2023-03-24
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將鋼渣應用于土木工程建設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，在沒有足夠的基礎研究和相關(guān)標準的情況下，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致硬化混凝土損傷的問題，有些問題非常嚴重。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。
鋼渣應用于混凝土中，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，尤其是導致工程事故時，不能籠統(tǒng)地說鋼渣導致工程事故，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)的國家標準或行業(yè)標準。以國家標準《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置了嚴格的*制：游離氧化鈣含量≤4.0%，當鋼渣中MgO含量大于5%時壓蒸膨脹率≤0.50%。其它涉及鋼渣粉的標準中，也均對鋼渣粉的安定性做出了嚴格的*制。大多數(shù)鋼渣粉會使混凝土的初凝時間延長，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，鋼渣摻量增大會導致混凝土的早期強度明顯降低。因此，在實際工程中使用鋼渣粉時，往往需要適當降低水膠比才能夠獲得設計要求的強度。這里需要強調(diào)的是，當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)于鋼渣粉的標準都對鋼渣粉的安定性做了嚴格的限*，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用于結(jié)構(gòu)混凝土均沒有相關(guān)標準。在國家標準《鋼渣應用技術(shù)要求》（GB/T 32546-2016）中，涉及了鋼渣做粗骨料或細骨料應用于砂漿、磚和砌塊、瀝青混合料；在國家標準《道路用鋼渣》（GB/T 25824-2010）中，涉及了鋼渣做粗骨料應用于瀝青混合料；在國家標準《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)標準《水泥混凝土路面用鋼渣砂應用技術(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準，均對鋼渣骨料安定性進行了限*，通常采用浸水膨脹率或壓蒸粉化率的指標進行控制。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。
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用的參照指標。混凝土是一種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，因此壓蒸粉化率能夠比較好地反應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“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用的危險性很大，應盡量避免。目前使用鋼渣骨料導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，相信已出現(xiàn)問題的鋼渣骨料混凝土的問題會更嚴重，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分含量很少，應該是安全的，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，應盡量避免鋼渣骨料使用在水泥混凝土中。
