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用钢渣作骨料引起的混凝土工程开裂问题案例分析

摘要

混凝土是指胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称(即:以水泥为主要胶凝材料,与集料和水,必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料,按适当比例配合,经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材)。集料在混凝土中具有重要的作用,胶凝材料与细集料合成砂浆体填充粗集料孔隙形成的密实结构,集料构成了混凝土中的强度骨架,集料的材质、强度、颗粒级配、最大粒径、含泥量、砂率、针片状、量化关系等都会对混凝土工作性能产生不同程度的影响。本文从集料的颗粒级配方面分析对混凝土工作性能产生的影响。

 

 

    建筑工程每年数十亿吨骨料的使用导致优质天然骨料的锐减及市场价格的提高,致使众多商混企业将目光转移到了再生骨料、低品质骨料、冶金渣骨料等。由于再生骨料的后续处理成本高、易给混凝土带来性能影响等,商混企业更易选择不需要处理或稍作处理的冶金渣骨料。目前使用较多的有钢渣骨料[1]、矿渣骨料[2]、尾矿骨料[3]等。由于冶金渣骨料的成分复杂,具有碱活性及安定性不良等问题,造成工程上使用冶金渣后混凝土开裂的事故时有发生。本文针对两例混凝土工程开裂事故,介绍骨料引起混凝土开裂的状况、特点及判定过程,并给出了相关建议。

 

 

工程概况分析

 

 

    工程案例一:某保障房工程建成后一年内发现其多层楼板发生鼓包、散点式爆裂破坏,剥离开裂表层见有黑色松散型、多孔骨料,且随着时间的推移,破坏情况越来越严重。典型的破坏见图1。


a鼓包                 b散点式剥落                c黑色酥松骨料
图1 某工程楼板开裂照片

a 梁开裂                 b 5层楼板开裂             c 柱爆裂
图2 某工程梁、板、柱严重开裂照片

    工程案例二:某5层框架结构建筑物,主体建成后半年内,梁、板、柱均不同程度出现胀裂、表层剥落,尤其柱子发生大面积剥落,剥落处见有铁锈色骨料,质地较软、结构酥松、多孔,开裂以骨料为中心向四周辐射。受雨水的影响,顶层的楼面和梁开裂最为严重,见图2。由于主体施工结束后,在雨水的作用下,表层混凝土剥落、开裂问题逐渐显现,该建筑的施工被迫停止。随着时间的推移,问题越来越严重。总体上,顶层最严重,越往下暴露出来的问题相对减轻。剥落开裂的具体情况与骨料颗粒的大小、骨料在楼板、梁、柱中所处的位置、环境湿度等有关。通常,骨料越靠近构件表面处,开裂较小;骨料尺寸较大、所处柱内部距离越深,开裂越严重。图2b中,沿着水迹的地方,都出现了开裂;图2c 中,由于骨料较大,且处于柱位置较深处,导致约占柱断面尺寸的1/3面积完全酥掉。

 

 

问题分析

 

 

     从上述破坏特征可以看出,破坏是由于使用了不合格的骨料所致。骨料在遇水或有湿气的环境中发生了膨胀性的化学反应,产生了较大的膨胀应力,将周边混凝土撑开,导致表层砂浆的剥落,而骨料自身则因发生化学反应后变得酥松、多孔。这种破坏往往有一个过程,多在混凝土浇筑半年至一年后发生。从骨料的铁锈色可以初步推断该骨料或为钢渣骨料。

    将现场黑色酥松骨料取样进行了扫描电子显微镜(SEM)测试与X射线能谱(EDS)分析,结果分别见图3和图4。将该骨料分别放大100倍、500倍、5000倍和12000倍发现,该样品表面有大量的孔洞,结构较为疏松,5000倍、12000倍放大的图片中可以发现有凝胶状水化产物的物质出现,表明其可能与水泥浆体发生了一定程度的化学反应,也说明该骨料矿物成分中含有可水化的矿物或者可以参与火山灰反应的成分。

 

图3 酥松骨料SEM照片

图4 骨料EDS能谱分析图

    对图3中点1进行了能谱分析,进一步确定其化学组成。从能谱结果图4可以看出,该处主要元素为钙、硅、铝和氧等,其中含有少量的Mg及其他的一些微量元素。
    从该骨料表面具有铁锈颜色、多孔[4]、该样品表面具有可水化矿物或可参与火山灰反应的成分、该骨料中含有钙、硅、铝、氧、镁等元素及该骨料可以产生体积膨胀等可推断该骨料为钢渣骨料。后经与混凝土供应商核实,两个工程案例中均掺加了一定量的钢渣。

 

 

钢渣作为混凝土骨料的安定性问题

 

 

    钢渣作为骨料,其安定性问题突出,受多种因素的影响。钢渣中通常含有游离氧化钙和游离氧化镁。游离氧化钙f-CaO与水反应生成Ca(OH)2,体积增大1.98倍,该部分CaO经过1600℃高温煅烧,结晶良好水化速率缓慢,这是产生钢渣体积稳定性不良的主要物质;游离氧化镁f-MgO遇水反应生成Mg(OH)2,过程较慢、体积增大2.48倍。此外,钢渣中的硫化亚铁、硫化亚锰也可以导致体积膨胀,硫含量大于3%时,其水化分别生成Fe(OH)2和Mn(OH)2,体积分别增大1.4倍和1.3倍[5]

