配重型回填、废料利用：:抗浮沉钢渣

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钢渣是一种铁矿物经高温冶炼后形成的残留物，在温度1500～1700℃下形成，高温下呈液态，缓慢冷却后呈块状。由于钢渣自身的工程性质，它在公路、水利以及农业等领域得到了广泛的应用，但在建材领域应用率低的原因主要是其安全性问题。因所含游离钙、镁氧化物与水或湿气反应转化为氢氧化物，致使渣块体积膨胀而碎裂；有时因所含大量硅酸二钙在冷却过程中(约为675℃时)由β型转变为γ型而碎裂。而且钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。加之钢渣结构的特殊性，其活性相对较低且激发困难。因此，比起高炉矿渣、粉煤灰等工业废渣，钢渣始终没有在建材领域大规模利用。作为一种达到一定容重要求的配重型回填材料，目前的技术工艺还不很成熟，对于它与其它材料的配比，怎样既能达到设计要求又保证方便快捷的进行施工操作，包括它的拌制、路面运输、下料、回填工艺等等，均是在工程中需解决的难题。
        目前，国外钢渣平均利用率已达65%，德国利用率已高达93%。根据联合国对欧美等发达工业国家的调查，这些国家钢渣50%用于道路工程。美国最高为90%、前苏联国83.7%、日本70%。我国对钢渣处理利用的研究始于20世纪50年代末，60年代有了一些发展，70年代前后对钢渣处理工艺进行了广泛的探讨试验及生产实践，取得了宝贵经验。
        在奥运工程中，部分奥运场馆处于地下水位较高区域，建筑结构自重不足以抵消地下水浮力影响，地下工程抗浮需要在工程结构内部增加大量配重以抵抗地下水的浮力，对此进行了结构抗浮设计。以往工程采用级配砂石、灰土或混凝土等材料进行配重回填，需要大量开采天然砂石料，不利于环境保护。在奥运场馆建设中，采用钢渣代替传统材料进行回填。这些钢渣全部取材于首钢炼钢过程中产生的废弃多年、堆积如山的炼钢废渣，将钢渣粉碎分级后制成人工沙代替天然沙子，级配钢渣容重在2.3-2.4 吨／立方米，采用先进技术解决钢渣的选料、粉化及其他安全性问题，在解决建筑物抗浮问题的同时，使首钢废钢渣变废为宝，并有效节约了土地资源。
        如国家体育馆采用钢渣代替传统的砂石、混凝土等材料配重回填，回填面积达1.5万余平方米，平均厚度2米。奥运中心区地下工程级配钢渣和石灰粉煤灰钢渣总用量约98万吨；地下商业工程级配钢渣利用量约72万吨；地下交通联系通道在基础底板和道路路面之间回填级配钢渣抗浮，利用级配钢渣约11万吨；道路基层采用和石灰粉煤灰钢渣，道路基层总量约6万吨；地下车库钢渣总利用量约9万吨。初步统计共利用废弃钢渣约200万吨，节约约200万吨砂石料。并在施工中严格检测和控制回填废钢渣的技术和环保标志（如放射性指标等），确保符合国家标准规范的要求。
1.钢渣的特性
        钢渣是炼钢后排除的废渣，主要是指平炉和转炉钢渣存放一年以上，用以代替碎石作为基层材料。钢渣呈灰褐色，量蜂窝状或密实的状态，质地较为坚硬。主要成份及物理性能见下表。

钢渣的物理力学性质

类别	松容重（kg/m3）	比重	吸水率（%）	块体抗压强度（MPa）	压碎率（%）
平炉渣	1500	3.3	1.28	39.2	＞28
合钢渣	～1800	～3.5	～3.42	～78.4	＞28
转炉渣	1500	3.3	0.54	88.2	＞26
合钢渣	～1800	～3.6	～3.16	～78.4	＞26

钢渣材料主要成份

渣期	成分	备注
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	MnO	FeO	Fe2O3	P2O5	S
前期渣	25－30	35－45	5－15	2－6	0－7	5－15		1－2	0－0.5	转炉
前期渣	20－30	20－33	4－10	1－2	2－10	15－35	1－5	0.5－5	0－0.1	平炉
后期渣	10－30	25－60	2－15	2－10	0－15	5－40	1－7	1－5	0－0.2	转炉
后期渣	13－14	21－50	7－20	4－10	0.5－10	8－15	1－7	0.5－4	0－0.2	平炉

