鋼渣應用于混凝土預制構件生產的可行性

蔣建森，姚翔，沈萬玉，田朋飛,王從章

（1.阜陽市重點工程建設管理局，安徽 阜陽 236000；（2.安徽富煌鋼構股份有限公司，安徽 巢湖 238076）

0 前言

近年來，隨著國家和地方政府政策的推進，裝配式建筑技術迅速發展。與此同時，全國范圍新投產了一大批混凝土構件生產線。預制混凝土的技術特點不同于預拌混凝土，預制混凝土一般遵循低用水量、低流動性和低砂率的原則。正是由于預制混凝土工作性能要求較低，因此工業冶金廢渣應用于預制混凝土有一定的技術空間。

冶金廢渣包括高爐渣、銅渣、錳渣、鋅渣和鋼渣等。鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢物，根據不同的煉鋼工藝，鋼渣的組成成分和理化性能有一定區別。總體而言，鋼渣的礦物組成主要有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵酸二鈣（C2F）、RO 相（MgO、FeO 和MnO 的固溶體）、游離鈣（f-CaO）和游離鎂（f-MgO）等，具有密度大和難磨的特點。由于鋼渣含有少量的游離鈣和游離鎂，而混凝土構件生產過程中又有高溫養護工序，因此可能會進一步誘發安定性問題，所以必須模擬實際情況，采用一定方法對鋼渣的安定性進行評價，判定鋼渣用于混凝土預制構件生產的可行性。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

鋼渣：試驗所用鋼渣為某鋼廠提供的經破碎分選得到的5mm～31.5mm鋼渣。先將鋼渣磨制成鋼渣粉，分析鋼渣的成分，鋼渣的化學組成和礦物組成見表1和圖1。可知鋼渣的CaO和MgO含量較高。

鋼渣的化學組成（XRF分析） 表1

水泥：南方水泥P·O42.5。

圖1 鋼渣的XRD圖譜

1.2 試驗方法

將鋼渣以0%、50%和100%的比例等體積取代5mm～31.5mm碎石，成型75mm×75mm×280mm混凝土試件，采用預制混凝土C30配合比，配合比及鋼渣取代方案見表2。因為混凝土構件生產中常采用60℃高溫養護以達到次日脫模起吊的目的，所以試驗采取20℃、60℃和80℃三種養護溫度進行對比。實際生產中高溫養護時間很短，一般為3～4h，為了更明顯區別三種養護溫度對混凝土試件的影響，試驗中養護溫度始終不變，于相應齡期測定混凝土的膨脹率，并進行外觀檢測。膨脹率的測定采用千分表。

鋼渣混凝土配合比（kg/m3） 表2

2 結果與分析

2.1 養護溫度為20℃時混凝土的膨脹率及破壞情況

混凝土膨脹率變化見圖1。

圖2 20℃養護下混凝土膨脹率變化

由圖2可知，隨著養護齡期的增長，三種配合比的混凝土膨脹率隨之增大。在齡期156d之內，三種配合比的鋼渣混凝土膨脹率均小于0.02%。其中，鋼渣取代比例0%的A組混凝土的膨脹率要整體小于鋼渣取代比例為50%和100%的B組和C組混凝土，可見，鋼渣的摻入一定程度上增加了混凝土的膨脹率。

在20℃常溫養護下，三組混凝土的膨脹率總體較低，不大于0.02%。在156d齡期時，三組混凝土的膨脹率趨于穩定。三組混凝土外觀均未出現破壞特征，見圖3。

圖3 20℃養護條件下C組混凝土外觀

2.2 養護溫度為60℃時混凝土的膨脹率及破壞情況

混凝土膨脹率變化見圖4。

圖4 60℃養護下混凝土膨脹率變化

由圖4可知，養護溫度為60℃時，鋼渣取代比例0%的A組混凝土在齡期14d之內膨脹率保持在-0.01%左右，且外觀未出現破壞。鋼渣取代比例50%和100%的B組和C組混凝土在齡期7d之后膨脹率迅速增大，并很快超過0.02%，且出現不同程度的損傷。C組的膨脹率整體大于B組。此外，C組混凝土在第12d時由于試件斷裂，無法進行長度測量。C組混凝土外觀破壞見圖5。

圖5 60℃養護下C組混凝土外觀

2.3 養護溫度為80℃時混凝土的膨脹率及破壞情況

混凝土膨脹率變化見圖6。

圖6 80℃養護下混凝土膨脹率變化

由圖6可知，養護溫度為80℃時，鋼渣取代比例0%的A組混凝土在齡期14d之內保持在0.01%左右，外觀未出現破壞特征。鋼渣取代比例50%和100%的B組和C組混凝土在第5d時膨脹率迅速增大，超過0.02%，C組混凝土的膨脹率整體大于B組。B組和C組試件也出現了不同程度的損傷，且在第7d就出現斷裂現象。C組混凝土外觀破壞見圖7。

圖7 80℃養護下C組混凝土外觀

2.4 損傷分析

通過對混凝土試件損傷觀察，均發現崩裂處及裂紋擴展處存在粉狀物質，如圖8。

對白色粉狀物做XRD分析，圖譜如圖9。

由圖譜可以看出，粉狀物質含有大量的氧化鎂和氫氧化鎂，其中氧化鎂來源于鋼渣，而氫氧化鎂是氧化鎂和水反應的產物，氧化鎂的水化反應是體積膨脹反應，從而導致了鋼渣體積膨脹以及混凝土的脹裂破壞。

3 結論

圖8 崩裂處及裂紋擴展處白色粉狀物

圖9 粉狀物質XRD圖譜

①養護溫度為20℃、60℃和80℃時，鋼渣取代比例0%的A組混凝土膨脹率均很小，不超過0.02%，混凝土外觀也未出現破壞特征。80℃高溫對于普通混凝土并不會造成破壞作用。

②用鋼渣取代碎石后，混凝土膨脹率均出現增長。20℃常溫條件下，B組和C組鋼渣混凝土的膨脹率大于A組混凝土，但未超過0.02%，齡期156d時也未出現明顯破壞。但是在60℃和80℃養護條件下，鋼渣混凝土的膨脹率均迅速增長，并超過0.02%。60℃養護條件下，鋼渣取代比例100%的C組混凝土第12d時出現斷裂，而在80℃養護條件下，第7d就出現斷裂現象。溫度升高使鋼渣混凝土出現破壞的時間提前。

③在一定條件的濕度和溫度下，鋼渣中的氧化鎂發生延遲性的水化反應，該反應是體積膨脹反應，是混凝土破壞的根本原因。

④鋼渣用于混凝土生產具有一定的安定性不良問題，高溫條件會加劇混凝土的破壞。本實驗中，雖然20℃常溫條件下，鋼渣混凝土156d時未出現破壞，但膨脹率已經接近0.02，因此長期安定性仍存在不良的可能性。綜上，將鋼渣應用于混凝土預制構件生產的可行性不足。