鋼渣石混凝土的碳化性能及壽命預測研究

馬兵輝，劉耀偉，劉自民，劉金玉，王成剛

（1.安徽同濟建設集團有限責任公司,安徽 合肥 230000；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

作為我國工業體系的堅實后盾，鋼鐵產業飛速發展，然而發展的同時也帶來諸多問題，工業廢渣的排放就是其中最突出的問題之一。據統計，2021 年我國鋼渣年排放量已經超過一億噸，面對如此龐大的鋼渣排放量，我國的鋼渣利用率不到30%，遠低于歐美日等國家。大量的廢棄鋼渣需要占用額外的場地進行堆放，工業資源不能得到高效利用的同時也對環境造成了極大的破壞。與此同時，基礎設施和城市化建設日新月異，對混凝土需求也日益增多，傳統混凝土多以砂石為骨料，大規模開采砂石也對環境有著不利影響，易引發泥石流和山體滑坡等自然災害。

由于鋼渣有著和天然砂石類似的強度，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秀特征，可有效提高膠結充填體強度[1-2]。若將鋼渣用來制備混凝土，一方面可以解決因鋼渣大量堆積造成的巨大環境污染難題和占用土地資源問題，另一方面減少了對天然砂石的開采，減少了對自然環境的破壞，不僅節約了自然資源，還能有效提高鋼鐵企業的經濟效益，化解鋼渣處理難題。廢棄鋼渣的再生循環利用符合國家低碳循環發展的戰略思想，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，其技術研究與應用已成為國內外學者的重要研究熱點。劉金玉[3]和黃俠[4]分別對粗鋼渣骨料單摻、細鋼渣骨料單摻混凝土的碳化性能進行了研究，研究表明當摻量為25%時，其各自的抗碳化性能達到最優，且優于普通混凝土；莊園[5]對摻鋼渣再生骨料自密實混凝土的抗碳化性能進行研究，研究表明摻鋼渣再生自密實混凝土的抗碳化性能隨著鋼渣摻量增加，先增強后減弱，且當鋼渣摻量為10%時，摻鋼渣再生自密實混凝土抗碳化性能最優；楊晨[6]、胡佳波[7]和薛剛[8-9]等用鋼渣等質量替代碎石制備混凝土進行試驗，研究發現鋼渣混凝土的耐久性能得到明顯提升。

本文將鋼渣石等質量取代石灰巖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，建立其壽命預測模型，并對鋼渣石混凝土應用于實際工程結構中的壽命進行預測。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本實驗水泥均為P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥，其基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

本實驗采用河砂，屬于中砂，具體特性見表2。

表2 河砂的基本特性

本試驗所用粗集料是天然碎石和鋼渣石，天然碎石為5～20mm 連續級配的石灰石，具體特性見表3，鋼渣石是馬鋼四鋼軋總廠300t 轉爐渣采用熱悶工藝產生的鋼渣顆粒，為5～20mm 連續級配，其化學組成見表4，物理性能見表5。

表3 石灰巖碎石的基本特性

表4 鋼渣石的主要化學成分（%）

表5 鋼渣石的物理性能

1.2 試驗配合比

為研究鋼渣混凝土中鋼渣取代率對混凝土抗碳化性能的影響，鋼渣石混凝土配合比采用等質量取代石灰巖碎石的方法，以普通混凝土配合比設計為基礎，獲得鋼渣石混凝土的配合比。鋼渣石等質量取代石灰巖碎石的比例分別為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表6。

表6 鋼渣石混凝土配合比表

1.3 試驗方法

將原材料根據表6 的配比投入攪拌機中，充分攪拌后裝入20 組邊長為100mm×100mm×100mm 的立方體模具中，24 小時后進行脫模和編號，并置于混凝土標準養護箱內養護。在標準養護28d 后將試件取出，放入鼓風干燥箱中，溫度設置為60℃；計時箱內，將碳化箱的溫度設置為20℃；打開加濕器，將濕度設置為70%，開啟CO2儲存罐閥門，將CO2濃度設置為20%。

2 抗碳化試驗結果及分析

2.1 抗碳化性能試驗

①試驗結果

當碳化養護至3d、7d、14d和28d四個時間節點時，取出試件。利用壓力機劈裂抗拉夾具，將試塊劈開。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，測出酚酞顯色部位到試塊邊緣的最長距離，試驗過程見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，用尺子測定酚酞顯色部位到試塊邊緣的最長距離。平均碳化深度按下式計算。

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為各測點的碳化深度（mm）；n為兩個側面上的測點總數。

不同取代率、碳化時間的鋼渣石混凝土試件碳化試驗結果如表7 所示。并根據表7 數據繪制出了不同碳化時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間的增加不斷加深。在碳化天數不同的情況下，鋼渣石混凝土隨著鋼渣取代率的增加，其碳化深度均表現為先減小后增大，其抗碳化性能大致都呈現出先增強后減弱的趨勢。

