劉進(jìn)，王棟民

[中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083]

等強(qiáng)度條件下鋼渣混凝土的抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕性能

劉進(jìn)，王棟民

[中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083]

分別以C30和C50混凝土為研究對(duì)象，在28 d抗壓強(qiáng)度近似相等的前提下，研究了鋼渣對(duì)混凝土后期強(qiáng)度、抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。研究表明：無論是對(duì)于C30還是C50混凝土，在等28 d強(qiáng)度條件下，摻入鋼渣都能在一定程度上提高混凝土的后期抗壓強(qiáng)度，而且在一定范圍內(nèi)，鋼渣摻量越大，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的提高作用越明顯；鋼渣對(duì)混凝土后期的抗氯離子滲透性能沒有不利影響；摻入鋼渣可以在一定程度上提高混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕性能，相比之下，鋼渣對(duì)C30混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的改善效果更加顯著；當(dāng)鋼渣摻量增加到一定程度后，混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕性能不會(huì)有進(jìn)一步的提高。

等強(qiáng)度；鋼渣混凝土；氯離子滲透；硫酸鹽侵蝕

0　前言

鋼渣是工業(yè)煉鋼過程中產(chǎn)生的一種廢渣，排放量大約是粗鋼產(chǎn)量的13%～20%[1]。我國的鋼產(chǎn)量很大，每年鋼渣的排放量在8000萬t左右，但是有效利用率卻只有20%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平[2]，而且目前鋼渣主要是作為填料在道路工程和基礎(chǔ)工程中使用。大量廢棄和堆積的鋼渣不僅是資源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的破壞，因此研究鋼渣的資源化利用具有非常重要的意義。

鋼渣的化學(xué)成分由煉鋼的原材料和冶煉工藝所決定，主要包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO和MnO等[3]。我國的鋼渣大多為轉(zhuǎn)爐鋼渣，其礦物組分主要包括硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鐵鋁酸鈣、RO相以及少量的游離氧化鈣（f-CaO）等[4]。由此可知，鋼渣的主要成分與硅酸鹽水泥類似，C2S、C3S、鐵鋁酸鈣等物相的存在使鋼渣具有一定的膠凝性能，鋼渣是一種潛在的水泥和混凝土的礦物摻合料。但是有研究指出[5]，由于鋼渣大多數(shù)是在空氣中自然冷卻形成的，其中膠凝組分的含量較低，因此鋼渣的水化活性比水泥要低很多，在水泥中摻入鋼渣后會(huì)導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系的水化速率降低、水化放熱量減小，摻量太大時(shí)還會(huì)使硬化漿體早期的結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低。

鋼渣用作礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響也一直備受關(guān)注。林暉等[6]的研究表明，鋼渣摻量從0增加到60%，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度逐漸降低。朱航[7]研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣粉摻量為10%～20%時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度略有提高，但是當(dāng)鋼渣粉摻量超過20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣粉摻量增加開始呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。蔡琪瑛[8]也指出，當(dāng)鋼渣摻量超過30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低。耐久性方面，相關(guān)研究[9]表明：在等水膠比條件下，增加鋼渣摻量會(huì)導(dǎo)致混凝土的氯離子滲透性變大、抗碳化性能降低，不過在低水膠比情況下鋼渣對(duì)混凝土性能的不利影響相對(duì)較小。孫家瑛[10]也指出，當(dāng)鋼渣摻量大于20%時(shí)，混凝土的抗氣體滲透性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能都隨著鋼渣摻量的增加而下降。不過，上述研究采用的都是單因素分析法，即控制水膠比一定的條件下研究鋼渣摻量等因素對(duì)混凝土性能的影響，或者保持鋼渣摻量不變的條件下研究水膠比的影響，在這樣的研究體系中，相同齡期時(shí)混凝土的強(qiáng)度是不同的。但對(duì)于實(shí)際工程中的構(gòu)件，混凝土的強(qiáng)度都是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，人們需要在滿足特定強(qiáng)度要求的前提下，改變膠凝材料組成，來確保混凝土的后期性能。

良好的耐久性是保證混凝土使用壽命、推動(dòng)建筑可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能就是2個(gè)典型的指標(biāo)。本文以C30和C50混凝土為研究對(duì)象，在等28 d強(qiáng)度的條件下，通過比較不同摻量鋼渣混凝土的后期強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能，來研究鋼渣對(duì)混凝土后期強(qiáng)度和耐久性的影響。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·O 42.5水泥，比表面積368 m2/kg；鋼渣：磨細(xì)轉(zhuǎn)爐鋼渣，比表面積432 m2/kg，符合GB/T 28293—2012《鋼鐵渣粉》要求，水泥和鋼渣的化學(xué)成分如表1所示；粗骨料：5～20 mm石灰石碎石；細(xì)骨料：粒徑小于5 mm的天然河砂。

