前言
將鋼渣應用於土木工程建設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用的最主要因素。鋼渣中影響安定性的主要組分是遊離CaO和MgO礦物，其中游離CaO的反應速率高於MgO礦物。鋼渣中含MgO的礦物種類很多，除了少量遊離MgO，大多數MgO與CaO、MnO、FeO等固溶，固溶體的活性（對安定性的影響程度）在很大程度上取決於其中MgO的含量。
將工業廢渣應用於土木工程中，是土木工程可持續發展的一個重要途徑。需要強調的是，工業廢渣綜合利用的前提是至少要確保土木工程質量與安全。很遺憾的是，在沒有足夠的基礎研究和相關標準的情況下，我國很多地區濫用鋼渣做混凝土的骨料，目前已經在很多地區發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混凝土工程質量問題的原因，並對已發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
鋼渣應用於混凝土中，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分，尤其是導致工程事故時，不能籠統地說鋼渣導致工程事故，要明確是鋼渣粉還是鋼渣骨料。
對於鋼渣粉，我國已經頒佈了多個相關的國家標準或行業標準。以國家標準《用於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限制：遊離氧化鈣含量≤4.0%，當鋼渣中MgO含量大於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限制。大多數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（圖2）。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。這裡需要強調的是，當鋼渣粉的摻量較大時，即使採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，並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%），並且考慮到我國關於鋼渣粉的標準都對鋼渣粉的安定性做了嚴格的限制，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
鋼渣作為骨料應用於混凝土，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於結構混凝土均沒有相關標準。在國家標準《鋼渣應用技術要求》（GB/T 32546-2016）中，涉及了鋼渣做粗骨料或細骨料應用於砂漿、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於瀝青混合料；在國家標準《外牆外保溫抹面砂漿和粘結砂漿用鋼渣砂》（GB/T 24764-2009）和黑色冶金行業標準《水泥混凝土路面用鋼渣砂應用技術規程》（YB/T4329-2012）等規範中，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制，通常採用浸水膨脹率或壓蒸粉化率的指標進行控制。其中浸水膨脹率採用90℃水浴養護的方法，經過一定時間後，使鋼渣中的遊離氧化鈣、遊離氧化鎂消解，產生體積膨脹，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，粉化後小於1.18mm的顆粒所佔的比率。
將鋼渣作為粗骨料應用於瀝青混合物，有大量的科研論文發表，也有一些工程應用案例，尚未見有嚴重的材料質量問題和工程事故的報道。將鋼渣砂應用於砂漿、磚和砌塊、道路面層等，也有相關的論文發表和專利批准，尚未有嚴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、道路面層等質量問題，還需要進一步科學研究和持續觀察。
2 鋼渣骨料引發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佈是不均勻的，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。
遊離CaO是導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，絕大多數是鋼渣粗骨料混凝土使用半年到2年內，明顯出現混凝土表面“爆裂”或開裂。鋼渣中游離MgO礦物的活性很低，反應非常緩慢，因此可以判斷引發這些工程事故的主要原因是鋼渣粗骨料中的遊離CaO發生反應造成膨脹。圖3是從我國不同鋼鐵廠獲取的鋼渣粗骨料，在90℃的蒸養箱中放置14d後，均出現了部分顆粒開裂或破碎的情況，在蒸養條件下游離MgO礦物的反應程度很低，主要是遊離CaO發生了反應導致的膨脹。圖3也再次說明了鋼渣顆粒中安定性不良組分的分佈不均勻。
圖3 高溫蒸養後的鋼渣骨料
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用的參照指標。混凝土是一種密實度比較高的建築材料，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。壓蒸粉化率採用了比較嚴格的實驗條件，在這種實驗條件下，鋼渣中的絕大部分遊離CaO和MgO會發生反應，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，壓蒸粉化率的表徵指標“粉化後小於1.18mm的顆粒所佔的比率”並不能顯示出有多少比例的鋼渣顆粒會發生膨脹（或發生能夠使混凝土產生裂縫的膨脹）。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佈是隨機的，在鋼渣堆場中，由於鋼鐵生產工藝（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，應儘量避免。目前使用鋼渣骨料導致工程問題的主要原因是鋼渣中的遊離CaO造成的，隨著遊離MgO的緩慢反應，相信已出現問題的鋼渣骨料混凝土的問題會更嚴重，暫時沒有出現問題的鋼渣混凝土也可能在將來出現問題。如果鋼渣骨料在壓蒸（至少2.0MPa且不少於3h）條件下發生開裂或破壞的顆粒非常少，那麼說明這種鋼渣骨料中安定性不良的組份含量很少，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，為確保工程質量，應儘量避免鋼渣骨料使用在水泥混凝土中。
3 鋼渣骨料引發混凝土工程質量問題的處理建議
（1）鑽芯取樣。首先要針對所有使用鋼渣骨料混凝土的結構部位進行大量鑽芯取樣，之所以要進行大量鑽芯取樣，是因為鋼渣骨料的安定性不良的程度離散性很大，取樣必須具有統計意義或代表性。有研究人員提出根據原配合比和原材料製備混凝土試塊，然後檢測試塊的相關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（由於生產企業隱瞞真實數據或在實際生產中的摻量波動較大），並且不同批次的鋼渣骨料難免有所差異。
（2）進行壓蒸試驗。將鑽芯取樣的混凝土試塊置於壓蒸釜中壓蒸6h（參照GB/T 20491-2017的實驗條件），然後觀察混凝土試塊的表面破損和裂縫出現的情況，對於表面破損很嚴重或大量裂縫的情況，可以認定該混凝土的質量問題嚴重。對於表面破損和開裂不明顯的情況，進行抗壓強度測試，測試壓蒸後相比壓蒸前的強度損失率。這裡需要指出的是，即使對於普通混凝土，經過壓蒸之後也會有強度的降低，這是因為在壓蒸的過程中水泥的水化產物AFt和C-S-H凝膠會發生部分分解或晶型轉變，使混凝土的孔隙率增大。所以，需要製備相同配合比的無鋼渣骨料的混凝土（即全部採用石灰石骨料），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）進行結構的安全性評估。如果鋼渣骨料混凝土在壓蒸後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量問題很小。如果鋼渣骨料混凝土在壓蒸後的強度損失率明顯大於對照組，則需要根據壓蒸後的數據進行結構的安全性評估。
4 結 論
（1）鋼渣骨料應用於水泥混凝土中的風險很大，應儘量避免。
（2）導致鋼渣骨料混凝土質量問題的主要因素是遊離CaO發生反應產生膨脹，隨著遊離MgO的緩慢反應，可能導致鋼渣骨料混凝土的長期損傷更大。
（3）對於已發生工程質量問題的結構工程，首先應大量鑽芯取樣，然後通過壓蒸試驗判斷混凝土質量問題的嚴重程度。
來源：中硅會固廢分會，作者：王強，清華大學土木工程系副教授，如涉及作品內容、版權和其它問題，請及時聯繫，我們將盡快處理。
更多資訊可關注微信號：微信公眾號“基業長青”；具體操作方法：打開微信-發現-搜一搜-輸入“基業長青”-關注
閱讀更多 基業長青 的文章
