用钢渣作骨料引起的混凝土工程开裂问题案例分析(细骨料对混凝土性能的影响)

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:以山西梅津钢铁厂自然陈化处理后的钢渣为研究对象，通过对其f-CaO、f-MgO含量的测试，蒸压粉化率和体积膨胀率的分析，并通过对添加部分钢渣集料后混凝土的物理性能和耐久性的研究，为进一步安全利用钢渣集料配制混凝土提供了可行的途径。
0简介
钢渣是钢铁企业利用石灰石矿物提取铁矿石中的杂质而形成的大量废渣。炼钢的原理是石灰石、碳等金属氧化物在1500 ~ 1700的高温下反应，还原出各种铁碳合金。化学反应过程概括为脱碳、脱硫、脱磷和脱氧。目前，我国炼钢工艺有氧气顶吹转炉(BOF)和电弧法(EAF)两种，其中以转炉法为主。2017年全国转炉出渣量约8000万吨，综合利用率9%。大量钢渣堆积占用农田，钢渣中的重金属离子、碱金属离子和粉尘会释放到水和空气中，造成严重的环境污染。目前，混凝土是中国最大的建筑材料产品。2017年，我国混凝土总量约24亿m3，混凝土对骨料的需求达到近29亿m3。随着国家环保的严格要求和禁止乱采滥挖的政策，砂石等天然骨料的市场价格上涨了200%左右，平均每立方米价格达到130元左右。如果能合理地用钢渣骨料代替部分天然骨料，混凝土单位成本可降低43元左右。同时解决了固体废弃物，大大降低了混凝土成本。
相关研究表明，钢渣的物理力学性能接近天然碎石，是一种很有潜力的建筑材料。含有硅酸二钙、硅酸三钙等矿物质，具有一定的水硬性活性。因其煅烧温度高，俗称3354——“过烧硅酸盐熟料”。这些优点为钢渣在混凝土工程中的应用奠定了基础，但与天然骨料相比，钢渣中含有一定量的游离氧化钙和游离氧化镁(方镁石)。当这些组分遇到水或混凝土水合水时，会发生体积膨胀的化学反应，导致混凝土开裂破坏。因此，钢渣的稳定性成为其作为混凝土骨料大规模应用的关键因素。本文以钢渣集料的体积稳定性为主要研究对象，对钢渣集料混凝土的物理性能和耐久性结果进行了测定，以寻找一种有效可行的利用途径。
1材料和方法
1.1原材料
1)钢渣3360由美锦钢铁厂自然处理，经冲击破碎筛分后，粗骨料粒径5 mm ~ 25 mm，细骨料细度模数2.8，容重1830kg/m3。为了保证钢渣集料在本研究中的适用性，选用了低碱度(CaO/(SiO 2p2o 5)的橄榄石渣和菱镁矿渣，其水化活性较低。由于钢渣在自然环境中与外界空气、水、阳光接触后会发生老化反应，逐渐趋于稳定。选取四种不同陈化时间的钢渣作为研究材料，其物理性质见表1，化学成分见表2。
2)水泥3360采用山西梁爽丁鑫水泥有限公司的P.O42.5水泥，其性能见表3，符合相关规范要求。
3)粉煤灰：太原第二发电厂湿排2级粉煤灰；表观密度为1.96克/立方厘米。
4)矿粉：太钢矿粉，S95级，比表面积430cm2/kg。
5)添加剂：聚羧酸泵送剂，山西黄河新化工有限公司生产，液体，掺量2.0%。
6)混合水：清洁饮用水。
7)天然骨料：太原真诚碎石25mm连续级配，表观密度2.66kg/m3，石灰石机制砂细度模数2.8，堆积密度1530kg/m3。
1.2测试方法
1)钢渣的化学分析。相应的
2)压蒸粉化率试验。根据GB/T24175—2009《钢渣稳定性试验方法》标准，从三种不同龄期的钢渣中取出800g粒径为4.75mm ~ 9.5mm的钢渣颗粒，分别制成三个渣样。干燥后称出重量m0，放入高压釜中，在压力2.0MPa、温度216下高压灭菌3小时，然后取出干燥1.18小时。
f=(m1/m0)100%
取三个样品的算术平均值作为试验结果，精确至0.1%。
3)浸泡膨胀率试验。根据GB/T24175—2009钢渣安定性试验方法标准，按本规范要求制作最大干密度的三个试样，放入浸泡膨胀率试验装置中，水浴加热，在903保温6h，循环10d。浸泡膨胀率的计算公式为3360。
=[(d10-d0)/120]100
式中，为浸水膨胀率，%;20为试件的原始高度，mm；千分表的最终读数，%。
取三个样品的算术平均值作为试验结果，精确至0.1%。