（1）板体性
        在钢渣施工中，经过摊铺、整平、洒水、碾压一系列工序后，化学反应使钢渣分子结构重新组合，从而使处于松散状态的钢渣颗粒凝聚成牢固的整体，达到较高的强度。
（2）整体强度高
        钢渣在自然环境的作用下，经过一段时间后板结成一块不可分割的整体，其强度随着水化反应的进行而不断提高，钢渣本身具有一定的级配，钢渣颗粒形成骨架一密实结构，由于钢渣本身强度很高，使得钢渣骨架具有一定的强度。在钢渣颗粒之间，活性 CaO在混合料中的水环境下进行离子交换等一系列的物理化学反应，使钢渣颗粒间形成混乱的空间网状联结，且联结的强度和刚度增强，从而使钢渣混合料具有较高的强度。
（3）定性好
        经过长时间分解稳定后的钢渣，有着较好的水稳性，这对防止面层隆起、开裂有着很好的作用。另外，钢渣还有较好的抗冻性能。
3.钢渣混合料的组成及配合比设计
        工程所采用的钢渣混合料是按照试验配比由钢渣加入少量水泥和粉煤灰组成。其密度、含水率、放射性等各项技术指标均符合国家规范要求，其材料要求如下。
（1）材料要求
①回填用钢渣必须具备下列条件：
        出炉后露天堆放时间一般为2一6个月，不再自行分解(粉化)，呈灰色块状，方能使用。最大颗粒约为底基层压实厚度的0.07倍，大于lOcm。
②粉煤灰
        要求使用的粉煤灰它的化学成分中SiO2，和Al2O3，总量一般应大于70%，在700℃时的烧失量一般应不大于10%。粉煤灰宜采用较粗颗粒；细颗粒粉煤灰的活性较好，对混合料的加固较为有利，但对水的敏感性较强，有时会增加施工困难。过湿的粉煤灰应堆高沥干，过干的粉煤灰应洒水以防飞扬。
（2）钢渣混合料配合比
        如何选定恰当的配合比，做到即保证达到各项回填指标要求，确保回填钢渣的质量，又能够最大限度的节约水泥、充分利用钢渣，从而最大限度的节约成本，变废为宝，是整个钢渣回填工程成败的关键点。通过试验得知，粉煤灰最大干密度与最佳含水量变化很大，因而应根据不同来源的粉煤灰试制不同的配合比。粉煤灰的击实曲线相对比较平缓，而且粒径愈粗其击实曲线更为平缓，这个特点扩大了达到预定压实要求所需的含水量范围，利于施工。通过进行试配可在最佳密实度范围内尽可能最大限度地利用工业废弃物，选择水泥用量最少、钢渣粉煤灰含量相对较大的配比做为施工应用。国家体育馆工程采用的钢渣混合料其配比为水泥4.5%、粉煤灰15%、级配钢渣85%。
（3）钢渣混合料的特性
        钢渣质地较为坚硬，与水泥、粉煤灰按适当配比和级配要求，在最佳含水量下经拌合均匀碾压成型结硬；具有较好的板体性、水稳定性，较高的力学强度和一定的耐冻性，在正常的温度、湿度和一定时间内，强度随龄期而增长，7d无侧限抗压强度可达3.5MPa以上。缺点是会发生一定程度的收缩裂缝。但和粉煤灰结合使用，可降低混合料的绝热温升和改善和易性，有利于防止裂缝的发生。用作垫层或基层适宜在常温下施工，并应在冰冻期前半个月至一个月结束施工。
        为做好结构抗浮，解决钢渣混合料的施工难点，国家体育馆项目工程技术人员从钢渣混合料配合比设计、回填工艺控制、场内运输方案等方面采取可靠的技术措施，取得了良好的实施效果。经现场取样试验证实（核子密实仪检验），完全达到了设计的容重要求，有效的提高了结构的抗浮能力，保证了回填密实度要求，掌握和积累了钢渣混合材料的质量控制和施工经验，为今后的应用提供了宝贵的经验。