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        鋼鐵渣粉海工混凝土性能的研究

        2015-12-02 01:44:18丁忍忍朱桂林孫樹杉
        江西建材 2015年12期
        關(guān)鍵詞:抗凍抗?jié)B鋼渣

        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(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,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(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?;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(jìn)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?;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,加大了混凝土密實度,提高了強度。另外鋼鐵渣粉細(xì)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(biāo)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(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?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(jìn)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(jìn)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(dá)5%時,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。

        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(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?;郀t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(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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