鋼渣混凝土研究現(xiàn)狀分析

楊 波 史 林

（1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051 2、中遼國際工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110015）

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等多種氧化物組成，主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量的游離氧化鈣及金屬鐵等。但是，鋼渣中各種成分的含量因煉鋼爐型、鋼種和每爐鋼冶煉階段的不同，有較大的差異，導(dǎo)致鋼渣的成分波動(dòng)較大，一直未能實(shí)際應(yīng)用。

調(diào)查表明，爐渣排放量約為鋼產(chǎn)量的15%-20%左右，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，占用了大量的土地，破壞了生態(tài)環(huán)境。為了有效地利用鋼渣、減少污染，將鋼渣作為混凝土集料制備鋼渣混凝土，能夠提高混凝土的性能，具有強(qiáng)度高、耐磨性和耐久性好、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。鋼渣混凝土還可以作為導(dǎo)電混凝土用于電工、電磁干擾屏蔽、工業(yè)防靜電、電力設(shè)備接地工程以及土木工程基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部應(yīng)力和健康狀況自診斷和檢測等工程中。

1 鋼渣混凝土的研究意義

目前，我國鋼鐵行業(yè)正在飛速發(fā)展，我國不僅是鋼鐵生產(chǎn)大國也是消費(fèi)大國，而鋼渣作為鋼鐵行業(yè)主要廢渣之一，每年的排放量也越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的鋼渣排放量在2000萬噸以上，但這些鋼渣的整體利用水平不高，大量廢棄鋼渣的排放不僅造成資源浪費(fèi)，而且占用土地，污染環(huán)境。現(xiàn)在，各產(chǎn)鋼國都已投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行鋼渣利用問題的研究。日本、美國的鋼渣利用幾乎達(dá)到100%[1，2]，歐洲65%的鋼渣已得到高效率的利用[3]，與發(fā)達(dá)國家相比，我國鋼渣的利用率卻很低，僅為10%左右[4]。研究表明，鋼渣中含有一定數(shù)量的水泥熟料的主要礦物C2S、C3S等，具備可用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件[5]。無論將鋼渣作為粗集料或是采用鋼渣粉配制的鋼渣混凝土，與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能均較好，而且鋼渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[6，7]。鋼渣中還含有具有半導(dǎo)體的性質(zhì)的FeO，因此可以作為導(dǎo)電組分制備導(dǎo)電混凝土，其成本遠(yuǎn)低于碳纖維、石墨等導(dǎo)電混凝土[8]。將工業(yè)廢渣鋼渣應(yīng)用于混凝土中制備成導(dǎo)電混凝土，不僅“變害為利，變廢為寶”為廢棄物資源化提供了很好的范例，而且保護(hù)了環(huán)境，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。

2 鋼渣混凝土的研究現(xiàn)狀

鋼渣在發(fā)達(dá)國家利用率相對(duì)較高，尤其是在日本和美國，基本做到排用平衡，得到了充分的利用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本2004年鋼渣總量13，410，000噸，其中26%用于回爐燒結(jié)料，其余74%鋼渣中有32%用于土木工程，26%用于道路工程。鋼渣中含有FeO，CaO和SiO2等化學(xué)成分，使鋼渣可以作為水泥摻合料；鋼渣具有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性使鋼渣可以作為路基材料用于道路工程中；鋼渣具有高強(qiáng)度和耐磨性，使鋼渣可以作為瀝青混凝土集料；加入鋼渣的混合料有較大的內(nèi)摩擦角，使得鋼渣可以應(yīng)用于土木工程中；鋼渣還可制成巖塊應(yīng)用于海堤工程中。此外，日本還將鋼渣當(dāng)作肥料來改良土壤性質(zhì)[1，9]。

在美國，鋼渣主要有以下用途：鋼渣作為集料配制混凝土用于道路或橋梁工程中；鋼渣作為水泥混合材；鋼渣用于改良土壤性質(zhì)；鋼渣作冶金爐料等[2]。與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度略高于普通混凝土，鋼渣混凝土還具有較高劈拉強(qiáng)度和彈性模量，但鋼渣混凝土干縮性能低于普通混凝土[10]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼渣混凝土具有較好的力學(xué)性能，在道路工程中應(yīng)用能達(dá)到預(yù)期效果[11]。

調(diào)查顯示，鋼渣在其他國家也得到了廣泛的利用。歐洲將鋼渣用于以下四個(gè)方面進(jìn)行深入的研究，分別為：水硬性膠凝劑，公路建設(shè)材料，肥料和公共設(shè)施。正是因?yàn)殇撛辛酥T多利用途徑，使得鋼渣得到了充分有效的利用[12]。在英國，鋼渣已經(jīng)成為一種副產(chǎn)品。在南非，鋼渣用于鋪設(shè)高速公路。在新西蘭，鋼渣不僅用于筑路和瀝青混凝土中，還可用于改善水質(zhì)。在維多利亞，鋼渣可以作為水泥摻合料配制混凝土，作為集料配制瀝青混凝土，還可以作為筑路材料[13]。在伊朗，鋼渣混凝土被作為鋪路材料使用[14]。希臘用鋼渣混凝土修筑海堤和海岸護(hù)坡[15]。

