前言

將鋼渣應(yīng)用于土木工程建設(shè)是綜合利用鋼渣最主要的方式，然而鋼渣存在安定性不良的問題，這是制約鋼渣在土木工程中應(yīng)用的最主要因素。鋼渣中影響安定性的主要組分是游離CaO和MgO礦物，其中游離CaO的反應(yīng)速率高于MgO礦物。鋼渣中含MgO的礦物種類很多，除了少量游離MgO，大多數(shù)MgO與CaO、MnO、FeO等固溶，固溶體的活性（對安定性的影響程度）在很大程度上取決于其中MgO的含量。

 

將工業(yè)廢渣應(yīng)用于土木工程中，是土木工程可持續(xù)發(fā)展的一個重要途徑。需要強調(diào)的是，工業(yè)廢渣綜合利用的前提是至少要確保土木工程質(zhì)量與安全。很遺憾的是，在沒有足夠的基礎(chǔ)研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，我國很多地區(qū)濫用鋼渣做混凝土的骨料，目前已經(jīng)在很多地區(qū)發(fā)生了鋼渣骨料膨脹導(dǎo)致硬化混凝土損傷的問題，有些問題非常嚴(yán)重。本文將剖析鋼渣骨料引發(fā)混凝土工程質(zhì)量問題的原因，并對已發(fā)生問題的工程如何進行安全評估給出建議。

 

1 鋼渣粉與鋼渣骨料

鋼渣應(yīng)用于混凝土中，通常有鋼渣粉和鋼渣骨料兩種方式，所以在工程中要對這兩種方式進行區(qū)分，尤其是導(dǎo)致工程事故時，不能籠統(tǒng)地說鋼渣導(dǎo)致工程事故，要明確是鋼渣粉還是鋼渣骨料。

 

對于鋼渣粉，我國已經(jīng)頒布了多個相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GB/T 20491-2017）為例，對鋼渣粉的安定性設(shè)置了嚴(yán)格的限制：游離氧化鈣含量≤4.0%，當(dāng)鋼渣中MgO含量大于5%時壓蒸膨脹率≤0.50%。其它涉及鋼渣粉的標(biāo)準(zhǔn)中，也均對鋼渣粉的安定性做出了嚴(yán)格的限制。大多數(shù)鋼渣粉會使混凝土的初凝時間延長（圖1），即使鋼渣粉摻量為10%，膠凝材料的初凝時間也會延長1h以上，而當(dāng)鋼渣粉摻量為50%時，初凝時間延長接近6h。此外，鋼渣摻量增大會導(dǎo)致混凝土的早期強度明顯降低（圖2）。因此，在實際工程中使用鋼渣粉時，往往需要適當(dāng)降低水膠比才能夠獲得設(shè)計要求的強度。這里需要強調(diào)的是，當(dāng)鋼渣粉的摻量較大時，即使采用降低水膠比的措施，仍然會造成混凝土的初凝時間明顯延長，并且也無法獲得滿意的早期強度（也無法獲得滿意的28d強度），因此實際工程中鋼渣粉在混凝土中的摻量通常是比較小的（一般不超過20%），并且考慮到我國關(guān)于鋼渣粉的標(biāo)準(zhǔn)都對鋼渣粉的安定性做了嚴(yán)格的限制，所以鋼渣粉的安定性問題造成混凝土工程事故的情況是非常少的。

 

圖1 鋼渣粉對初凝時間的影響圖

 

圖2 鋼渣粉對砂漿早期強度的影響

 

