实际工程中混凝土中钢渣的水化反应分析及活性激发

　　[摘 要]根据一栋新建高层住宅发生混凝土爆裂的实际工程，介绍了爆裂处混凝土的外观变化和物理特性，并对脱落的混凝土做了化学成分分析，结论是混凝土中掺入了未经处理的钢渣骨料，主要是钢渣中f-CaO和f-MgO的缓慢水化反应，并分别产生1.98倍和2.48倍的体积膨胀。本文分析了钢渣中f-CaO和f-MgO水化反应缓慢的原因及其体积膨胀机理。为了更好的利用钢渣这一二次资源，并响应国家战略转型和“美丽中国”建设的号召，提高钢渣的水化速率，做到让其在混凝土凝固之前完成水化及体积膨胀，则不会造成混凝土成品的爆裂，同时可以采用化学激发钢渣活性的方法，激发钢渣的胶凝特性，把钢渣用作水泥掺合料。
　　[关键词]钢渣；游离氧化钙；游离氧化镁；水化反应；体积膨胀；活性激发
　　中图分类号：S543 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0306-04
　　0.引言
　　钢渣是钢铁企业炼钢过程中产生的废料。我国是一个产钢大国，同时也是钢料。我国是一个产钢大国，同时也是钢渣的生产大国，据2014年统计：2013年我国钢渣产生量1亿吨左右，我国钢渣累积堆存近10亿吨，综合利用率仅为10%。而且大量的钢渣堆放不仅占用大量土地资源而且造成环境污染，同时钢渣是很好的二次资源，日本、美国几乎可以做到钢渣的100%有效利用[1-2]，欧洲也可以让65%的钢渣得到高效率的利用[3]，为响应国家发展战略转型和“美丽中国”建设，国家对钢渣的再利用已经提升到国家发展战略的高度，现阶段很多混凝土搅拌站会把钢渣用作混凝土的粗骨料，但钢渣的安定性问题会给混凝土的后期强度带来隐患，掺钢渣的混凝土结构在后期使用中出现爆裂的例子也不胜枚举。
　　1.工程概况
　　某建筑物地下3层，地上30层，-2、-3层为人防工程或储藏室，-1层为商业，1～4层为配套商业，5～30层为住宅，总高度为92.3米，总建筑面积为43560.61平方米。2015年01月开始施工基础，2016年05月主体结构施工完成，2016年8月底建設单位发现该工程混凝土构件出现大范围混凝土爆裂现象。爆裂位置呈散点状分布。爆裂点处混凝土鼓包或脱落，爆裂点中心为已粉化的粗骨料，粒径大小约5～35mm，颜色主要有黑褐色、浅绿色，少量为白色，一经触碰，粉末状物质即脱落，爆裂以骨料为中心向四周辐射。混凝土爆裂深度、尺寸与爆裂点处粉化的骨料粒径大小及深度有关，粒径越大、距表面深度越大，爆裂情况就越严重些，爆裂部位平面尺寸约10～150mm，中心位置深度约2～20 mm。
　　该工程被委托给专业检测鉴定单位对混凝土的爆裂进行检测鉴定。检测结果是混凝土爆裂是由于使用了不合格的骨料所引起的。骨料在遇水或有湿气的环境中发生了膨胀性的化学反应，产生较大的膨胀应力，将周边混凝土撑开，导致表层混凝土开裂、剥落，而骨料自身则因发生化学反应后变得酥松。工程现场同时发现，在楼板上洒水的楼层，爆裂现象更严重些，在板底或梁底已进行腻子抹面的混凝土表面检查到的爆裂点相对较少，另外，检测过程中发现混凝土构件爆裂点数量仍不断增多。
　　从骨料表面颜色、多孔、样品表面具有可参与水化反应的矿物或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，检测鉴定人员给出结论，该混凝土骨料为钢渣骨料，碱度低的钢渣呈灰色，碱度高的呈褐灰色、灰白色，与现场爆裂混凝土的颜色基本一致。同时本次测试采用了快速水化反应试验来测定爆裂后的混凝土强度，试验发现C30混凝土蒸煮、蒸压后分别降低了18.3%和33.3%；C35混凝土蒸煮、蒸压后分别降低了14.6%和33.9%；C45混凝土蒸煮、蒸压后分别降低了12.3%和29.3%。说明钢渣骨料中的有害物质发生水化反应后会导致混凝土强度的显著降低，水化反应越充分，强度降低越多。
　　2 钢渣中Fe3+、Ca2+、Mg2+含量的测定
　　2.1 Fe3+含量的检测
　　邻二氮菲是测定铁的高灵敏、高选择性试剂，邻二氮菲分光光度法是测定微量铁的常用方法，在PH为2～9的溶液中，Fe2+与邻二氮菲生成稳定的橘红色配合物[Fe（phen）3]2+，摩尔吸光系数ε508=1.1x104L·mol-1·cm-1。Fe3+与邻二氮菲（phen）也生成配合物（呈蓝色），因此，在显色之前须用盐酸羟氨将全部的Fe3+还原为Fe2+。
　　测定前先将钢渣溶于硝酸，然后把溶液调成需要的PH值。测定试样中铁含量采用标准曲线法，先配制一系列浓度由大到小的标准溶液，在确定条件下依次测量各标准溶液的吸光度（A），以标准溶液的浓度为横坐标，相应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。将未知试样按照与绘制标准曲线相同的操作条件进行操作，测定出其吸光度，再从标准曲线上查出该吸光度对应浓度值即可算出被测试样中被测物的含量。
　　2.2 Ca2+、Mg2+含量的检测
　　可以采用水硬度测定的方法测定Ca2+、Mg2+的含量，第一步先测定Ca2+、Mg2+总量，第二部分别测定Ca2+、Mg2+的含量。测定Ca2+、Mg2+总量时，在PH=10的缓冲溶液中，以铬黑T为指示剂，用EDTA标准溶液滴定。因水样中可能含有Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+等微量杂质离子，所以用三乙醇胺、Na2S掩蔽之。
　　测定前先将钢渣溶于硝酸，然后把溶液调成需要的PH值。测定Ca2+时，先用NaOH调节溶液PH=12-13，使Mg2+生成难容的Mg（OH）2沉淀，加入钙指示剂与Ca2+配位成红色。滴定时，EDTA先与游离Ca2+配位，然后夺取已和指示剂配位的Ca2+，使溶液的红色变为蓝色即为终点。从EDTA标准溶液的用量可计算Ca2+的含量。根据以上两步即可算出Ca2+、Mg2+的含量。
　　3 检测结果分析
　　3.1 钢渣中f-CaO的水化反应膨胀机理

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