王强：钢渣骨料引发混凝土工程质量问题剖析

清华大学土木工程系副教授

中国硅酸盐学会固废与生态材料分会常务理事

0 前言

将钢渣应用于土木工程建设是综合利用钢渣最主要的方式，然而钢渣存在安定性不良的问题，这是制约钢渣在土木工程中应用的最主要因素。钢渣中影响安定性的主要组分是游离CaO和MgO矿物，其中游离CaO的反应速率高于MgO矿物。钢渣中含MgO的矿物种类很多，除了少量游离MgO，大多数MgO与CaO、MnO、FeO等固溶，固溶体的活性（对安定性的影响程度）在很大程度上取决于其中MgO的含量。

将工业废渣应用于土木工程中，是土木工程可持续发展的一个重要途径。需要强调的是，工业废渣综合利用的前提是至少要确保土木工程质量与安全。很遗憾的是，在没有足够的基础研究和相关标准的情况下，我国很多地区滥用钢渣做混凝土的骨料，目前已经在很多地区发生了钢渣骨料膨胀导致硬化混凝土损伤的问题，有些问题非常严重。本文将剖析钢渣骨料引发混凝土工程质量问题的原因，并对已发生问题的工程如何进行安全评估给出建议。

1 钢渣粉与钢渣骨料

钢渣应用于混凝土中，通常有钢渣粉和钢渣骨料两种方式，所以在工程中要对这两种方式进行区分，尤其是导致工程事故时，不能笼统地说钢渣导致工程事故，要明确是钢渣粉还是钢渣骨料。

对于钢渣粉，我国已经颁布了多个相关的国家标准或行业标准。以国家标准《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/T 20491-2017）为例，对钢渣粉的安定性设置了严格的限制：游离氧化钙含量≤4.0%，当钢渣中MgO含量大于5%时压蒸膨胀率≤0.50%。其它涉及钢渣粉的标准中，也均对钢渣粉的安定性做出了严格的限制。大多数钢渣粉会使混凝土的初凝时间延长（图1），即使钢渣粉掺量为10%，胶凝材料的初凝时间也会延长1h以上，而当钢渣粉掺量为50%时，初凝时间延长接近6h。此外，钢渣掺量增大会导致混凝土的早期强度明显降低（图2）。因此，在实际工程中使用钢渣粉时，往往需要适当降低水胶比才能够获得设计要求的强度。这里需要强调的是，当钢渣粉的掺量较大时，即使采用降低水胶比的措施，仍然会造成混凝土的初凝时间明显延长，并且也无法获得满意的早期强度（也无法获得满意的28d强度），因此实际工程中钢渣粉在混凝土中的掺量通常是比较小的（一般不超过20%），并且考虑到我国关于钢渣粉的标准都对钢渣粉的安定性做了严格的限制，所以钢渣粉的安定性问题造成混凝土工程事故的情况是非常少的。

图1 钢渣粉对初凝时间的影响图

图2 钢渣粉对砂浆早期强度的影响

钢渣作为骨料应用于混凝土，可以分为粗骨料和细骨料（钢渣砂）两类，需要注意的是，目前钢渣粗骨料和钢渣细骨料应用于结构混凝土均没有相关标准。在国家标准《钢渣应用技术要求》（GB/T 32546-2016）中，涉及了钢渣做粗骨料或细骨料应用于砂浆、砖和砌块、沥青混合料；在国家标准《道路用钢渣》（GB/T 25824-2010）中，涉及了钢渣做粗骨料应用于沥青混合料；在国家标准《外墙外保温抹面砂浆和粘结砂浆用钢渣砂》（GB/T 24764-2009）和黑色冶金行业标准《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》（YB/T4329-2012）等规范中，也涉及到了钢渣做骨料。上述所有涉及到将钢渣做骨料的标准，均对钢渣骨料安定性进行了限制，通常采用浸水膨胀率或压蒸粉化率的指标进行控制。其中浸水膨胀率采用90℃水浴养护的方法，经过一定时间后，使钢渣中的游离氧化钙、游离氧化镁消解，产生体积膨胀，测定体积变化率；压蒸粉化率定义为钢渣在2.0MPa的饱和蒸汽条件下压蒸3h，粉化后小于1.18mm的颗粒所占的比率。