鋼渣作為骨料應(yīng)用于混凝土，可以分為粗骨料和細骨料（鋼渣砂）兩類，需要注意的是，目前鋼渣粗骨料和鋼渣細骨料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)混凝土均沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼渣應(yīng)用技術(shù)要求》（GB/T 32546-2016）中，涉及了鋼渣做粗骨料或細骨料應(yīng)用于砂漿、磚和砌塊、瀝青混合料；在國家標(biāo)準(zhǔn)《道路用鋼渣》（GB/T 25824-2010）中，涉及了鋼渣做粗骨料應(yīng)用于瀝青混合料；在國家標(biāo)準(zhǔn)《外墻外保溫抹面砂漿和粘結(jié)砂漿用鋼渣砂》（GB/T 24764-2009）和黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泥混凝土路面用鋼渣砂應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（YB/T4329-2012）等規(guī)范中，也涉及到了鋼渣做骨料。上述所有涉及到將鋼渣做骨料的標(biāo)準(zhǔn)，均對鋼渣骨料安定性進行了限制，通常采用浸水膨脹率或壓蒸粉化率的指標(biāo)進行控制。其中浸水膨脹率采用90℃水浴養(yǎng)護的方法，經(jīng)過一定時間后，使鋼渣中的游離氧化鈣、游離氧化鎂消解，產(chǎn)生體積膨脹，測定體積變化率；壓蒸粉化率定義為鋼渣在2.0MPa的飽和蒸汽條件下壓蒸3h，粉化后小于1.18mm的顆粒所占的比率。

 

將鋼渣作為粗骨料應(yīng)用于瀝青混合物，有大量的科研論文發(fā)表，也有一些工程應(yīng)用案例，尚未見有嚴(yán)重的材料質(zhì)量問題和工程事故的報道。將鋼渣砂應(yīng)用于砂漿、磚和砌塊、道路面層等，也有相關(guān)的論文發(fā)表和專利批準(zhǔn)，尚未有嚴(yán)重問題和工程事故報道。需要指出的是，鋼渣骨料是否會引起瀝青混合物、砂漿、磚、砌塊、道路面層等質(zhì)量問題，還需要進一步科學(xué)研究和持續(xù)觀察。

 

2 鋼渣骨料引發(fā)硬化混凝土劣化的原因

鋼渣粉安定性合格不代表鋼渣骨料安定性合格。在鋼渣粉的粉磨和混合過程中，鋼渣中的安定性不良的組份在鋼渣粉中較均勻地分散，而這些安定性不良的組份在鋼渣骨料中的分布是不均勻的，有可能某些顆粒中安定性不良組分的含量極少，而部分顆粒中安定性不良組分的含量過高。所以，鋼渣粉的安定性合格不能作為鋼渣骨料合格的依據(jù)。

 

游離CaO是導(dǎo)致鋼渣骨料安定性不良的突出因素。從最近幾年暴露出的工程問題來看，絕大多數(shù)是鋼渣粗骨料混凝土使用半年到2年內(nèi)，明顯出現(xiàn)混凝土表面“爆裂”或開裂。鋼渣中游離MgO礦物的活性很低，反應(yīng)非常緩慢，因此可以判斷引發(fā)這些工程事故的主要原因是鋼渣粗骨料中的游離CaO發(fā)生反應(yīng)造成膨脹。圖3是從我國不同鋼鐵廠獲取的鋼渣粗骨料，在90℃的蒸養(yǎng)箱中放置14d后，均出現(xiàn)了部分顆粒開裂或破碎的情況，在蒸養(yǎng)條件下游離MgO礦物的反應(yīng)程度很低，主要是游離CaO發(fā)生了反應(yīng)導(dǎo)致的膨脹。圖3也再次說明了鋼渣顆粒中安定性不良組分的分布不均勻。

 

圖3 高溫蒸養(yǎng)后的鋼渣骨料

 

浸水膨脹率和壓蒸粉化率均不能作為鋼渣骨料在混凝土中應(yīng)用的參照指標(biāo)?；炷潦且环N密實度比較高的建筑材料，這就意味著鋼渣骨料在混凝土中是緊密“鑲嵌”的，自由膨脹的空間很小，因此鋼渣骨料在混凝土中膨脹所引發(fā)的膨脹應(yīng)力通常比較大，能夠比較輕易地將混凝土脹裂。壓蒸粉化率采用了比較嚴(yán)格的實驗條件，在這種實驗條件下，鋼渣中的絕大部分游離CaO和MgO會發(fā)生反應(yīng)，因此壓蒸粉化率能夠比較好地反應(yīng)鋼渣中安定性不良組分對鋼渣顆粒的破壞作用。然而，壓蒸粉化率的表征指標(biāo)“粉化后小于1.18mm的顆粒所占的比率”并不能顯示出有多少比例的鋼渣顆粒會發(fā)生膨脹（或發(fā)生能夠使混凝土產(chǎn)生裂縫的膨脹）。還有一個重要的問題不能忽視，即取樣的代表性，鋼渣顆粒中的安定性不良組分的分布是隨機的，在鋼渣堆場中，由于鋼鐵生產(chǎn)工藝（或原材料）或存放時間等因素的變化使鋼渣顆粒的差異性很大。

