馬兵輝，劉耀偉，劉自民，劉金玉，王成剛

（1.安徽同濟(jì)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

作為我國(guó)工業(yè)體系的堅(jiān)實(shí)后盾，鋼鐵產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，然而發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)諸多問(wèn)題，工業(yè)廢渣的排放就是其中最突出的問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)鋼渣年排放量已經(jīng)超過(guò)一億噸，面對(duì)如此龐大的鋼渣排放量，我國(guó)的鋼渣利用率不到30%，遠(yuǎn)低于歐美日等國(guó)家。大量的廢棄鋼渣需要占用額外的場(chǎng)地進(jìn)行堆放，工業(yè)資源不能得到高效利用的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了極大的破壞。與此同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施和城市化建設(shè)日新月異，對(duì)混凝土需求也日益增多，傳統(tǒng)混凝土多以砂石為骨料，大規(guī)模開(kāi)采砂石也對(duì)環(huán)境有著不利影響，易引發(fā)泥石流和山體滑坡等自然災(zāi)害。

由于鋼渣有著和天然砂石類似的強(qiáng)度，表面粗糙多棱角，且存在一定的水硬膠凝性，鋼渣擁有制備混凝土的優(yōu)秀特征，可有效提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度[1-2]。若將鋼渣用來(lái)制備混凝土，一方面可以解決因鋼渣大量堆積造成的巨大環(huán)境污染難題和占用土地資源問(wèn)題，另一方面減少了對(duì)天然砂石的開(kāi)采，減少了對(duì)自然環(huán)境的破壞，不僅節(jié)約了自然資源，還能有效提高鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，化解鋼渣處理難題。廢棄鋼渣的再生循環(huán)利用符合國(guó)家低碳循環(huán)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，具有重要的研究意義。

鋼渣混凝土作為一種全新的綠色混凝土，其技術(shù)研究與應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重要研究熱點(diǎn)。劉金玉[3]和黃俠[4]分別對(duì)粗鋼渣骨料單摻、細(xì)鋼渣骨料單摻混凝土的碳化性能進(jìn)行了研究，研究表明當(dāng)摻量為25%時(shí)，其各自的抗碳化性能達(dá)到最優(yōu)，且優(yōu)于普通混凝土；莊園[5]對(duì)摻鋼渣再生骨料自密實(shí)混凝土的抗碳化性能進(jìn)行研究，研究表明摻鋼渣再生自密實(shí)混凝土的抗碳化性能隨著鋼渣摻量增加，先增強(qiáng)后減弱，且當(dāng)鋼渣摻量為10%時(shí)，摻鋼渣再生自密實(shí)混凝土抗碳化性能最優(yōu)；楊晨[6]、胡佳波[7]和薛剛[8-9]等用鋼渣等質(zhì)量替代碎石制備混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)鋼渣混凝土的耐久性能得到明顯提升。

本文將鋼渣石等質(zhì)量取代石灰?guī)r碎石粗骨料制備鋼渣石混凝土，研究其在鋼渣石不同取代率情況下的抗碳化性能，建立其壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)鋼渣石混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)水泥均為P.O.42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其基本性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的基本性能

本實(shí)驗(yàn)采用河砂，屬于中砂，具體特性見(jiàn)表2。

表2 河砂的基本特性

本試驗(yàn)所用粗集料是天然碎石和鋼渣石，天然碎石為5～20mm 連續(xù)級(jí)配的石灰石，具體特性見(jiàn)表3，鋼渣石是馬鋼四鋼軋總廠300t 轉(zhuǎn)爐渣采用熱悶工藝產(chǎn)生的鋼渣顆粒，為5～20mm 連續(xù)級(jí)配，其化學(xué)組成見(jiàn)表4，物理性能見(jiàn)表5。

表3 石灰?guī)r碎石的基本特性

表4 鋼渣石的主要化學(xué)成分（%）

表5 鋼渣石的物理性能

1.2 試驗(yàn)配合比

為研究鋼渣混凝土中鋼渣取代率對(duì)混凝土抗碳化性能的影響，鋼渣石混凝土配合比采用等質(zhì)量取代石灰?guī)r碎石的方法，以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，獲得鋼渣石混凝土的配合比。鋼渣石等質(zhì)量取代石灰?guī)r碎石的比例分別為25%、50%、75%和100%，其中粒徑為5～10mm 和10～20mm，鋼渣混合的比例為3:7，具體鋼渣石混凝土配合比見(jiàn)表6。

表6 鋼渣石混凝土配合比表

1.3 試驗(yàn)方法

將原材料根據(jù)表6 的配比投入攪拌機(jī)中，充分?jǐn)嚢韬笱b入20 組邊長(zhǎng)為100mm×100mm×100mm 的立方體模具中，24 小時(shí)后進(jìn)行脫模和編號(hào)，并置于混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后將試件取出，放入鼓風(fēng)干燥箱中，溫度設(shè)置為60℃；計(jì)時(shí)箱內(nèi)，將碳化箱的溫度設(shè)置為20℃；打開(kāi)加濕器，將濕度設(shè)置為70%，開(kāi)啟CO2儲(chǔ)存罐閥門，將CO2濃度設(shè)置為20%。