表1　水泥和鋼渣的化學(xué)成分%

1.2混凝土的配合比

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了C30、C50兩種不同強(qiáng)度等級(jí)鋼渣混凝土，對(duì)于同一強(qiáng)度等級(jí)的鋼渣混凝土，設(shè)計(jì)配合比時(shí)保持膠凝材料總量和砂率不變，通過調(diào)節(jié)水膠比使各組鋼渣混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度盡可能相等。C30和C50鋼渣混凝土配合比見表2。

表2　C30和C50鋼渣混凝土的配合比

1.3試驗(yàn)方法

對(duì)每個(gè)試驗(yàn)組，成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試塊，每組試塊所用拌合物一次澆筑完成，混凝土拆模后移至（20±1）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

混凝土抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土抗氯離子滲透性測(cè)試采用直流電通量法，試驗(yàn)前將試塊切割成100 mm×100 mm×50 mm的尺寸，按照ASTM C 1202—2012《混凝土抗氯離子滲透性能的電動(dòng)指示試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土抗硫酸鹽侵蝕測(cè)試采用干濕循環(huán)的試驗(yàn)方法，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)養(yǎng)護(hù)至26 d齡期時(shí)，將需要進(jìn)行干濕循環(huán)的試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出，擦干表面水分，然后將試件放入（80±5）℃的烘箱中烘48 h。烘干結(jié)束后將試塊放在干燥環(huán)境中冷卻到室溫后，立即放入配制好的5%Na2SO4溶液中進(jìn)行浸泡，溶液至少超過最上層試件表面20 mm，浸泡時(shí)間為（15±0.5）h。浸泡結(jié)束后，將試件從Na2SO4溶液中取出，然后風(fēng)干30 min后，立即將試塊放入到（80±5）℃的烘箱中進(jìn)行烘干，烘干6 h后進(jìn)行冷卻，冷卻時(shí)間為2 h，之后再將試塊放入5%Na2SO4溶液中浸泡，進(jìn)行下1個(gè)干濕循環(huán)，每個(gè)干濕循環(huán)的總時(shí)間為（24±2）h。試驗(yàn)過程中需要定期檢查和調(diào)整Na2SO4溶液的pH值。在達(dá)到90次和120次干濕循環(huán)后，分別測(cè)試混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，計(jì)算抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1C30和C50鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度（見表3）

表3　C30和C50鋼渣混凝土在各齡期的抗壓強(qiáng)度

由表3可見，對(duì)于C30混凝土，無論是在118 d還是148 d齡期，S1組、S2組的抗壓強(qiáng)度都明顯高于C1組，而且S2組的抗壓強(qiáng)度比S1組更高。在118 d齡期時(shí)，S1組和S2組的抗壓強(qiáng)度分別比純水泥混凝土C1組提高了6.3%和9.9%；在148 d齡期時(shí)，S1組和S2組的抗壓強(qiáng)度分別比C1組提高了7.7%和10.7%。這說明，對(duì)于C30普通強(qiáng)度等級(jí)混凝土，在28 d抗壓強(qiáng)度近似相等的情況下，摻鋼渣混凝土的后期抗壓強(qiáng)度明顯高于同齡期的純水泥混凝土，而且鋼渣的摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越高。

C50混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與C30混凝土類似。在118 d齡期時(shí)，S11組、S22組的抗壓強(qiáng)度比C11組分別提高了5.9%和10.4%；在148 d齡期時(shí)，S11組和S22組的抗壓強(qiáng)度比C11組分別提高了7.0%和10.2%。

由上述分析可知：無論是對(duì)于C30還是C50混凝土，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，摻入鋼渣能在一定程度上提高其后期強(qiáng)度，而且在一定范圍內(nèi)，鋼渣摻量越大，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高作用越明顯，這與等水膠比條件下的研究結(jié)果明顯不一致。其原因主要是鋼渣的水化活性比水泥要低很多[8-9]，相同齡期時(shí)鋼渣的水化程度也比水泥要低，因而加入鋼渣后，為了維持混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度不變，就需要減少水的用量，即降低水膠比（見表2），而水膠比降低后，顆粒之間的間距減小，混凝土中孔隙更小，總孔隙率也會(huì)減小，混凝土過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)就更加密實(shí)，因此其后期強(qiáng)度會(huì)有一定程度的提高。隨著鋼渣摻量的增加，為保持混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度不變，水膠比就要進(jìn)一步降低，其后期強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高，所以在同一齡期，鋼渣摻量大的混凝土后期強(qiáng)度比鋼渣摻量小的混凝土更高。另一方面，混凝土中摻入鋼渣后，復(fù)合膠凝材料在28 d時(shí)的水化程度比純水泥的低，水化產(chǎn)物的量也比純水泥混凝土少一些，未水化顆粒表面被包裹的少，因此在后期相對(duì)更容易水化，這對(duì)于后期強(qiáng)度的提高也有一定的作用。

