钢铁渣粉海工混凝土性能的研究

丁忍忍 夏 春 朱桂林 孙树杉

(中冶集团建筑研究总院有限公司，北京 100088)

0 引言

建设海洋强国，开发海洋资源需要大量建设深水码头、跨海大桥、海底隧道、海上航空港等海洋工程。海洋工程要求混凝土结构有好的耐久性。我国沿海80%的混凝土使用10年之后发生了混凝土顺筋胀裂、剥离等，使混凝土结构寿命受到严重影响。其主要原因是混凝土耐久性不良，大量氯离子侵入混凝土，引起钢筋锈蚀。其次是处于水位变动区的冻融损坏。因此，海工混凝土要有良好的抗冻性，抗渗性和抗氯离子浸入能力。

钢铁渣［1］是钢铁生产的副产品，磨细后可做混凝土掺合料，改善混凝土耐久性。掺粒化高炉矿渣粉可提高混凝土的密实性及耐久性［2］。国内粒化高炉矿渣粉的产量已达1.5 亿吨［3］。大量用于混凝土中，然而粒化高炉矿渣粉碱度低，水化时与Ca(OH)2反应才具有胶凝性，因此会降低混凝土液相PH 值。钢筋的钝化膜被破坏，会引起钢筋的锈蚀。

通过钢渣粉的化学成分和矿物组成分析可知，钢渣粉是高碱性材料，硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)的含量在50%以上，与硅酸盐水泥熟料相似，具有水硬胶凝性。水化时产Ca(OH)2，不降低混凝土中液相碱度，钢筋的钝化膜不被破坏，保护钢筋不生锈。而且，钢渣粉具有良好的抗渗性和耐磨性，后期强度高，水化热低等。

钢铁渣粉是将细度(比表面积)大于400m2/kg的粒化高炉矿渣粉和钢渣粉，按科学比例配制成复合粉。两者相互激发，促进水化反应。复合粉的掺入可降低混凝土结构的孔隙率，使混凝土更加密实，产生“微集料效应”［4］。钢渣粉可维持混凝土内部液相碱度的作用，弥补矿渣粉作混凝土的缺点［5］，有利于保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土耐久性，是混凝土最佳掺合料。“钢铁渣粉”国家标准GB/T28293 -2012 和钢铁渣粉混凝土应用技术规范GB/T50912 -2013，已发布实施。钢铁渣粉在海工混凝土中的应用是发展趋势，其良好性能可提高混凝土寿命，降低工程造价，同时实现钢渣高价值利用［6］。

1 试验

1.1 原材料

(1)水泥为北京琉璃河水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5;钢渣是江西新余热闷稳定化处理后的钢渣;粒化高炉渣是江西新余钢厂的粒化高炉渣;减水剂为萘系;骨料为碎石。钢铁渣粉质量比为:钢渣粉:矿渣粉=3:7。

水泥、钢渣和粒化高炉渣的化学成分见表1。

表1 水泥、钢渣和粒化高炉渣的化学成分%

(2)水泥、钢渣和粒化高炉渣的活性指数。

水泥、钢渣和粒化高炉渣的活性指数见表2。

(3)混凝土。

试验用混凝土强度等级为C40、C50、C60。

2 试验方法

所有耐久性实验均按照《水运工程混凝土试验规程》JTJ270 进行。

3 试验结果与分析

3.1 钢铁渣粉混凝土龄期抗压强度

试验配置了C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 钢铁渣粉混凝土［7-9］，其龄期抗压强度见表3。

表3 混凝土龄期抗压强度

从试验结果可知钢铁渣粉取代30%的水泥可配制强度等级为C40～C60 的混凝土。C40 混凝土除3 天强度比普通水泥混凝土略低外，其他龄期强度均比普通水泥混凝土略高。因为钢渣粉和粒化高炉矿渣粉比表面积比水泥大，改善了胶凝材料的颗粒组成，加大了混凝土密实度，提高了强度。另外钢铁渣粉细度大，使胶凝材料水化产物增多，对提高强度有利。

3.2 钢铁渣粉混凝土抗氯离子渗透性能

混凝土中钢筋腐蚀是一种电化学腐蚀。硅酸盐水泥水化时生成氢氧化钙，使钢筋周围混凝土孔隙中的水分变成饱和的氢氧化钙电解液，钢筋与电解液发生电化学作用。

钢筋一般含有杂质，表面有缺陷，这样就构成本身电化学的不均匀性。由于钢筋和杂质的电位不同，形成了许多通往金属本身短路的微小原电池。杂质和缺陷的电位往往比钢要高，构成了微电池的阴极区，钢为阳极区。它们之间的电位差就形成了微电池的电动势，这时如果钢筋周围有氧和水，就会有电流产生，也就有腐蚀产生。