2 抗碳化試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗碳化性能試驗(yàn)

①試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)碳化養(yǎng)護(hù)至3d、7d、14d和28d四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，取出試件。利用壓力機(jī)劈裂抗拉夾具，將試塊劈開(kāi)。去除表面浮灰，利用噴壺將濃度為1%的酚酞酒精溶液均勻噴灑至斷裂面試。待表面干燥后，測(cè)出酚酞顯色部位到試塊邊緣的最長(zhǎng)距離，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，用尺子測(cè)定酚酞顯色部位到試塊邊緣的最長(zhǎng)距離。平均碳化深度按下式計(jì)算。

圖1 P0組碳化截面

圖2 P1組碳化截面

圖3 P2組碳化截面

圖4 P3組碳化截面

圖5 P4組碳化截面

式中，dt為試件碳化t(d)后的平均碳化深度（mm）；di為各測(cè)點(diǎn)的碳化深度（mm）；n為兩個(gè)側(cè)面上的測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

不同取代率、碳化時(shí)間的鋼渣石混凝土試件碳化試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。并根據(jù)表7 數(shù)據(jù)繪制出了不同碳化時(shí)間的鋼渣石混凝土隨著取代率的增加其碳化深度的變化曲線，如圖6所示。

圖6 鋼渣石混凝土的碳化深度與取代率的關(guān)系曲線

表7 不同碳化齡期鋼渣石混凝土的碳化深度（mm）

②分析

由圖6 可知，鋼渣石混凝土在取代率不同的情況下，其碳化深度都隨著碳化時(shí)間的增加不斷加深。在碳化天數(shù)不同的情況下，鋼渣石混凝土隨著鋼渣取代率的增加，其碳化深度均表現(xiàn)為先減小后增大，其抗碳化性能大致都呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

由表7 和圖6 可知，當(dāng)碳化天數(shù)為3d、7d 和14d，鋼渣石取代率為50%時(shí)，鋼渣石混凝土的碳化深度都最小，抗碳化性能最強(qiáng)；而碳化天數(shù)28d，取代率為25%時(shí)，鋼渣石混凝土碳化深度最小，抗碳化性能最強(qiáng)。

3 鋼渣石混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)模型

關(guān)于建立鋼渣石混凝土的碳化壽命預(yù)測(cè)方程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)快速碳化試驗(yàn)、對(duì)碳化結(jié)果的跟蹤監(jiān)測(cè)和多種理論分析方法，建立了多種碳化壽命預(yù)測(cè)模型，其中大多數(shù)預(yù)測(cè)模型是根據(jù)碳化深度與碳化時(shí)間的1/2 次方成正比所建立[10]。但由于鋼渣表面粗糙多孔，且與普通骨料相比，鋼渣化學(xué)成分較為復(fù)雜，并且在鋼渣骨料替代量較大的情況下，碳化時(shí)間相同時(shí)，鋼渣石混凝土與普通混凝土的碳化深度有顯著差異。故鋼渣石混凝土的碳化壽命預(yù)測(cè)模型不能直接套用于普通混凝土。因此，本文根據(jù)鋼渣石取代率與二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，建立與鋼渣石取代率有關(guān)的鋼渣石混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)新方程。

3.1 求解CO2擴(kuò)散系數(shù)及相關(guān)系數(shù)

調(diào)查研究表明，混凝土的碳化深度與碳化時(shí)間的平方根大致成正比關(guān)系，故相關(guān)學(xué)者基于Fick第一擴(kuò)散定律推出了如下形式的混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型[15]。

式中，X為混凝土的碳化深度（mm）；DCO2為CO2混凝土養(yǎng)護(hù)28d 的CO2擴(kuò)散系數(shù)；C0為混凝土表面的CO2濃度（本實(shí)驗(yàn)中為20%）；t0為碳化時(shí)間（d）。

依據(jù)式（2），對(duì)鋼渣石混凝土在3d、7d、14d、28d的碳化深度進(jìn)行線性擬合，分別求解5 組不同鋼渣骨料取代率的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)DCO2。

由表8 可知，隨著鋼渣取代率的增加，鋼渣石混凝土的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)DCO2表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)鋼渣石取代率為25%時(shí)，二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)DCO2最小。

表8 鋼渣石混凝土的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)（mm）

3.2 求解DCO2回歸方程

依據(jù)表8 中5 組不同鋼渣石取代率的二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)，建立鋼渣石取代率與二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)的三次函數(shù)關(guān)系，其用Origin 擬合的曲線如圖7 所示，方程如式（4）所示，相關(guān)系數(shù)R=0.9973。