2.2C30和C50鋼渣混凝土的抗氯離子滲透性

C30、C50鋼渣混凝土在各齡期的6h電通量及根據(jù)ASTM C1202—2012對(duì)混凝土抗氯離子滲透性等級(jí)評(píng)價(jià)見表4。

由表4可見，無論是C30還是C50混凝土，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，摻入鋼渣的混凝土在118 d和148 d齡期時(shí)的6 h電通量都比純水泥混凝土要小，這與抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果相符，不過S1組的6 h電通量比S2組稍小，而S11組的6 h

表4　C30和C50混凝土在各齡期的抗氯離子滲透性

電通量比S22組稍大。根據(jù)ASTM C 1202—2012對(duì)混凝土氯離子滲透性等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同一齡期時(shí)3組混凝土的氯離子滲透性處于同一等級(jí)?？偟膩碚f，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，鋼渣對(duì)混凝土后期的抗氯離子滲透性并沒有不利影響。

本試驗(yàn)是基于等28 d抗壓強(qiáng)度的前提進(jìn)行的，當(dāng)混凝土中摻入鋼渣后，水膠比需相應(yīng)降低，混凝土中的孔隙變小，總孔隙率也隨之減小，混凝土過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)就更加密實(shí)，因此其后期的抗氯離子滲透性得到一定程度的改善。同時(shí)，未水化鋼渣顆粒的物理填充作用及在后期繼續(xù)水化，對(duì)于提高混凝土后期的抗氯離子滲透性也有一定的作用。不過，由于鋼渣中Fe元素含量很高，摻入混凝土中對(duì)抗氯離子侵蝕不利，而且摻入鋼渣后膠凝體系的水化程度比較低，因此氯離子滲透性仍與純水泥混凝土處于相同等級(jí)。當(dāng)鋼渣摻量過大時(shí)，這種不利影響可能會(huì)超過水膠比降低對(duì)氯離子滲透性的積極影響，從而使混凝土后期的電通量有所增大。

2.3C30和C50鋼渣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能（見表5）

表5　C30和C50混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能

由表5可見，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，無論是C30還是C50混凝土，經(jīng)過90次和120次干濕循環(huán)后，摻鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度都明顯高于純水泥混凝土，而且摻鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)也比純水泥混凝土的高，摻入鋼渣可以在一定程度上提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。值得注意的是，S1組和S2組，以及S11組和S22組在經(jīng)過相同次數(shù)干濕循環(huán)后，混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)非常接近，說明當(dāng)鋼渣摻量增到一定程度后，混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕性能不會(huì)有進(jìn)一步的提高。

這是因?yàn)?，為保證混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度近似相等，摻鋼渣混凝土的水膠比低于純水泥混凝土，成型后鋼渣混凝土中過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)的孔隙率更小，密實(shí)度更高，同時(shí)未水化的鋼渣粉顆粒還能起一定的填充作用，因而硫酸鹽溶液不容易滲入到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，硫酸鹽結(jié)晶引起的物理破壞相對(duì)較小。另一方面，鋼渣中CaO、Al2O3和SO3的含量（見表1）都比水泥的低，這些成分與鈣礬石的生成密切相關(guān)。同時(shí)，由于部分水泥被鋼渣代替，膠凝體系中C3S、C2S和C3A的含量被稀釋，而且鋼渣中C3S含量較少，以C2S為主[11]，1 mol C3S水化可生成1.5 mol Ca（OH）2，而1 mol C2S水化只能生成0.5 mol Ca（OH）2，因此摻入鋼渣后，水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水化鋁酸鈣的量都會(huì)減少，石膏和鈣礬石等侵蝕產(chǎn)物也會(huì)減少，由此產(chǎn)生的硫酸鹽化學(xué)侵蝕破壞也會(huì)減小。其中，Ca（OH）2的減少還可以在一定程度上改善混凝土過渡區(qū)，這對(duì)于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能也有一定的作用。不過，當(dāng)鋼渣摻量增大到一定程度后，盡管水膠比進(jìn)一步減小，混凝土微結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，但膠凝體系整體的水化程度會(huì)明顯降低，水化生成的凝膠量將會(huì)減少，從而對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生不利影響，這就是繼續(xù)提高鋼渣摻量時(shí)混凝土后期的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)沒有進(jìn)一步提高的原因。