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在我國，近幾年來鋼渣的綜合利用受到了人們的重視。以下是我國關(guān)于鋼渣混凝土的研究。

混凝土外加劑和摻合料的發(fā)展是以現(xiàn)代水泥混合材的發(fā)展為基礎(chǔ)的，表1是我國有關(guān)鋼渣水泥的研究歷史概況[16]。

鋼渣不僅可以直接作為摻合料添加到混凝土中，將鋼渣磨細(xì)后形成的鋼渣粉也可作為混凝土摻合料，目前，鋼渣粉的研究還處于起步階段，并沒有在工程中大規(guī)模應(yīng)用。仲曉林[17]等于上世紀(jì)90年代初，將磨細(xì)鋼渣作為泵送混凝土摻合料進(jìn)行研究和應(yīng)用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入磨細(xì)鋼渣后混凝土的強(qiáng)度及耐久性等均有一定程度的提高，與水泥有很好的適應(yīng)性，這是我國首次將鋼渣粉作為混凝土摻合料的研究。通過不斷研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣細(xì)度提高可以顯著激發(fā)鋼渣的潛在活性。研究人員進(jìn)一步研究了磨細(xì)鋼渣對(duì)混凝土力學(xué)性能、安定性及耐久性的影響并配制出了C60強(qiáng)度等級(jí)高性能鋼渣混凝土[5]。研究結(jié)果表明鋼渣粉摻量在20%以內(nèi)時(shí)，鋼渣混凝土與素混凝土強(qiáng)度相差不大；當(dāng)摻量大于20%后，隨鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度均有不同程度的降低，磨細(xì)鋼渣粉在混凝土中使用無安定性問題[18]。孫家瑛[7]試驗(yàn)得出了鋼渣粉最優(yōu)摻量，即鋼渣微粉摻量為10%，此時(shí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高而且耐久能力最佳。研究人員通過研究還發(fā)現(xiàn)添加了礦渣的鋼渣混凝土具有較好的力學(xué)性能。張愛平、李永鑫（2006年）[19]通過試驗(yàn)得出當(dāng)鋼渣：礦渣為3：7時(shí)力學(xué)性能最好的結(jié)論。唐衛(wèi)軍,任中興等（2006年）[20]研究證實(shí)鋼渣-礦渣混凝土的工作性能良好。

近幾年，錢覺時(shí)，李長太等（2004年）[21]人在 D.D.L.Chung[22]和 Feldman,R.F.[23]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鋼渣混凝土導(dǎo)電性能的研究，分析了硅灰、粉煤灰對(duì)鋼渣混凝土導(dǎo)電性能的影響。隨后，唐祖全（2006年）等[24]研究了鋼渣摻量和鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土導(dǎo)電性的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)混凝土的電阻率隨著鋼渣摻量的增大和鋼渣粉磨細(xì)時(shí)間增長而降低，鋼渣混凝土的造價(jià)比碳纖維、石墨混凝土低而且力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高。賈興文，錢覺時(shí)等[8]進(jìn)一步研究了鋼渣混凝土的壓敏性，通過試驗(yàn)得到了最優(yōu)鋼渣摻量，即鋼渣：混凝土為1-4，此時(shí)鋼渣混凝土的導(dǎo)電性能及力學(xué)性能均良好，鋼渣混凝土的壓敏性隨鋼渣摻量的增加而增強(qiáng)，而鋼渣細(xì)度對(duì)鋼渣混凝土壓敏性無顯著影響。這一系列研究成果表明，利用鋼渣制備的導(dǎo)電混凝土可以用于混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力診斷與自監(jiān)控、電力設(shè)備接地等諸多方面，為合理利用鋼渣開辟了新的途徑。

鋼渣混凝土不僅可以作為導(dǎo)電混凝土使用，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在道路工程中使用也有較好的效果。用于筑路的鋼渣混凝土性能優(yōu)良而且節(jié)省了大量水泥，減少了水泥生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染。張亮亮，盧忠飛等[25]用風(fēng)淬粒化鋼渣代替天然砂配制道路混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明加入風(fēng)淬粒化鋼渣的混凝土具有良好的性能，減少了混凝土用水量。近幾年來，研究人員通過添加外加劑和摻合料的方法不斷改良鋼渣混凝土性能。劉軍[26]將粉煤灰添加進(jìn)鋼渣混凝土中，通過試驗(yàn)測出最優(yōu)配比的混凝土，即粉煤灰代20%的水泥，鋼渣代15%的砂子，并將該最優(yōu)配比的粉煤灰-鋼渣混凝土應(yīng)用于209國道柳長路，經(jīng)柳州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心檢測其抗折和抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

此外，鋼渣混凝土還應(yīng)用于海堤工程中。徐忠琨[27]將鋼渣混凝土制作成護(hù)面塊體用于海堤工程中，并在東海圈圍工程和蘆潮港臨港工程中實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證，鋼渣混凝土均能滿足施工要求，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 鋼渣混凝土研究中應(yīng)著重解決的問題