    另外,钢渣的安定性还与钢渣的冷却方式(急冷、慢冷)有关。一般钢渣都是缓慢冷却下来的,它们结晶后会生成游离的CaO,如果通过急冷的手段对钢渣进行处理,就不会产生游离的CaO与其它的结晶氧化物,而这就从根本上解决了钢渣细骨料体积稳定性不良的问题[6]。钢渣预处理工艺不同,其安定性也可能不同。钢渣经湿水或经一段时间的自然存放后,f-CaO含量降低,安定性问题将有所缓解[7]。但在实际堆放过程中,往往新鲜钢渣堆放在最外层,因而在使用前自然存放的时间往往最短,因此,安定性问题最严重。

 

 

工程中使用钢渣作骨料带来的危害

 

 

    如前所述,工程中使用钢渣作为骨料会导致在钢渣骨料周围混凝土的剥落、开裂的问题。钢渣中的游离氧化钙、氧化镁等与水反应的速度和程度受到骨料周围提供水份的多少、骨料的大小、周边约束大小、骨料在构件中的深度、环境温度等等多重复杂因素的影响,因此,由膨胀反应导致的开裂出现的时间、严重程度、以及最终反应完成的时间都具有很大的不确定性,且难以预测。此外,由于钢渣骨料是分布于混凝土中,只要是使用了钢渣的混凝土,钢渣处最终都会发生膨胀破坏,因此,这种分散的骨料引起的破坏最终会导致结构的整体破坏。这种形式的破坏,甚至加固都没有任何意义,最后只能拆除。

 

 

钢渣的预处理

 

 

    由于钢渣骨料的安定性不良问题,在工程中是严禁使用未经处理并检验合格的钢渣的。如果需要使用钢渣,必须在使用前进行预处理,并经安定性检验合格后方可使用。常用的预处理方法有:

    1)陈化、消解:陈化处理是消除钢渣中膨胀组分的最简单有效也是最常用的方法,此举不但能降低f-CaO含量,而且能使硫化钙遇水生成的不稳定高价硫离子氧化。但陈化时间较长,需要大面积的堆放场地,容易对渣场环境造成污染[8]
    2)直接风化或者经振动筛、圆筒筛处理并经高压水枪冲洗掉表面杂质后再风化,此方法同样时间较长,约需要一年时间[9]
    3)碳化处理:为降低骨料陈化、风化时间,可将长时间浸水钢渣骨料烘干,并置于70℃、-0.3MPa负压反应容器中,并引入CO2气体,直至气压达到0.3MPa[10],此方法虽然时间较短,但过程处理成本较高。
    4)蒸汽或蒸压处理:8h-12h热水、蒸汽处理或者3h×2.0MPa蒸压处理[11]。此过程同样成本较高。

 

 

结论

 

 

     本文所列举的两个工程案例中的混凝土质量事故均是由于使用了钢渣替代部分骨料造成的。虽然理论上钢渣骨料经过预处理后可以应用到混凝土中,但是在实际操作中容易出现预处理过程较短、骨料中f-CaO陈化消解不完全等现象。因此,在钢渣骨料预处理措施不甚完善的条件下,不建议使用钢渣作为骨料。同时,为降低混凝土生产成本,混凝土企业使用的骨料来源、种类琳琅满目,这给建筑物带来了安全质量隐患,因此,对于建设主管部门,一方面要加强质量监督,另一方面对于确实可以使用的材料,要及时出台相关规范、标准以指导生产。

参考文献
[1] 尚建丽, 刑琳琳. 钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的研究[J]. 建筑材料学报, 2013, 16 (2) :217-220.
[2] 何小龙. 矿渣骨料在混凝土中的应用探讨[J]. 商品混凝土, 2010(5): 38-38.
[3] 陈家珑. 尾矿做建筑用骨料的应用研究[A]. 提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集(下册)[C]. 北京, 2006: 114-119.
[4] Shaopeng Wu, Yongjie Xue, Qunshan Ye, et al. Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures [J]. Building and Environment, 2007, 42: 2580–2585.
[5] 杜宪文. 钢渣应用于道路工程的研究[J]. 东北公路, 2003, 26(2):73-74.
[6] JINMAN K, SUNGHYUN C, EUNGU K. Experimental Evaluation of Volume Stability of Rapidly-Cooled Steel Slag as Fine Aggregate for concrete [J]. Environmental Engineering, 2014:1-9.
[7] 宋坚民. 转炉钢渣稳定性探讨[J].冶金环境保护,2001,(1): 53-57.
[8] 张同生, 刘福田, 王建伟, 等. 钢渣安定性与活性激发的研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2007, 26(5): 980-984.
[9] Zongwu Chen , Shaopeng Wu, Jin Wen, et al. Utilization of gneiss coarse aggregate and steel slag fine aggregate in asphalt mixture[J].Construction and Building Materials, 2015, 93: 911–918
[10] Bo Pang, Zonghui Zhou, Hongxin Xu. Utilization of carbonated and granulated steel slag aggregate in concrete[J].Construction and Building Materials, 2015, 84: 454-467.
[11] LUN Yunxia, ZHOU Mingkai, CAI Xiao, et al. Methods for Improving Volume Stability of Steel Slag as Fine Aggregate[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2008, 23(5): 737-742.

作者:张亚梅  李保亮 
信息来源:混凝土第一视频网

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