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引言
钢渣是炼钢过程中排放出的主要废渣，是一种工业固体废弃物。目前，我国钢渣尾渣利用率仅为25%～30%。从上世纪90年代初至今，累计堆存钢渣尾渣近20亿吨，大量钢渣废弃堆积，造成了环境污染、土地占用和资源浪费。合理利用钢渣既能变废为宝，解决目前一些河砂短缺的问题，又利于环境保护，因此钢渣的资源化利用意义重大。
但钢渣的化学成分波动大，易磨性差，且含有游离氧化钙和游离氧化镁，遇水发生水化反应产生体积膨胀，体积稳定性差，给我国钢渣的资源化利用造成了一定的困难，导致我国钢渣总体利用率偏低。另一方面，在某些工程中为了降低成本不恰当地使用钢渣作骨料导致了很多严重的事故。本文对国内外已有的钢渣骨料体积稳定性试验方法相关标准进行了梳理，并探讨了一种测钢渣膨胀力的体积稳定性检测新方法。
1 国内外钢渣作骨料利用现状
欧美、日本等发达国家，为提高钢渣的利用率很早就建立起评价钢渣安定性的标准和检验方法，实现了较高的钢渣利用率。目前，将钢渣运用到地基基础和道路工程中在大多数发达国家已经成功实现。瑞典将钢渣年产量的50%作为混凝土骨料用于道路工程中。20世纪以来我国研究钢渣骨料用作建材制品，在道路修筑和工程回填中均出现开裂，而在建筑结构工程中发生的问题更为严重，例如，某在建小区建设过程中采用了钢渣作为混凝土细骨料，结果局部混凝土梁、板、柱出现混凝土鼓包、掉块现象（如图1所示）。
任强、张亚梅等分析了钢渣代替部分骨料引起工程中混凝土严重开裂的案例，不建议钢渣作骨料未经任何安定化处理就在混凝土中使用。工业废渣综合利用的前提是至少要确保土木工程质量与安全，钢渣粉安定性合格不代表钢渣骨料安定性合格，钢渣骨料的安定性离散性非常大，因此将钢渣用作混凝土骨料要非常慎重，使用前需在各个方面进行更加严格的安定性检测。
2 国内外钢渣骨料稳定性检测方法
目前，国外主要研究钢渣作为大宗骨料资源，用于道路工程、混凝土砖等。欧美、日本都采用检测钢渣膨胀率（浸水膨胀率、压蒸膨胀率）的试验方法，检验道路工程、混凝土砖用钢渣的安定性。
2.1 国外钢渣骨料稳定性试验方法
欧洲规范BS EN 13242:2013《用于土木工程和道路建设的未粘结和水硬粘结材料的骨料》包括了对天然骨料、钢铁渣和再生骨料在土木工程和道路建设中的具体要求，例如如何处理某些玄武岩的稳定性及某些渣的膨胀等。该规范中6.5.2.3条对钢渣在道路建设中作骨料时的体积稳定性进行了规定。其中，钢渣体积稳定性按照BS EN 1744-1《骨料化学性能试验第1部分：化学分析》中测定钢渣体积膨胀率的方法进行。当钢渣的膨胀率不超过3.5%时，可在道路工程中用作骨料，在路基、沥青路面等中使用。美国试验与材料学会American Society for Testing and Materials（ASTM）编制的D5106-2003《沥青筑路混合料用钢渣集料标准规范》中规定了沥青铺装混合料的粗、细钢渣碎骨料的稳定性检测方法，另外，该规范规定了检测钢渣稳定性的试验方法也是测浸水膨胀率的方法，由D 4792-2006《水化反应引起的骨料潜在膨胀的标准试验方法》提出。
日本工业规格Japanese Industrial Standards（JIS）编制的JIS A 5015-1992《道路用钢铁炉渣》和JIS A 5011-4-2003《混凝土用矿渣集料第4部分：电弧炉氧化矿渣集料》，这两部标准适用于检验用于道路用基层材料和沥青路面集料用钢渣骨料的体积稳定性，并规定了钢渣的浸水膨胀率不超过2.0%时，可在道路工程中用作骨料，在路基、沥青路面等中使用。
2.2 国内钢渣骨料稳定性试验方法
目前，我国钢渣作骨料主要用于道路用基层材料、沥青路面集料、工程回填混凝土砌块砖和预拌砂浆等，涉及到的相关标准有GB/ T 24175-2009《钢渣稳定性试验方法》、GB/T25824-2010《道路用钢渣》、YB/T4187-2009《道路用钢渣砂》、YB/T 4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》、GB/T 24763-2009《泡沫混凝土砌块用钢渣》、YB/T 4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》、GB/T 32546-2016《钢渣应用技术要求》。以上标准中提到的钢渣骨料稳定性检验的试验方法主要有浸水膨胀率法、压蒸粉化率法和压蒸膨胀率法。
