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          將鋼渣用作混凝土骨料要非常慎重

          王強  清華大學土木工程系

          將工業廢渣在混凝土中應用(用作摻和料或骨料),既能夠減少工業廢渣對土地的占用和環境的污染,又可以降低混凝土的材料成本,這符合“低碳”和“可持續”的理念。然而,如果因工業廢渣在混凝土中的應用導致混凝土的性能降低,尤其是耐久性能降低,從全壽命周期來講,就事與愿違了。

           

          目前,礦渣和粉煤灰已成為在混凝土中使用非常成熟的礦物摻和料,在很多情況下,通過摻入礦渣或粉煤灰能夠實現混凝土更高的性能要求。鋼渣是煉鋼過程中排放的工業廢渣,排放量大、利用率低。值得注意的是,礦渣、粉煤灰、鋼渣均是在我國快速工業化的同一階段排放的工業廢渣,且排放量均非常大,為什么到目前為止鋼渣的利用率遠低于礦渣和粉煤灰呢?這絕對不是因為過多的研究投向了礦渣和粉煤灰,而是鋼渣自身存在著一些比較難以克服的問題,如易磨性差;活性組分的活性低、非活性組分的含量大;影響安定性的游離CaO和游離MgO含量較高等。

           

          近年來,隨著粉磨工藝的進步、高性能助磨劑的出現,能夠在不大幅增加能耗和成本的前提下使鋼渣的比表面積達到500㎡/kg以上,從而改善了鋼渣的早期和中期的活性;經過熱燜工藝處理的鋼渣,能夠使大部分游離CaO在熱燜過程中消解,這在很大程度上促進了鋼渣作為礦物摻和料在混凝土中的應用。但熱燜工藝對于消減鋼渣中的游離MgO作用甚微,因而將鋼渣用作水泥的混合材或混凝土的礦物摻和料時,安定性的檢測仍是強制性的。

           

          將鋼渣作為混凝土的骨料使用時,由于鋼渣的強度高,破碎后的粒徑相對較小,因而替代部分天然骨料很容易達到混凝土的強度要求。然而,鋼渣作為骨料時,安定性不良的問題更要引起警覺!

           

          鋼渣粉的安定性合格,并不代表鋼渣骨料的安定性合格。鋼渣粉要經過磨細、混合的過程,因而總體上鋼渣粉的成分是相對勻質的。而鋼渣作為骨料時,鋼渣骨料的安定性的離散性則非常大,圖1顯示的是鋼渣骨料壓蒸3h(216℃、2MPa)的情況,有的骨料完好無損,有的骨料產生了裂紋,有的骨料被粉碎,這是因為不同鋼渣骨料中的游離CaO和游離MgO含量差異很大。因此,將鋼渣磨細后進行安定性檢測,并不能反映出鋼渣骨料的個體安定性差異,而少量存在嚴重安定性問題的骨料就可能使硬化混凝土發生表面損傷或結構性破壞。事實上我國的鋼渣適合做混凝土骨料的非常少,我們課題組曾從全國各大鋼廠提取了6種鋼渣樣本,只有一種鋼渣骨料在壓蒸后發生了很小比例的開裂或破壞,其他5種鋼渣樣本在壓蒸后均表現出了較大比例的破壞。

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          圖 1   壓蒸后的鋼渣骨料

           

          鋼渣骨料對混凝土的破壞是比較嚴重的,因為鋼渣骨料在混凝土中產生的膨脹應力是不均勻的,且部分骨料中游離CaO和游離MgO含量過高的概率較大,因此會在局部引起過大的膨脹應力,使混凝土的微結構發生損傷,如同推倒了第一張多米諾骨牌,進而由于其他鋼渣骨料持續反應產生的進一步膨脹應力以及荷載、外界侵蝕性介質侵入等綜合因素,會使混凝土微結構走向更深層次的損傷,以致破壞。鋼渣中的游離CaO和游離MgO反應緩慢,因此鋼渣骨料對混凝土造成損傷通常是一個緩慢而長期的過程。通過壓蒸和蒸養的方式可以加速鋼渣骨料中影響安定性的組分反應,圖2和圖3是含鋼渣骨料的混凝土在壓蒸后的狀態;圖4和圖5是含鋼渣骨料的混凝土在蒸養(80℃、3d)后的狀態。

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          圖 2   壓蒸后的混凝土(a)

           

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          圖 3   壓蒸后的混凝土(b)

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          圖 4   蒸養后的混凝土(a)

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          圖 5   蒸養后的混凝土(b)

          如果要將鋼渣作為混凝土的骨料使用,筆者建議至少要完成以下步驟,以確定鋼渣是否可用和最大摻量。

          (1)將鋼渣磨細成為鋼渣粉,鋼渣粉的安定性檢測合格(參照《鋼鐵渣粉》標準);如果鋼渣粉的安定性不合格,那么鋼渣骨料不可用。

          (2)隨機選取至少100顆鋼渣骨料進行壓蒸試驗(216℃、2MPa,至少6h),壓蒸后出現明顯開裂或破損的鋼渣顆粒比例小于5%。

          (3)蒸養和壓蒸試驗:如果有多個樣本,可以先進行蒸養試驗,如果蒸養試驗的結果不合格,那么沒必要再進行壓蒸試驗;如果樣本很少,可直接進行壓蒸試驗。用鋼渣骨料制備混凝土,養護至28d后進行蒸養試驗(蒸養溫度不低于80℃,蒸養時間不少于7d),蒸養后的混凝土無肉眼可見損傷。將通過蒸養試驗的混凝土進行壓蒸試驗(216℃、2MPa,至少6h),壓蒸后的混凝土無肉眼可見損傷,且強度降低幅度不超過10%。

          值得警示的是,目前在我國部分地區已經出現了鋼渣骨料導致民用建筑和工業建筑的混凝土出現損傷的工程案例,由于鋼渣骨料安定性的離散性以及危害產生的長期性,難以對工程結構中鋼渣骨料發生的危害進行科學的檢測和評估,相應的修補和加固方法也就難以實現科學合理。

          在很多情況下,工程應用是走在科學研究前面的,這兩者之間的關系很復雜,這里不做探討。但是,在鋼渣作混凝土的骨料的這個問題上,筆者呼吁,工程應用千萬不能走在科學研究之前,因為關系著工程質量和安全的諸多關鍵問題尚未解決。

          作者簡介

          王強,清華大學副教授,博士生導師,土木工程系副主任。主持國家自然科學基金優秀青年基金1項、國家自然科學基金面上項目2項。兼任中國混凝土與水泥制品協會巖土穩定與固化技術分會副理事長、中國硅酸鹽學會固廢分會常務理事、中國建筑學會建材分會常務理事、中國電子顯微鏡學會理事。主要研究方向為工業廢渣在土木工程中的應用、現代混凝土科學與技術。

          文章來源:原文參見《混凝土世界》2016年02期 P90~P91


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