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用鋼渣作骨料引起的混凝土工程開裂問題案例分析
摘要

混凝土是指膠凝材料將集料膠結成整體的工程復合材料的統稱(即:以水泥為主要膠凝材料,與集料和水,必要時摻入化學外加劑和礦物摻合料,按適當比例配合,經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的人造石材)。集料在混凝土中具有重要的作用,膠凝材料與細集料合成砂漿體填充粗集料孔隙形成的密實結構,集料構成了混凝土中的強度骨架,集料的材質、強度、顆粒級配、最大粒徑、含泥量、砂率、針片狀、量化關系等都會對混凝土工作性能產生不同程度的影響。本文從集料的顆粒級配方面分析對混凝土工作性能產生的影響。

 

    建筑工程每年數十億噸骨料的使用導致優質天然骨料的銳減及市場價格的提高,致使眾多商混企業將目光轉移到了再生骨料、低品質骨料、冶金渣骨料等。由于再生骨料的后續處理成本高、易給混凝土帶來性能影響等,商混企業更易選擇不需要處理或稍作處理的冶金渣骨料。目前使用較多的有鋼渣骨料[1]、礦渣骨料[2]、尾礦骨料[3]等。由于冶金渣骨料的成分復雜,具有堿活性及安定性不良等問題,造成工程上使用冶金渣后混凝土開裂的事故時有發生。本文針對兩例混凝土工程開裂事故,介紹骨料引起混凝土開裂的狀況、特點及判定過程,并給出了相關建議。

 

 

工程概況分析

 

 

    工程案例一:某保障房工程建成后一年內發現其多層樓板發生鼓包、散點式爆裂破壞,剝離開裂表層見有黑色松散型、多孔骨料,且隨著時間的推移,破壞情況越來越嚴重。典型的破壞見圖1。


a鼓包                 b散點式剝落                c黑色酥松骨料
圖1 某工程樓板開裂照片

a 梁開裂                 b 5層樓板開裂             c 柱爆裂
圖2 某工程梁、板、柱嚴重開裂照片

    工程案例二:某5層框架結構建筑物,主體建成后半年內,梁、板、柱均不同程度出現脹裂、表層剝落,尤其柱子發生大面積剝落,剝落處見有鐵銹色骨料,質地較軟、結構酥松、多孔,開裂以骨料為中心向四周輻射。受雨水的影響,頂層的樓面和梁開裂最為嚴重,見圖2。由于主體施工結束后,在雨水的作用下,表層混凝土剝落、開裂問題逐漸顯現,該建筑的施工被迫停止。隨著時間的推移,問題越來越嚴重。總體上,頂層最嚴重,越往下暴露出來的問題相對減輕。剝落開裂的具體情況與骨料顆粒的大小、骨料在樓板、梁、柱中所處的位置、環境濕度等有關。通常,骨料越靠近構件表面處,開裂較小;骨料尺寸較大、所處柱內部距離越深,開裂越嚴重。圖2b中,沿著水跡的地方,都出現了開裂;圖2c 中,由于骨料較大,且處于柱位置較深處,導致約占柱斷面尺寸的1/3面積完全酥掉。

 

 

問題分析

 

 

     從上述破壞特征可以看出,破壞是由于使用了不合格的骨料所致。骨料在遇水或有濕氣的環境中發生了膨脹性的化學反應,產生了較大的膨脹應力,將周邊混凝土撐開,導致表層砂漿的剝落,而骨料自身則因發生化學反應后變得酥松、多孔。這種破壞往往有一個過程,多在混凝土澆筑半年至一年后發生。從骨料的鐵銹色可以初步推斷該骨料或為鋼渣骨料。

    將現場黑色酥松骨料取樣進行了掃描電子顯微鏡(SEM)測試與X射線能譜(EDS)分析,結果分別見圖3和圖4。將該骨料分別放大100倍、500倍、5000倍和12000倍發現,該樣品表面有大量的孔洞,結構較為疏松,5000倍、12000倍放大的圖片中可以發現有凝膠狀水化產物的物質出現,表明其可能與水泥漿體發生了一定程度的化學反應,也說明該骨料礦物成分中含有可水化的礦物或者可以參與火山灰反應的成分。

 

圖3 酥松骨料SEM照片

圖4 骨料EDS能譜分析圖

    對圖3中點1進行了能譜分析,進一步確定其化學組成。從能譜結果圖4可以看出,該處主要元素為鈣、硅、鋁和氧等,其中含有少量的Mg及其他的一些微量元素。
    從該骨料表面具有鐵銹顏色、多孔[4]、該樣品表面具有可水化礦物或可參與火山灰反應的成分、該骨料中含有鈣、硅、鋁、氧、鎂等元素及該骨料可以產生體積膨脹等可推斷該骨料為鋼渣骨料。后經與混凝土供應商核實,兩個工程案例中均摻加了一定量的鋼渣。

 

 

鋼渣作為混凝土骨料的安定性問題

 

 