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

3 鋼渣石混凝土碳化壽命預測模型

關于建立鋼渣石混凝土的碳化壽命預測方程，國內外學者通過快速碳化試驗、對碳化結果的跟蹤監測和多種理論分析方法，建立了多種碳化壽命預測模型，其中大多數預測模型是根據碳化深度與碳化時間的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，鋼渣化學成分較為復雜，并且在鋼渣骨料替代量較大的情況下，碳化時間相同時，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測模型不能直接套用于普通混凝土。因此，本文根據鋼渣石取代率與二氧化碳擴散系數的函數關系，建立與鋼渣石取代率有關的鋼渣石混凝土碳化壽命預測新方程。

3.1 求解CO2擴散系數及相關系數

調查研究表明，混凝土的碳化深度與碳化時間的平方根大致成正比關系，故相關學者基于Fick第一擴散定律推出了如下形式的混凝土碳化深度預測模型[15]。

式中，X為混凝土的碳化深度（mm）；DCO2為CO2混凝土養護28d 的CO2擴散系數；C0為混凝土表面的CO2濃度（本實驗中為20%）；t0為碳化時間（d）。

依據式（2），對鋼渣石混凝土在3d、7d、14d、28d的碳化深度進行線性擬合，分別求解5 組不同鋼渣骨料取代率的二氧化碳擴散系數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散系數DCO2表現為先減小后增大的趨勢，且當鋼渣石取代率為25%時，二氧化碳擴散系數DCO2最小。

表8 鋼渣石混凝土的二氧化碳擴散系數（mm）

3.2 求解DCO2回歸方程

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

圖7 鋼渣石混凝土的鋼渣取代率與擴散系數的關系曲線

式中，S為鋼渣取代率（%）；A、B、C、D為回歸參數。

3.3 建立碳化壽命方程

根據上文得到的碳化過程中CO2擴散系數與粗、細鋼渣取代率的擬合函數關系和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測模型。

根據國內外學者研究表明，二氧化碳擴散系數會隨著碳化時間的變化而變化，并給出了相關公式[11]。

式中，t0為混凝土碳化試驗的碳化天數(d)；t為大氣環境中，混凝土結構的碳化壽命(d)。

由于在野外實際碳化過程中，溫度、相對濕度對混凝土碳化壽命也會有所影響[12]，根據文獻[16]的研究成果：在室外環境濕度為81%且有遮蓋的條件下，b取0.098；而在室外環境濕度為81%，且無遮蓋的條件下，b取0.04。

根據張譽[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定性，取澆筑面系數為1.2，則保護層變異系數：

當混凝土的保護層厚度X〈50mm時，有效的保護層厚度為Xcover=X/Kcover；當混凝土保護層X≥50mm 時，有效的保護層厚度為Xcover=Xcover-20。

綜上，鋼渣石混凝土的碳化壽命預測新方程為:

式中，t為大氣環境中，混凝土結構的碳化壽命(d)；t0為混凝土碳化試驗的碳化天數(d)；S為鋼渣取代率(%)；C0為混凝土表面的CO2濃度；Xcover為混凝土結構的有效保護層厚度(mm)。

鋼渣石混凝土碳化壽命預測新方程的各個系數的取值如表9所示。

表9 碳化壽命預測方程系數

3.4 實際工程中鋼渣石混凝土碳化壽命預測

根據本文中提出的碳化壽命預測模型，對實際工程中的鋼渣石混凝土進行壽命預測。在實際工程中，梁、板、柱等混凝土構件的保護層厚度在15～30mm之間，養護齡期為28d，取大氣中CO2濃度為500PPm[14]，保護層變異系數取1.7，將以上數據代入公式求不同保護層厚度的鋼渣石混凝土構件碳化壽命，如表10所示。

表10 鋼渣石混凝土構件的碳化壽命預測（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出先增后減的趨勢，當鋼渣石取代率為25%時，其碳化壽命最長；當鋼渣石完全取代混凝土粗骨料時，其碳化壽命顯著低于普通混凝土。

根據建立的鋼渣石混凝土碳化壽命預測方程對不同保護層厚度的鋼渣混凝土構件的碳化壽命進行預測，可以看出保護層厚度是影響鋼渣混凝土碳化壽命的重要因素。當保護層厚度大于25mm時，鋼渣石混凝土的碳化壽命基本可以滿足設計使用年限大于50年的要求。

可以通過增加保護層厚度、控制鋼渣石摻量等措施來優化鋼渣混凝土的抗碳化性能，延長混凝土的碳化壽命。

4 結論

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間的增加不斷加深。

在碳化天數不同的情況下時，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出先增強后減弱的趨勢。當碳化天數為3d、7d、14d，鋼渣石取代率為50%時，鋼渣石混凝土的碳化深度都最小，抗碳化性能最強；而對于碳化天數28d，取代率為25%時的鋼渣石混凝土碳化深度最小，抗碳化性能最強。

綜合考慮鋼渣石取代率、混凝土保護層厚度等因素，建立了鋼渣石混凝土的壽命預測模型，對鋼渣混凝土應用于實際工程結構中的壽命進行了預測。保護層厚度大于25mm 的構件的碳化壽命均基本能滿足結構設計使用年限50年的要求，且鋼渣石取代率為25%時，其抗碳化性能最好，碳化壽命最長，優于普通混凝土。