本文采用混凝土试件的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能［10］。

试验测定普通C40 混凝土和取代30%水泥的钢铁渣粉混凝土的电通量试验结果见表4。

表4 混凝土的电通量值

从试验可知钢铁渣粉混凝土电通量均比普通水泥混凝土低，具有良好的抗氯离子渗透作用，有利于保护混凝土中钢筋不被腐蚀。

3.3 钢铁渣粉混凝土钢筋锈蚀

试验模拟了浪溅区和水位变动区混凝土中的钢筋锈蚀环境［11］，即海水干湿交替，并用提高湿度的方法加速腐蚀速度。试验方法按水运工程混凝土试验规程7.11 进行。试验结果为C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 钢铁渣粉混凝土的锈蚀率均为0，说明混凝土中钢筋均未生锈。防锈蚀性能良好。

3.4 钢铁渣粉混凝土的抗冻性

混凝土在冻融循环作用下造成结构耐久性降低。按JTJ270 试验规程进行抗冻性试验。混凝土冻融循环设计为50 次、100 次、150 次、200 次、250 次、300 次、350 次、400 次。其动弹性模量和质量损失见表5。

根据JTJ270 规程规定相对动弹性模量下降至75%或重量损失率达5%时，可认为试件已经破坏，并以相应的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻融等级。

从试验结果可知:

(1)冻融后混凝土的质量损失均小于5%。

(2)C40 普通水泥混凝土抗冻等级为F100。

(3)C40 钢铁渣粉混凝土抗冻等级为F250。

(4)C50 钢铁渣粉混凝土抗冻等级为F300。

(5)C60 钢铁渣粉混凝土抗冻等级为F400。

表5 钢渣粉混凝土冻融循环性能

掺钢铁渣粉混凝土抗冻性好是因为:

(1)加入钢铁渣粉的混凝土减少了内部的孔隙，提高了混凝土的密实度。

(2)由于掺入钢铁渣粉，水化产物和普通水泥混凝土有差别，由于钢铁渣粉水化产物是二碱水化硅酸钙，它的强度较低，但它的抗冻性能超过水泥的水化产物，使混凝土具有良好的抗冻性。

3.5 钢铁渣粉混凝土的抗渗性

为检验钢铁渣粉混凝土抗渗性能，按水运工程混凝土试验规程，进行了C40 普通水泥混凝土和C40、C50、C60 掺钢铁渣粉混凝土抗渗试验和渗水高度试验。结果见表6。

表6 混凝土抗渗性能

各强度等级混凝土渗水时的水压力为1.2MPa，钢铁渣粉混凝土的渗水高度平均值为0.3～0.5cm，具有良好的抗渗性。由于渣粉比表面积大，改善了胶凝材料的密实性，同时钢渣粉和粒化高炉矿渣粉水化充分释放凝胶数量，增多、增强了混凝土界面的粘结力，减少了混凝土空隙，提高了抗渗性。

3.6 钢铁渣粉混凝土收缩

混凝土在应用时，由于受到环境温度和湿度等条件的变化，由于干缩或自由膨胀引起长度变化，造成混凝土裂纹或裂缝，引起钢筋锈蚀和耐久性不良［12，13］。按JTJ270 试验方法测定的试验结果见表7。

表7 钢铁渣粉混凝土收缩率

钢铁渣粉混凝土与普通水泥混凝土相比较，具有收缩率小的特点。钢渣粉中含有少量的游离氯化钙，水化时产生氢氧化钙，体积增大，使混凝土胶砂密实而收缩降低。这些特点减少了混凝土构筑物的裂纹，提高了混凝土的耐久性。

4 结论

(1)钢铁渣粉作混凝土掺合料，取代30%水泥可配制强度等级为C40、C50、C60 的混凝土。

(2)钢铁渣粉混凝土具有良好的抗氯离子渗透作用。电通量值均比普通水泥混凝土低，有利于保护混凝土中钢筋不被侵蚀。

(3)钢铁渣粉混凝土具有良好的抗冻性。C40普通水泥混凝土抗冻等级为F100，而同等级的钢铁渣粉混凝抗冻等级为F250，C50 混凝土为F300，C60混凝土为F400。

(4)钢铁渣粉混凝土具有良好的抗渗性，抗渗等级为12MPa，渗水高度为0.3cm。

(5)钢铁渣粉混凝土收缩率低于普通水泥混凝土。

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