    鋼渣作為骨料,其安定性問題突出,受多種因素的影響。鋼渣中通常含有游離氧化鈣和游離氧化鎂。游離氧化鈣f-CaO與水反應生成Ca(OH)2,體積增大1.98倍,該部分CaO經過1600℃高溫煅燒,結晶良好水化速率緩慢,這是產生鋼渣體積穩定性不良的主要物質;游離氧化鎂f-MgO遇水反應生成Mg(OH)2,過程較慢、體積增大2.48倍。此外,鋼渣中的硫化亞鐵、硫化亞錳也可以導致體積膨脹,硫含量大于3%時,其水化分別生成Fe(OH)2和Mn(OH)2,體積分別增大1.4倍和1.3倍[5]

    另外,鋼渣的安定性還與鋼渣的冷卻方式(急冷、慢冷)有關。一般鋼渣都是緩慢冷卻下來的,它們結晶后會生成游離的CaO,如果通過急冷的手段對鋼渣進行處理,就不會產生游離的CaO與其它的結晶氧化物,而這就從根本上解決了鋼渣細骨料體積穩定性不良的問題[6]。鋼渣預處理工藝不同,其安定性也可能不同。鋼渣經濕水或經一段時間的自然存放后,f-CaO含量降低,安定性問題將有所緩解[7]。但在實際堆放過程中,往往新鮮鋼渣堆放在最外層,因而在使用前自然存放的時間往往最短,因此,安定性問題最嚴重。

 

 

工程中使用鋼渣作骨料帶來的危害

 

 

    如前所述,工程中使用鋼渣作為骨料會導致在鋼渣骨料周圍混凝土的剝落、開裂的問題。鋼渣中的游離氧化鈣、氧化鎂等與水反應的速度和程度受到骨料周圍提供水份的多少、骨料的大小、周邊約束大小、骨料在構件中的深度、環境溫度等等多重復雜因素的影響,因此,由膨脹反應導致的開裂出現的時間、嚴重程度、以及最終反應完成的時間都具有很大的不確定性,且難以預測。此外,由于鋼渣骨料是分布于混凝土中,只要是使用了鋼渣的混凝土,鋼渣處最終都會發生膨脹破壞,因此,這種分散的骨料引起的破壞最終會導致結構的整體破壞。這種形式的破壞,甚至加固都沒有任何意義,最后只能拆除。

 

 

鋼渣的預處理

 

 

    由于鋼渣骨料的安定性不良問題,在工程中是嚴禁使用未經處理并檢驗合格的鋼渣的。如果需要使用鋼渣,必須在使用前進行預處理,并經安定性檢驗合格后方可使用。常用的預處理方法有:

    1)陳化、消解:陳化處理是消除鋼渣中膨脹組分的最簡單有效也是最常用的方法,此舉不但能降低f-CaO含量,而且能使硫化鈣遇水生成的不穩定高價硫離子氧化。但陳化時間較長,需要大面積的堆放場地,容易對渣場環境造成污染[8]
    2)直接風化或者經振動篩、圓筒篩處理并經高壓水槍沖洗掉表面雜質后再風化,此方法同樣時間較長,約需要一年時間[9]
    3)碳化處理:為降低骨料陳化、風化時間,可將長時間浸水鋼渣骨料烘干,并置于70℃、-0.3MPa負壓反應容器中,并引入CO2氣體,直至氣壓達到0.3MPa[10],此方法雖然時間較短,但過程處理成本較高。
    4)蒸汽或蒸壓處理:8h-12h熱水、蒸汽處理或者3h×2.0MPa蒸壓處理[11]。此過程同樣成本較高。

 

 

結論

 

 

     本文所列舉的兩個工程案例中的混凝土質量事故均是由于使用了鋼渣替代部分骨料造成的。雖然理論上鋼渣骨料經過預處理后可以應用到混凝土中,但是在實際操作中容易出現預處理過程較短、骨料中f-CaO陳化消解不完全等現象。因此,在鋼渣骨料預處理措施不甚完善的條件下,不建議使用鋼渣作為骨料。同時,為降低混凝土生產成本,混凝土企業使用的骨料來源、種類琳瑯滿目,這給建筑物帶來了安全質量隱患,因此,對于建設主管部門,一方面要加強質量監督,另一方面對于確實可以使用的材料,要及時出臺相關規范、標準以指導生產。

參考文獻
[1] 尚建麗, 刑琳琳. 鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區的研究[J]. 建筑材料學報, 2013, 16 (2) :217-220.
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[3] 陳家瓏. 尾礦做建筑用骨料的應用研究[A]. 提高全民科學素質、建設創新型國家——2006中國科協年會論文集(下冊)[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] 杜憲文. 鋼渣應用于道路工程的研究[J]. 東北公路, 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] 宋堅民. 轉爐鋼渣穩定性探討[J].冶金環境保護,2001,(1): 53-57.
[8] 張同生, 劉福田, 王建偉, 等. 鋼渣安定性與活性激發的研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 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:張亞梅  李保亮 
信息來源:混凝土第一視頻網

發布日期:2018-4-13 16:55:37  已經瀏覽 1077 次
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