将钢渣作为粗骨料应用于沥青混合物，有大量的科研论文发表[1-8]，也有一些工程应用案例，尚未见有严重的材料质量问题和工程事故的报道。将钢渣砂应用于砂浆、砖和砌块、道路面层等，也有相关的论文发表[9-12]和专利批准[13-15]，尚未有严重问题和工程事故报道。需要指出的是，钢渣骨料是否会引起沥青混合物、砂浆、砖、砌块、道路面层等质量问题，还需要进一步科学研究和持续观察。

2 钢渣骨料引发硬化混凝土劣化的原因

钢渣粉安定性合格不代表钢渣骨料安定性合格。在钢渣粉的粉磨和混合过程中，钢渣中的安定性不良的组份在钢渣粉中较均匀地分散，而这些安定性不良的组份在钢渣骨料中的分布是不均匀的，有可能某些颗粒中安定性不良组分的含量极少，而部分颗粒中安定性不良组分的含量过高。所以，钢渣粉的安定性合格不能作为钢渣骨料合格的依据。

游离CaO是导致钢渣骨料安定性不良的突出因素。从最近几年暴露出的工程问题来看，绝大多数是钢渣粗骨料混凝土使用半年到2年内，明显出现混凝土表面“爆裂”或开裂。钢渣中游离MgO矿物的活性很低，反应非常缓慢，因此可以判断引发这些工程事故的主要原因是钢渣粗骨料中的游离CaO发生反应造成膨胀。图3是从我国不同钢铁厂获取的钢渣粗骨料，在90℃的蒸养箱中放置14d后，均出现了部分颗粒开裂或破碎的情况，在蒸养条件下游离MgO矿物的反应程度很低，主要是游离CaO发生了反应导致的膨胀。图3也再次说明了钢渣颗粒中安定性不良组分的分布不均匀。

图3 高温蒸养后的钢渣骨料

浸水膨胀率和压蒸粉化率均不能作为钢渣骨料在混凝土中应用的参照指标。混凝土是一种密实度比较高的建筑材料，这就意味着钢渣骨料在混凝土中是紧密“镶嵌”的，自由膨胀的空间很小，因此钢渣骨料在混凝土中膨胀所引发的膨胀应力通常比较大，能够比较轻易地将混凝土胀裂。压蒸粉化率采用了比较严格的实验条件，在这种实验条件下，钢渣中的绝大部分游离CaO和MgO会发生反应，因此压蒸粉化率能够比较好地反应钢渣中安定性不良组分对钢渣颗粒的破坏作用。然而，压蒸粉化率的表征指标“粉化后小于1.18mm的颗粒所占的比率”并不能显示出有多少比例的钢渣颗粒会发生膨胀（或发生能够使混凝土产生裂缝的膨胀）。还有一个重要的问题不能忽视，即取样的代表性，钢渣颗粒中的安定性不良组分的分布是随机的，在钢渣堆场中，由于钢铁生产工艺（或原材料）或存放时间等因素的变化使钢渣颗粒的差异性很大。

总之，钢渣骨料在水泥混凝土中应用的危险性很大，应尽量避免。目前使用钢渣骨料导致工程问题的主要原因是钢渣中的游离CaO造成的，随着游离MgO的缓慢反应，相信已出现问题的钢渣骨料混凝土的问题会更严重，暂时没有出现问题的钢渣混凝土也可能在将来出现问题。如果钢渣骨料在压蒸（至少2.0MPa且不少于3h）条件下发生开裂或破坏的颗粒非常少，那么说明这种钢渣骨料中安定性不良的组份含量很少，应该是安全的，但是取样是否具有代表性是值得注意的问题，因此，为确保工程质量，应尽量避免钢渣骨料使用在水泥混凝土中。

3 钢渣骨料引发混凝土工程质量问题的处理建议

（1）钻芯取样。首先要针对所有使用钢渣骨料混凝土的结构部位进行大量钻芯取样，之所以要进行大量钻芯取样，是因为钢渣骨料的安定性不良的程度离散性很大，取样必须具有统计意义或代表性。有研究人员提出根据原配合比和原材料制备混凝土试块，然后检测试块的相关性能进行安全性评价，这种方法是不可取的，因为往往难以获得混凝土中钢渣骨料的实际掺量（由于生产企业隐瞒真实数据或在实际生产中的掺量波动较大），并且不同批次的钢渣骨料难免有所差异。