 

總之，鋼渣骨料在水泥混凝土中應(yīng)用的危險性很大，應(yīng)盡量避免。目前使用鋼渣骨料導(dǎo)致工程問題的主要原因是鋼渣中的游離CaO造成的，隨著游離MgO的緩慢反應(yīng)，相信已出現(xiàn)問題的鋼渣骨料混凝土的問題會更嚴(yán)重，暫時沒有出現(xiàn)問題的鋼渣混凝土也可能在將來出現(xiàn)問題。如果鋼渣骨料在壓蒸（至少2.0MPa且不少于3h）條件下發(fā)生開裂或破壞的顆粒非常少，那么說明這種鋼渣骨料中安定性不良的組份含量很少，應(yīng)該是安全的，但是取樣是否具有代表性是值得注意的問題，因此，為確保工程質(zhì)量，應(yīng)盡量避免鋼渣骨料使用在水泥混凝土中。

 

3 鋼渣骨料引發(fā)混凝土工程質(zhì)量問題的處理建議

（1）鉆芯取樣。首先要針對所有使用鋼渣骨料混凝土的結(jié)構(gòu)部位進行大量鉆芯取樣，之所以要進行大量鉆芯取樣，是因為鋼渣骨料的安定性不良的程度離散性很大，取樣必須具有統(tǒng)計意義或代表性。有研究人員提出根據(jù)原配合比和原材料制備混凝土試塊，然后檢測試塊的相關(guān)性能進行安全性評價，這種方法是不可取的，因為往往難以獲得混凝土中鋼渣骨料的實際摻量（由于生產(chǎn)企業(yè)隱瞞真實數(shù)據(jù)或在實際生產(chǎn)中的摻量波動較大），并且不同批次的鋼渣骨料難免有所差異。

 

（2）進行壓蒸試驗。將鉆芯取樣的混凝土試塊置于壓蒸釜中壓蒸6h（參照GB/T 20491-2017的實驗條件），然后觀察混凝土試塊的表面破損和裂縫出現(xiàn)的情況，對于表面破損很嚴(yán)重或大量裂縫的情況，可以認定該混凝土的質(zhì)量問題嚴(yán)重。對于表面破損和開裂不明顯的情況，進行抗壓強度測試，測試壓蒸后相比壓蒸前的強度損失率。這里需要指出的是，即使對于普通混凝土，經(jīng)過壓蒸之后也會有強度的降低，這是因為在壓蒸的過程中水泥的水化產(chǎn)物AFt和C-S-H凝膠會發(fā)生部分分解或晶型轉(zhuǎn)變，使混凝土的孔隙率增大。所以，需要制備相同配合比的無鋼渣骨料的混凝土（即全部采用石灰石骨料），平行進行壓蒸試驗，將無鋼渣骨料的混凝土作為參照組，進行強度損失率的對比。

 

（3）進行結(jié)構(gòu)的安全性評估。如果鋼渣骨料混凝土在壓蒸后的強度損失率與對照組混凝土很接近，基本可以判斷該混凝土的質(zhì)量問題很小。如果鋼渣骨料混凝土在壓蒸后的強度損失率明顯大于對照組，則需要根據(jù)壓蒸后的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)的安全性評估。

 

4 結(jié) 論

（1）鋼渣骨料應(yīng)用于水泥混凝土中的風(fēng)險很大，應(yīng)盡量避免。

 

（2）導(dǎo)致鋼渣骨料混凝土質(zhì)量問題的主要因素是游離CaO發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，隨著游離MgO的緩慢反應(yīng)，可能導(dǎo)致鋼渣骨料混凝土的長期損傷更大。

 

（3）對于已發(fā)生工程質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)工程，首先應(yīng)大量鉆芯取樣，然后通過壓蒸試驗判斷混凝土質(zhì)量問題的嚴(yán)重程度。