2023-03-24
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將鋼渣應(yīng)用于土木工程建設(shè)是綜合利用鋼渣主要的方式，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(gè)重要途徑。需要強(qiáng)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(jìn)行安全評估給出建議。
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(jìn)行區(qū)分，尤其是導(dǎo)致工程事故時(shí)，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(gè)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*制：游離氧化鈣含量≤4.0%，當(dāng)鋼渣中MgO含量大于5%時(shí)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*制。大多數(shù)鋼渣粉會(huì)使混凝土的初凝時(shí)間延長，即使鋼渣粉摻量為10%，膠凝材料的初凝時(shí)間也會(huì)延長1h以上，而當(dāng)鋼渣粉摻量為50%時(shí)，初凝時(shí)間延長接近6h。此外，鋼渣摻量增大會(huì)導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度明顯降低。因此，在實(shí)際工程中使用鋼渣粉時(shí)，往往需要適當(dāng)降低水膠比才能夠獲得設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)鋼渣粉的摻量較大時(shí)，即使采用降低水膠比的措施，仍然會(huì)造成混凝土的初凝時(shí)間明顯延長，并且也無法獲得滿意的早期強(qiáng)度（也無法獲得滿意的28d強(qiáng)度），因此實(shí)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*，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。
鋼渣作為骨料應(yīng)用于混凝土，可以分為粗骨料和細(xì)骨料（鋼渣砂）兩類，需要注意的是，目前鋼渣粗骨料和鋼渣細(xì)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(xì)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(jìn)行了限*，通常采用浸水膨脹率或壓蒸粉化率的指標(biāo)進(jìn)行控制。其中浸水膨脹率采用90℃水浴養(yǎng)護(hù)的方法，經(jīng)過一定時(shí)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。
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。
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)。混凝土是一種密實(shí)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(shí)驗(yàn)條件，在這種實(shí)驗(yàn)條件下，鋼渣中的絕大部分游離CaO和MgO會(huì)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(huì)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(gè)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(jī)的，在鋼渣堆場中，由于鋼鐵生產(chǎn)工藝（或原材料）或存放時(shí)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(xiǎn)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(huì)更嚴(yán)重，暫時(shí)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分含量很少，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。