浸水膨胀率法主要适用于钢渣作粗、细骨料用于道路基层材料、沥青路面集料；压蒸粉化率、压蒸膨胀率法主要适用于钢渣作建筑砂浆细骨料、混凝土砖和砌块细骨料。压蒸粉化率法适用于混凝土砌块砖等建材制品及普通预拌钢渣砂浆中钢渣稳定性的检测，此方法通过压蒸使钢渣中的f-CaO和f-MgO消解粉化，通过测定粉化率来评定钢渣的稳定性。但涉及到该方法的一些标准，例如YB/T 4201-2009受到了一些专家的质疑：工程中使用了满足该标准的钢渣砂，却导致了事故，压蒸粉化率指标是否科学？究其原因，满足该标准的钢渣砂可以在普通预拌砂浆中安全应用，但某些施工方错误解读该标准，将钢渣砂作细骨料生产普通混凝土，导致安全问题。
目前国内标准还没有钢渣作骨料用于混凝土构件的体积稳定性检测方法，工程中滥用错用钢渣标准的现象屡见不鲜。
2.3 国内外钢渣稳定性检测方法比较
欧美、日本和中国钢渣的稳定性检测方法标准对比见表1。
由表1可以看出：国外主要研究钢渣用于道路工程基层材料、沥青路面集料等，采用的方法多为测钢渣的浸水膨胀率，我国也参考日本钢渣体积稳定性检测方法制定了浸水膨胀率的检测标准，另外有些方法，如压蒸粉化率方法、压蒸膨胀率方法，适用于砂浆骨料、混凝土砌块砖等建材制品中钢渣稳定性的检测。缺乏用于检测钢渣用作普通混凝土骨料的试验方法。
3 钢渣膨胀力检测试验方法
3.1 技术背景
综上可知，在道路工程方面，目前国内外的钢渣骨料稳定性试验方法适用于道路工程基层材料、沥青路面集料；在建筑工程方面，一些稳定性检测方法仅用于混凝土砌块砖等方面，而对土木最重要的混凝土材料，缺乏一种定量描述在结构混凝土这类刚性基体的限定边界条件下，检测钢渣膨胀特性的试验方法，下文就此种方法进行探讨。钢渣作为粗、细骨料用于刚性基体中，钢渣中的膨胀颗粒被基体限定且体积不能发生较大改变，此时钢渣体积膨胀会使混凝土内部受到膨胀力而发生破坏。考虑和测量钢渣在水化反应过程中产生的的膨胀力，就要设计一个装置测量钢渣产生的膨胀力，将测得的膨胀力和基体材料的抗拉强度联系起来，建立起钢渣在受限条件下使用的可用性准则，以此来评估钢渣能否安全用在混凝土中。
3.2 试验原理
将钢渣置于刚性容器中，且体积膨胀受到完全约束，由于钢渣的水化过程相对较低，将刚性容器置于（80±3）℃水浴加热条件下加速水化反应的进行，这个温度范围提供了加速钢渣水化反应的环境，同时也避免了由于蒸发造成的快速失水。将钢渣样品按相关击实标准击实，尽量减少颗粒间的空隙。将水浴加热装置和装有钢渣样品的模具放置在反力架装置的的底板上。在刚性容器和反力架装置的顶部之间安装了一个灵敏的测压元件。试验开始时，施加大约10N的初始预载荷，这是为了确保顶部和刚性容器之间有足够的支撑力。另外，每天加水以补偿蒸发的水分。随着钢渣水化反应的进行，其内部会产生膨胀力，运用力学传感器测试得到该容器体积下钢渣产生的总膨胀力。试验装置示意图如图2所示。
3.3 试验结果及分析
目前笔者根据测试原理试制了膨胀力测试装置（如图3所示），以风淬钢渣砂为试验对象，进行了A、B两组膨胀力检测试验，以观察风淬钢渣砂的膨胀力发展趋势，试验结果见表2、图4。
由表2和图4可知，（1）风淬钢渣砂的膨胀力在前4d内急剧上升，随后在5～10d内呈阶梯状上升然后增长减缓，在10～14d内趋于稳定；（2）风淬钢渣砂在80℃高温水浴加热条件下，14d内可以水化反应完全。
以上只是根据测试原理尝试制作了膨胀力检测装置，并进行了初步测试，由试验过程和试验结果来看目前试制装置还存着很多问题，如力学传感器测试精度需要进一步确定，水分蒸发也要进一步改善等问题，这些问题后续需要通过大量试验和理论研究去解决。
4 结语
迄今为止，国内外还没有将钢渣作粗、细骨料大量用于混凝土结构工程（梁、板、柱等）的成功案例，这是因为钢渣作骨料用于混凝土时的体积稳定性问题并没有得到彻底解决。国内外还没有一套完整的、科学的针对钢渣作粗、细骨料用于混凝土结构工程的体积稳定性检测方法，这一问题仍然影响着钢渣的大规模资源化利用。
钢渣在受限条件下的适用性取决于给定体积钢渣产生的总膨胀力、单个钢渣颗粒的膨胀应力以及使用钢渣基体的抗拉强度。测试钢渣膨胀力的方法是否有助于评估和决定钢渣能否安全用于具有约束应力的砂浆、混凝土，还需要进行以下工作：（1）推导出钢渣总膨胀力和单个钢渣颗粒产生的膨胀力之间的关系；（2）建立由于钢渣颗粒膨胀引起的混凝土破坏的适用模型；（3）在上述研究基础上编制钢渣能否作为普通混凝土骨料的检验评价标准，为实际应用提供参考依据。
