钢渣应用于混凝土预制构件生产的可行性

蒋建森，姚翔，沈万玉，田朋飞,王从章

（1.阜阳市重点工程建设管理局，安徽 阜阳 236000；（2.安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 巢湖 238076）

0 前言

近年来，随着国家和地方政府政策的推进，装配式建筑技术迅速发展。与此同时，全国范围新投产了一大批混凝土构件生产线。预制混凝土的技术特点不同于预拌混凝土，预制混凝土一般遵循低用水量、低流动性和低砂率的原则。正是由于预制混凝土工作性能要求较低，因此工业冶金废渣应用于预制混凝土有一定的技术空间。

冶金废渣包括高炉渣、铜渣、锰渣、锌渣和钢渣等。钢渣是炼钢过程中产生的固体废物，根据不同的炼钢工艺，钢渣的组成成分和理化性能有一定区别。总体而言，钢渣的矿物组成主要有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铁酸二钙（C2F）、RO 相（MgO、FeO 和MnO 的固溶体）、游离钙（f-CaO）和游离镁（f-MgO）等，具有密度大和难磨的特点。由于钢渣含有少量的游离钙和游离镁，而混凝土构件生产过程中又有高温养护工序，因此可能会进一步诱发安定性问题，所以必须模拟实际情况，采用一定方法对钢渣的安定性进行评价，判定钢渣用于混凝土预制构件生产的可行性。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

钢渣：试验所用钢渣为某钢厂提供的经破碎分选得到的5mm～31.5mm钢渣。先将钢渣磨制成钢渣粉，分析钢渣的成分，钢渣的化学组成和矿物组成见表1和图1。可知钢渣的CaO和MgO含量较高。

钢渣的化学组成（XRF分析） 表1

水泥：南方水泥P·O42.5。

图1 钢渣的XRD图谱

1.2 试验方法

将钢渣以0%、50%和100%的比例等体积取代5mm～31.5mm碎石，成型75mm×75mm×280mm混凝土试件，采用预制混凝土C30配合比，配合比及钢渣取代方案见表2。因为混凝土构件生产中常采用60℃高温养护以达到次日脱模起吊的目的，所以试验采取20℃、60℃和80℃三种养护温度进行对比。实际生产中高温养护时间很短，一般为3～4h，为了更明显区别三种养护温度对混凝土试件的影响，试验中养护温度始终不变，于相应龄期测定混凝土的膨胀率，并进行外观检测。膨胀率的测定采用千分表。

钢渣混凝土配合比（kg/m3） 表2

2 结果与分析

2.1 养护温度为20℃时混凝土的膨胀率及破坏情况

混凝土膨胀率变化见图1。

图2 20℃养护下混凝土膨胀率变化

由图2可知，随着养护龄期的增长，三种配合比的混凝土膨胀率随之增大。在龄期156d之内，三种配合比的钢渣混凝土膨胀率均小于0.02%。其中，钢渣取代比例0%的A组混凝土的膨胀率要整体小于钢渣取代比例为50%和100%的B组和C组混凝土，可见，钢渣的掺入一定程度上增加了混凝土的膨胀率。

在20℃常温养护下，三组混凝土的膨胀率总体较低，不大于0.02%。在156d龄期时，三组混凝土的膨胀率趋于稳定。三组混凝土外观均未出现破坏特征，见图3。

图3 20℃养护条件下C组混凝土外观

2.2 养护温度为60℃时混凝土的膨胀率及破坏情况

混凝土膨胀率变化见图4。

图4 60℃养护下混凝土膨胀率变化

由图4可知，养护温度为60℃时，钢渣取代比例0%的A组混凝土在龄期14d之内膨胀率保持在-0.01%左右，且外观未出现破坏。钢渣取代比例50%和100%的B组和C组混凝土在龄期7d之后膨胀率迅速增大，并很快超过0.02%，且出现不同程度的损伤。C组的膨胀率整体大于B组。此外，C组混凝土在第12d时由于试件断裂，无法进行长度测量。C组混凝土外观破坏见图5。

图5 60℃养护下C组混凝土外观

2.3 养护温度为80℃时混凝土的膨胀率及破坏情况

混凝土膨胀率变化见图6。

图6 80℃养护下混凝土膨胀率变化

由图6可知，养护温度为80℃时，钢渣取代比例0%的A组混凝土在龄期14d之内保持在0.01%左右，外观未出现破坏特征。钢渣取代比例50%和100%的B组和C组混凝土在第5d时膨胀率迅速增大，超过0.02%，C组混凝土的膨胀率整体大于B组。B组和C组试件也出现了不同程度的损伤，且在第7d就出现断裂现象。C组混凝土外观破坏见图7。

图7 80℃养护下C组混凝土外观

2.4 损伤分析

通过对混凝土试件损伤观察，均发现崩裂处及裂纹扩展处存在粉状物质，如图8。

对白色粉状物做XRD分析，图谱如图9。

由图谱可以看出，粉状物质含有大量的氧化镁和氢氧化镁，其中氧化镁来源于钢渣，而氢氧化镁是氧化镁和水反应的产物，氧化镁的水化反应是体积膨胀反应，从而导致了钢渣体积膨胀以及混凝土的胀裂破坏。

3 结论

图8 崩裂处及裂纹扩展处白色粉状物

图9 粉状物质XRD图谱

①养护温度为20℃、60℃和80℃时，钢渣取代比例0%的A组混凝土膨胀率均很小，不超过0.02%，混凝土外观也未出现破坏特征。80℃高温对于普通混凝土并不会造成破坏作用。

②用钢渣取代碎石后，混凝土膨胀率均出现增长。20℃常温条件下，B组和C组钢渣混凝土的膨胀率大于A组混凝土，但未超过0.02%，龄期156d时也未出现明显破坏。但是在60℃和80℃养护条件下，钢渣混凝土的膨胀率均迅速增长，并超过0.02%。60℃养护条件下，钢渣取代比例100%的C组混凝土第12d时出现断裂，而在80℃养护条件下，第7d就出现断裂现象。温度升高使钢渣混凝土出现破坏的时间提前。

③在一定条件的湿度和温度下，钢渣中的氧化镁发生延迟性的水化反应，该反应是体积膨胀反应，是混凝土破坏的根本原因。

④钢渣用于混凝土生产具有一定的安定性不良问题，高温条件会加剧混凝土的破坏。本实验中，虽然20℃常温条件下，钢渣混凝土156d时未出现破坏，但膨胀率已经接近0.02，因此长期安定性仍存在不良的可能性。综上，将钢渣应用于混凝土预制构件生产的可行性不足。