4)钢渣骨料混凝土的配合比设计。根据JGJ55—2011《混凝土配合比设计规程》和实际生产经验，掺入20%龄期为一年的梅津钢渣骨料，以C30、C40、C50混凝土为研究对象，混凝土坍落度控制在180mm30mm，具体配合比见表1。
5)钢渣集料混凝土的物理性能和耐久性。根据GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JGJ/T193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》。
6)钢渣集料混凝土的危害性判断。根据GB/T50344—2004《建筑结构检测技术标准》附录B，如果出现以下三种情况，则判定为有害不合格3360。
A.有两个或两个以上沸腾试样开裂、松动、塌陷；
B.芯样试件抗压强度变化率大于30%；
C.只有一个薄片试件开裂、松动、坍塌，一个岩心试件抗压强度变化率大于30%。
2结果和讨论
2.1钢渣中游离氧化钙和氧化镁的含量及规律研究
钢渣中的游离氧化钙和氧化镁与水发生化学反应，反应工程式见表2。同时带来很大的体积膨胀，影响混凝土的体积稳定性。因此，有必要控制钢渣中的游离氧化钙和氧化镁。通过三种不同龄期钢渣中游离氧化钙和氧化镁的化学分析结果，见表3。可以看出，在自然状态下，热钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁与空气中的水分反应缓慢。一年后钢渣中游离氧化镁的含量约为50%和20%。氧化镁的消化速度较慢，大于游离氧化镁晶体的消化速度。水化过程中Mg(OH)2膜的形成削弱了下一步的水化。
2.2钢渣老化龄期对钢渣蒸压粉化率和浸泡膨胀率的影响
钢渣的老化龄期也是通过压蒸粉化率和浸泡膨胀率来表征钢渣稳定性的一种方法。三种不同龄期钢渣的蒸压粉化率和浸水膨胀系数见表4。从表4可以看出，随着钢渣陈化时间的延长，钢渣的蒸压粉化率和浸泡膨胀率都在逐渐降低。在一年老化期内，梅津钢厂钢渣的蒸压粉化率和浸泡膨胀率分别为3.1%和1.5%，均满足规范要求。
2.3钢渣集料对钢渣集料混凝土力学性能的影响
当钢渣骨料在混凝土中膨胀时，会产生微裂缝，导致混凝土强度降低。合理含量的游离氧化钙和游离氧化镁的钢渣集料混凝土，因其微膨胀、外观不规则、易咬合、含泥量低，有利于混凝土抗压强度和抗折强度的提高。测试结果如表5所示。
2.4钢渣集料混凝土耐久性研究
通过不同强度等级的钢渣集料混凝土抗渗性和抗冻性试验结果(如表5所示)，可以看出
2.5钢渣掺量对钢渣集料混凝土性能的影响
根据表6中不同钢渣骨料的钢渣混凝土抗压强度和蒸压稳定性，当钢渣粗骨料含量为15%，钢渣细骨料含量为30%时，混凝土强度会提高很多。当钢渣细骨料产量达到50%时，混凝土的蒸压稳定性会出现掉砂、膨胀率过大等质量问题。这与钢渣集料中普遍存在游离氧化钙和游离氧化镁含量较高的白色颗粒有关，因此钢渣集料很难完全替代天然集料配制混凝土。
3结论
1)随着陈化时间的延长，梅津自然冷却钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁的含量逐渐降低，游离氧化钙的消化速度快于氧化镁。一年钢渣中游离氧化钙的含量一般小于3.0%。如果是中碱度或高碱度钢渣，需要密切关注游离氧化钙和游离氧化镁的含量。
2)钢渣应陈化以替代部分天然骨料配制混凝土，用压蒸粉化率和浸水膨胀率表征钢渣的体积稳定性是有效的。
3)体积稳定性好的钢渣集料，因其微膨胀、外观不规则、易咬合、水泥石水界面紧密，有利于混凝土的抗压强度、抗折强度和耐久性。
4)适量的钢渣集料可以提高混凝土的密实度，过量的钢渣集料会导致混凝土出现一定程度的破坏，是有害的。使用前应进行验证试验，同时应增加检验批次。
5)钢渣用作混凝土骨料在国内还处于起步阶段，很多科学数据需要众多行业专家的共同研究和实践。在未来，钢渣作为混凝土骨料的应用将会非常成熟和广泛。
它来自李晓峰、陕西省建筑科学研究院等。
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