%、30%的，碳化深度增大不多，说明钢渣粉与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次反应，减少了混凝土中Ca(OH)2的产生，同时钢渣微粉填充混凝土孔隙，改善混凝土孔的孔径分布和几何形状，阻断了混凝土碳化部分通道，降低碳化机会。

2.3抗冻性实验

通过对试件进行100次冻融循环后，发现A组试件表面有部分脱落迹象，对A组部分试件单独进行到104次冻融后，A组抗冻达到极限，强度下降36%。100次冻融循环后，清除表面脱落块，对A、B、C、D 4组试件进行质量测定和力学抗压强度测试，实验结果见表8和图5。

表8　抗冻试验结果

图5　100次冻融循环后混凝土抗压强度

由图5可以看出，冻融前后，混凝土的质量和28 d抗压强度均在钢渣掺量20%时最高，由于钢渣微粉不仅能够与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应，而且也有填充效应，使混凝土更加密实，二者均提高混凝土抗压强度。经过100次冻融后，混凝土抗压强度和质量均有所下降，但是钢渣掺量为20%时，混凝土抗压强度最高，这是由于水泥水化产物Ca(OH)2与钢渣微粉发生二次水化反应，混凝土毛细孔通道被反应物填充，使水泥钢渣浆体的孔径变细，曲折度增加，连通孔变少，从而使水分进入混凝土内部的几率大为减少，降低因水结冰膨胀破坏混凝土结构的机会。

3结论

1)经过磁选、热闷等工艺处理的钢渣，其Fe2O3、f-CaO含量减少很多，解决了钢渣体积安定问题。

2)随着钢渣粉掺量的增加，混凝土的抗碳化效果越好；钢渣微粉掺量为20%时，混凝土抗渗透性(氯离子扩散系数、电通量)及抗冻性最佳。

3)水泥水化产物Ca(OH)2与钢渣微粉发生二次水化反应，减少了混凝土中Ca(OH)2的产生，有利于降低碳化程度；钢渣与Ca(OH)2发生二次水化反应生成的CSH凝胶可以较好地堵塞扩散通道，改善混凝土孔的孔径分布和几何形状，增加混凝土密实度，降低氯离子扩散系数和减少因水结冰膨胀破坏混凝土结构的机会。

[参考文献]

[1]涂昆,刘家祥,邓侃.钢渣粉和钢渣水泥的活性及水化机理研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2015(1):62-68.

[2]邢琳琳.钢渣稳定性与钢渣粗骨料混凝土的试验研究[D].西安：西安建筑科技大学,2012.

[3] ZHANG Tongsheng,YU Qijun,WEI Jiangxiong,et al.Preparation of high performance blended cements and reclamation of iron concentrate from basic oxygen furnace steel slag[J].Resources,Conservation & Recycling,2011，56 (1):48-55.

[4]YI Huang,XU Guoping,CHENG Huigao,et al.An overview of utilization of steel slag[J].Procedia Environmental Sciences,2012,16(4):791-801.

[5]田尔布,刘奋醒,张仁巍.粗集料骨架结构的高强混凝土工作性研究[J].公路,2011(10):162-165.

[6]蔡琪瑛.磨细钢渣粉对水泥混凝土性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品,2012(5):5-8.

[7]孙家瑛.钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响[J].建筑材料学报,2005(1):63-66.

[8]吴立朋.表层混凝土氯离子扩散性能及其测试方法研究[D].北京:清华大学,2012.

[9]阿茹罕,阎培渝.不同粉煤灰掺量混凝土的碳化特性[J].硅酸盐学报,2011(1):7-12.

责任编辑：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

中图分类号：TU528

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)01- 0039- 04

作者简介：田尔布(1981—)，男，博士研究生，讲师。

基金项目：福建省科学技术厅科技计划项目(2013Y0076)；福建省教育厅A类科技项目(JA12307)；福建省科学技术厅自然科学基金(2015J01646)；福建省科学技术厅自然科学基金指导性科技计划项目(2012D125)

收稿日期：2015-12-12

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.009