此外，將表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，S1組和S2組的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)較C1組有比較明顯的提高，而S11組和S22組的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)比C11組提高的幅度卻很小。也就是說，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，鋼渣對(duì)C30普通強(qiáng)度混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的改善效果比其對(duì)C50混凝土的改善效果更加明顯。這主要是因?yàn)镃50混凝土在118 d和148 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)很高，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常密實(shí)，因此純水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能就已經(jīng)相當(dāng)好，C11組在經(jīng)過90次和120次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為96.0%和86.1%，因此摻入鋼渣對(duì)于其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的改善作用比較有限，對(duì)于高強(qiáng)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的提高效果并不明顯。而普通強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)并不是很密實(shí)，所以摻入鋼渣可以較好地改善混凝土的過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)，使混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕的能力有比較顯著的提高。

3　結(jié)論

對(duì)于C30、C50混凝土，在等28 d抗壓強(qiáng)度條件下，摻入鋼渣都能在一定程度上提高混凝土的后期抗壓強(qiáng)度，而且在一定范圍內(nèi)，鋼渣摻量越大，對(duì)后期強(qiáng)度的提高作用越明顯；摻入鋼渣可以在一定程度上減小混凝土后期的6 h電通量，鋼渣對(duì)混凝土后期的抗氯離子滲透性能沒有不利影響；摻入鋼渣可以在一定程度上提高混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕能力，鋼渣對(duì)C30混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的改善效果更加顯著，但當(dāng)鋼渣摻量增加到一定程度后，混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕性能不會(huì)有進(jìn)一步的提高。

[1]譚克鋒，劉來寶，陳德玉，等.利用鋼渣生產(chǎn)混凝土空心砌塊的研究[J].新型建筑材料，2006（2）：50-51.

[2]Li JX，Yu QJ，Wei JX，et al.Structural characteristics and hydration kinetics of modified steel slag[J].Cement and Concrete Research，2011，41（3）：324-329.

[3]歐陽東，謝宇平，何俊元.轉(zhuǎn)爐鋼渣的組成、礦物形貌及膠凝特性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1991，19（6）：488-494.

[4]侯貴華，李偉峰，郭偉，等.轉(zhuǎn)爐鋼渣的顯微形貌及礦物相[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（4）：436-443.

[5]王強(qiáng)，黎夢(mèng)圓，石夢(mèng)曉.水泥-鋼渣-礦渣復(fù)合膠凝材料的水化特性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014，42（5）：629-634.

[6]林暉，王玲，李云峰.鋼渣粉混凝土的工作性能和力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2008，38（Z1）：867-869.

[7]朱航.鋼渣礦粉的制備及其在水泥混凝土中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[8]蔡琪瑛.磨細(xì)鋼渣粉對(duì)水泥混凝土性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，2012（5）：5-8.

[9]Wang Q，Yan PY，Yang JW，et al.Influence of steel slag on mechanicalpropertiesanddurabilityofconcrete[J].Construction and Building Materials，2013，47：1414-1420.

[10]孫家瑛.鋼渣微粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8（1）：63-66.

[11]Wang Q，Yan PY，F(xiàn)eng JJ.A discussion on improving hydration activity of steel slag by altering its mineral compositions[J]. Journal of Hazardous Materials，2011，186（2）：1070-1075.

Resistance to chloride ion penetration and sulfate attack of steel slag concrete under the condition of equal strength

LIU Jin，WANG Dongmin
[School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China]

Two series of concretes with the strength grades of C30 and C50 were set.The influence of steel slag on the late compressive strength，resistance to chloride ion penetration and sulfate resistance of normal concrete and high-strength concrete at the same strength levels of 28 d were investigated.The results show that both for the groups of normal concrete and high-strength concrete，when they have the same 28-day compressive strength，replacing part of cement by steel slag in concrete can increase its late compressive strength to some extent，and the promoting effect becomes more obvious with the increase of steel slag replacement ratio.Additionally，steel slag has no negative influence on the resistance to chloride ion penetration of concrete at late ages.Furthermore，replacing part of cement by steel slag can improve the sulfate resistance of concrete to some extent at late ages，but the improving effect on high-strength concrete is not so obvious as that on normal concrete.The sulfate resistance of concrete is no longer improved when the replacement ratio of steel slag increases to some extent.

same strength level，steel slag concrete，chloride ion penetration，sulfate resistance

TU528

A

1001-702X（2016）10-0045-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278277）

2016-03-11；

2016-04-22

劉進(jìn)，男，1992年生，河北遷安人，碩士研究生，主要從事建筑材料方面研究。