（2）进行压蒸试验。将钻芯取样的混凝土试块置于压蒸釜中压蒸6h（参照GB/T 20491-2017的实验条件），然后观察混凝土试块的表面破损和裂缝出现的情况，对于表面破损很严重或大量裂缝的情况，可以认定该混凝土的质量问题严重。对于表面破损和开裂不明显的情况，进行抗压强度测试，测试压蒸后相比压蒸前的强度损失率。这里需要指出的是，即使对于普通混凝土，经过压蒸之后也会有强度的降低，这是因为在压蒸的过程中水泥的水化产物AFt和C-S-H凝胶会发生部分分解或晶型转变，使混凝土的孔隙率增大。所以，需要制备相同配合比的无钢渣骨料的混凝土（即全部采用石灰石骨料），平行进行压蒸试验，将无钢渣骨料的混凝土作为参照组，进行强度损失率的对比。

（3）进行结构的安全性评估。如果钢渣骨料混凝土在压蒸后的强度损失率与对照组混凝土很接近，基本可以判断该混凝土的质量问题很小。如果钢渣骨料混凝土在压蒸后的强度损失率明显大于对照组，则需要根据压蒸后的数据进行结构的安全性评估。

4 结论

（1）钢渣骨料应用于水泥混凝土中的风险很大，应尽量避免。

（2）导致钢渣骨料混凝土质量问题的主要因素是游离CaO发生反应产生膨胀，随着游离MgO的缓慢反应，可能导致钢渣骨料混凝土的长期损伤更大。

（3）对于已发生工程质量问题的结构工程，首先应大量钻芯取样，然后通过压蒸试验判断混凝土质量问题的严重程度。

注：该论文是第十一届全国高强与高性能混凝土学术交流会的会议论文

参考文献：

[1]Ahmedzade P, Sengoz B. Evaluation of steel slag coarse aggregate in hotmix asphalt concrete[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 165(1):300-305.

[2] 丁庆军, 李春, 彭波,等. 钢渣作沥青混凝土集料的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2001, 23(6):9-13.

[3]Asi I M, Qasrawi H Y, Shalabi F I. Use of steel slag aggregate in asphaltconcrete mixes[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2007, 34(8):902-911.

[4]薛永杰, 吴少鹏, 陈向明,等. 钢渣在沥青路面工程中的应用[J]. 建材世界, 2005, 26(1):1-3.

[5]陈丰, 吴少鹏, 陈美祝,等. 钢渣沥青混凝土的制备与应用[J]. 筑路机械与施工机械化, 2010, 27(9):20-23.

[6]宋坚民. 钢渣沥青混合料探讨[J]. 中国市政工程, 2001(4):11-12.

[7]薛永杰, 吴少鹏, 廖卫东,等. 钢渣在武黄高速公路加铺工程中的应用研究[C]. 湖北省公路交通科技2004年会论文集. 2004.

[8]朱文琪, 何雄伟, 朱继东,等. 钢渣沥青混合料施工工艺研究[J]. 武汉理工大学学报, 2003, 25(12):116-118.

[9]秦鸿根, 王元纲, 张高勤,等. 掺钢渣微粉干粉砂浆的性能与应用研究[J]. 新型建筑材料, 2004(2):7-9.

[10]伦云霞, 周明凯, 陈美祝,等. 钢渣砂特性与稳定性研究[J]. 武汉理工大学学报, 2007, 29(10):11-14.

[11]尚建丽, 赵世冉, 李翔. 钢渣细集料及钢渣砂浆体积稳定性试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2012, 31(6):1611-1616.

[12]马晓辉, 陈吉春. 利用钢渣研制高强空心砌块[J]. 粉煤灰综合利用, 2004(5):42-43.

[13]罗时政, 亓立峰, 刘富增,等. 一种钢渣免烧砖的制作方法, CN101244461[P]. 2008.

[14]甘万贵, 赵青林, 李晖,等. 钢渣砂防水抗裂干混砂浆, CN101891435A[P]. 2010.

[15]张健, 郭江浩, 马岚,等. 高耐磨钢渣道路混凝土, CN100387541C[P]. 2008.