建筑工程每年數十億噸骨料的使用導致優(yōu)質(zhì)天然骨料的銳減及市場(chǎng)價(jià)格的提高，致使眾多商混企業(yè)將目光轉移到了再生骨料、低品質(zhì)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(lái)性能影響等，商混企業(yè)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(wèn)題，造成工程上使用冶金渣后混凝土開(kāi)裂的事故時(shí)有發(fā)生。本文針對兩例混凝土工程開(kāi)裂事故，介紹骨料引起混凝土開(kāi)裂的狀況、特點(diǎn)及判定過(guò)程，并給出了相關(guān)建議。

    工程案例一：某保障房工程建成后一年內發(fā)現其多層樓板發(fā)生鼓包、散點(diǎn)式爆裂破壞，剝離開(kāi)裂表層見(jiàn)有黑色松散型、多孔骨料，且隨著(zhù)時(shí)間的推移，破壞情況越來(lái)越嚴重。典型的破壞見(jiàn)圖1。

a鼓包                 b散點(diǎn)式剝落                c黑色酥松骨料
圖1 某工程樓板開(kāi)裂照片

a 梁開(kāi)裂                 b 5層樓板開(kāi)裂             c 柱爆裂
圖2 某工程梁、板、柱嚴重開(kāi)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(fā)生大面積剝落，剝落處見(jiàn)有鐵銹色骨料，質(zhì)地較軟、結構酥松、多孔，開(kāi)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(kāi)裂最為嚴重，見(jiàn)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(kāi)裂問(wèn)題逐漸顯現，該建筑的施工被迫停止。隨著(zhù)時(shí)間的推移，問(wèn)題越來(lái)越嚴重�？傮w上，頂層最嚴重，越往下暴露出來(lái)的問(wèn)題相對減輕。剝落開(kāi)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(huán)境濕度等有關(guān)。通常，骨料越靠近構件表面處，開(kāi)裂較��；骨料尺寸較大、所處柱內部距離越深，開(kāi)裂越嚴重。圖2b中，沿著(zhù)水跡的地方，都出現了開(kāi)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。

     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(huán)境中發(fā)生了膨脹性的化學(xué)反應，產(chǎn)生了較大的膨脹應力，將周邊混凝土撐開(kāi)，導致表層砂漿的剝落，而骨料自身則因發(fā)生化學(xué)反應后變得酥松、多孔。這種破壞往往有一個(gè)過(guò)程，多在混凝土澆筑半年至一年后發(fā)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(chǎng)黑色酥松骨料取樣進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）測試與X射線(xiàn)能譜（EDS）分析，結果分別見(jiàn)圖3和圖4。將該骨料分別放大100倍、500倍、5000倍和12000倍發(fā)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(fā)現有凝膠狀水化產(chǎn)物的物質(zhì)出現，表明其可能與水泥漿體發(fā)生了一定程度的化學(xué)反應，也說(shuō)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(diǎn)1進(jìn)行了能譜分析，進(jìn)一步確定其化學(xué)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(chǎn)生體積膨脹等可推斷該骨料為鋼渣骨料。后經(jīng)與混凝土供應商核實(shí)，兩個(gè)工程案例中均摻加了一定量的鋼渣。

    鋼渣作為骨料，其安定性問(wèn)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(jīng)過(guò)1600℃高溫煅燒，結晶良好水化速率緩慢，這是產(chǎn)生鋼渣體積穩定性不良的主要物質(zhì)；游離氧化鎂f-MgO遇水反應生成Mg(OH)₂，過(guò)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(shí)，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(guān)。一般鋼渣都是緩慢冷卻下來(lái)的，它們結晶后會(huì )生成游離的CaO，如果通過(guò)急冷的手段對鋼渣進(jìn)行處理，就不會(huì )產(chǎn)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(wèn)題^[6]。鋼渣預處理工藝不同，其安定性也可能不同。鋼渣經(jīng)濕水或經(jīng)一段時(shí)間的自然存放后，f-CaO含量降低，安定性問(wèn)題將有所緩解^[7]。但在實(shí)際堆放過(guò)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(shí)間往往最短，因此，安定性問(wèn)題最嚴重。

    如前所述，工程中使用鋼渣作為骨料會(huì )導致在鋼渣骨料周?chē)�混凝土的剝落、開(kāi)裂的問(wèn)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?chē)�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(huán)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(kāi)裂出現的時(shí)間、嚴重程度、以及最終反應完成的時(shí)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(huì )發(fā)生膨脹破壞，因此，這種分散的骨料引起的破壞最終會(huì )導致結構的整體破壞。這種形式的破壞，甚至加固都沒(méi)有任何意義，最后只能拆除。

    由于鋼渣骨料的安定性不良問(wèn)題，在工程中是嚴禁使用未經(jīng)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(jìn)行預處理，并經(jīng)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(jiǎn)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(jià)硫離子氧化。但陳化時(shí)間較長(cháng)，需要大面積的堆放場(chǎng)地，容易對渣場(chǎng)環(huán)境造成污染^[8]。
    2）直接風(fēng)化或者經(jīng)振動(dòng)篩、圓筒篩處理并經(jīng)高壓水槍沖洗掉表面雜質(zhì)后再風(fēng)化，此方法同樣時(shí)間較長(cháng)，約需要一年時(shí)間^[9]。
    3）碳化處理：為降低骨料陳化、風(fēng)化時(shí)間，可將長(cháng)時(shí)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(shí)間較短，但過(guò)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(guò)程同樣成本較高。

     本文所列舉的兩個(gè)工程案例中的混凝土質(zhì)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(jīng)過(guò)預處理后可以應用到混凝土中，但是在實(shí)際操作中容易出現預處理過(guò)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(shí)，為降低混凝土生產(chǎn)成本，混凝土企業(yè)使用的骨料來(lái)源、種類(lèi)琳瑯滿(mǎn)目，這給建筑物帶來(lái)了安全質(zhì)量隱患，因此，對于建設主管部門(mén)，一方面要加強質(zhì)量監督，另一方面對于確實(shí)可以使用的材料，要及時(shí)出臺相關(guān)規范、標準以指導生產(chǎn)。

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作者：張亞梅  李保亮 
信息來(lái)源：混凝土第一視頻網(wǎng)