圖7 鋼渣石混凝土的鋼渣取代率與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系曲線

式中，S為鋼渣取代率（%）；A、B、C、D為回歸參數(shù)。

3.3 建立碳化壽命方程

根據(jù)上文得到的碳化過(guò)程中CO2擴(kuò)散系數(shù)與粗、細(xì)鋼渣取代率的擬合函數(shù)關(guān)系和Fick 第一定律，考慮鋼渣骨料取代率的影響，建立鋼渣石混凝土的碳化壽命預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著碳化時(shí)間的變化而變化，并給出了相關(guān)公式[11]。

式中，t0為混凝土碳化試驗(yàn)的碳化天數(shù)(d)；t為大氣環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)的碳化壽命(d)。

由于在野外實(shí)際碳化過(guò)程中，溫度、相對(duì)濕度對(duì)混凝土碳化壽命也會(huì)有所影響[12]，根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究成果：在室外環(huán)境濕度為81%且有遮蓋的條件下，b取0.098；而在室外環(huán)境濕度為81%，且無(wú)遮蓋的條件下，b取0.04。

根據(jù)張譽(yù)[13]提出的混凝土角部碳化深度為非角部的倍，且考慮到澆筑面的不穩(wěn)定性，取澆筑面系數(shù)為1.2，則保護(hù)層變異系數(shù)：

當(dāng)混凝土的保護(hù)層厚度X〈50mm時(shí)，有效的保護(hù)層厚度為Xcover=X/Kcover；當(dāng)混凝土保護(hù)層X(jué)≥50mm 時(shí)，有效的保護(hù)層厚度為Xcover=Xcover-20。

綜上，鋼渣石混凝土的碳化壽命預(yù)測(cè)新方程為:

式中，t為大氣環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)的碳化壽命(d)；t0為混凝土碳化試驗(yàn)的碳化天數(shù)(d)；S為鋼渣取代率(%)；C0為混凝土表面的CO2濃度；Xcover為混凝土結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)層厚度(mm)。

鋼渣石混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)新方程的各個(gè)系數(shù)的取值如表9所示。

表9 碳化壽命預(yù)測(cè)方程系數(shù)

3.4 實(shí)際工程中鋼渣石混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)本文中提出的碳化壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)實(shí)際工程中的鋼渣石混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。在實(shí)際工程中，梁、板、柱等混凝土構(gòu)件的保護(hù)層厚度在15～30mm之間，養(yǎng)護(hù)齡期為28d，取大氣中CO2濃度為500PPm[14]，保護(hù)層變異系數(shù)取1.7，將以上數(shù)據(jù)代入公式求不同保護(hù)層厚度的鋼渣石混凝土構(gòu)件碳化壽命，如表10所示。

表10 鋼渣石混凝土構(gòu)件的碳化壽命預(yù)測(cè)（年）

由表10 可知，鋼渣石混凝土的碳化壽命隨取代率的提高呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)鋼渣石取代率為25%時(shí)，其碳化壽命最長(zhǎng)；當(dāng)鋼渣石完全取代混凝土粗骨料時(shí)，其碳化壽命顯著低于普通混凝土。

根據(jù)建立的鋼渣石混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)方程對(duì)不同保護(hù)層厚度的鋼渣混凝土構(gòu)件的碳化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以看出保護(hù)層厚度是影響鋼渣混凝土碳化壽命的重要因素。當(dāng)保護(hù)層厚度大于25mm時(shí)，鋼渣石混凝土的碳化壽命基本可以滿足設(shè)計(jì)使用年限大于50年的要求。

可以通過(guò)增加保護(hù)層厚度、控制鋼渣石摻量等措施來(lái)優(yōu)化鋼渣混凝土的抗碳化性能，延長(zhǎng)混凝土的碳化壽命。

4 結(jié)論

鋼渣石混凝土在取代率不同的情況下，其碳化深度都隨著碳化時(shí)間的增加不斷加深。

在碳化天數(shù)不同的情況下時(shí)，隨著鋼渣石取代率的增加，鋼渣石混凝土的碳化深度大致為先減小后增大，其抗碳化性能大致呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。當(dāng)碳化天數(shù)為3d、7d、14d，鋼渣石取代率為50%時(shí)，鋼渣石混凝土的碳化深度都最小，抗碳化性能最強(qiáng)；而對(duì)于碳化天數(shù)28d，取代率為25%時(shí)的鋼渣石混凝土碳化深度最小，抗碳化性能最強(qiáng)。

綜合考慮鋼渣石取代率、混凝土保護(hù)層厚度等因素，建立了鋼渣石混凝土的壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)鋼渣混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。保護(hù)層厚度大于25mm 的構(gòu)件的碳化壽命均基本能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年的要求，且鋼渣石取代率為25%時(shí)，其抗碳化性能最好，碳化壽命最長(zhǎng)，優(yōu)于普通混凝土。