3.1 復(fù)合摻合料中配合比及摻量問題

將鋼渣單獨(dú)粉磨后作為摻合料摻入水泥混凝土中有時(shí)可能不滿足工程要求，這就要求添加其它摻合料，如礦渣、硅灰和粉煤灰等。礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料摻入鋼渣混凝土后，對(duì)其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響各不相同，所以它們的摻量和配合比問題應(yīng)成為今后鋼渣混凝土研究中的重點(diǎn)問題，進(jìn)行深入研究。

解決這一問題的關(guān)鍵在于通過試驗(yàn)測得礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料對(duì)鋼渣混凝土的影響，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料的影響機(jī)理，最后通過大量試驗(yàn)測出復(fù)合摻合料的最優(yōu)配比及摻量。

3.2 鋼渣鈍化問題

由于鋼渣中含有鐵，在水泥的堿性環(huán)境中，表面會(huì)產(chǎn)生氧化鈍化層，使混凝土電阻率增大，導(dǎo)電性降低，這樣將鋼渣混凝土作為導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程中會(huì)受到很大影響。目前，關(guān)于鋼渣導(dǎo)電混凝土電阻率、壓敏性的文獻(xiàn)比較豐富，但是關(guān)于鋼渣鈍化問題及解決方法的文獻(xiàn)卻很少，所以如何解決鋼渣鈍化問題尚需進(jìn)一步研究。

鋼渣鈍化的主要原因是其中含有鐵，在鋼渣加工中通過磁選將金屬鐵含量控制在一定范圍內(nèi)是防止鋼渣鈍化最直接的方法。還可以將鋼渣磨細(xì)提高鋼渣的活性，因?yàn)殇撛w粒變小，其細(xì)微顆粒的填充作用可以得到充分發(fā)揮；另外，細(xì)度增加有助于提高導(dǎo)電顆粒分散的均勻性，加大導(dǎo)電成分接觸的幾率，使導(dǎo)電性增強(qiáng)。以上只是理論上解決鋼渣鈍化的方法，是否可行有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 安定性不良問題

鋼渣中含有較大量的游離氧化鈣、游離氧化鎂等成分，特別是游離氧化鈣f-CaO水化后易產(chǎn)生體積膨脹，控制不當(dāng)易造成安定性不良的后果。由于鋼渣的穩(wěn)定性不良，在有些使用鋼渣的工程中造成道路開裂、隆起，以至影響了鋼渣的推廣應(yīng)用。

目前消除游離氧化鈣f-CaO的方法有很多種，例如：溫水養(yǎng)護(hù)處理法、鋼渣陳放法、熱燜渣處理法等。其中溫水養(yǎng)護(hù)法、鋼渣陳放法需要占用大量土地，容易造成污染；而將鋼渣進(jìn)行悶渣和超細(xì)粉磨活化處理對(duì)環(huán)境和設(shè)備要求較高。所以如何控制鋼渣安定性問題成為目前鋼渣混凝土研究中值得注意的問題。

3.4 鋼渣的細(xì)度問題

鋼渣經(jīng)過粉磨后形成的鋼渣微粉可以顯著改善混凝土的工作性能，還可以激發(fā)其較高的潛在活性。但是鋼渣硬度較大，易磨性和易碎性均較差，而且鋼渣中含有部分鐵粒，導(dǎo)致鋼渣粉磨到一定程度后很難被進(jìn)一步磨細(xì)。

如果采用直接粉磨的方法，不僅粉磨效率低，電耗較高，而且粉磨效果也不理想。現(xiàn)在鋼渣的粉磨多采用預(yù)粉磨，然后采用磁選技術(shù)，把鋼渣中的鐵粉分離出來，但是鋼渣細(xì)度難以控制，而且該方法正處于起步階段，還未大規(guī)模使用。

除了上述問題，鋼渣成分的不確定性、鋼渣在混凝土中分布的均勻性、鋼渣質(zhì)量控制、鋼渣混凝土加工工藝、技術(shù)要求等問題都應(yīng)該引起足夠的重視。此外，當(dāng)前鋼渣混凝土的研究多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室中，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該考慮實(shí)際工程條件并采用合理的施工方法和施工工藝，保證鋼渣混凝土的質(zhì)量。

結(jié)語

鋼渣混凝土不僅為鋼渣的綜合利用開辟了一條新的途徑，符合我國可持續(xù)發(fā)展要求，而且鋼渣混凝土作為一種新型材料是當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)理論研究的一個(gè)熱門課題。雖然對(duì)于鋼渣混凝土的研究已取得一定的進(jìn)展，但是離大范圍推廣使用還存在一段距離。今后鋼渣混凝土的研究應(yīng)以工程推廣應(yīng)用為主要出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)不同用途的鋼渣混凝土進(jìn)行深入研究，不斷開發(fā)高性能的鋼渣混凝土，提高鋼渣的利用率。

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