鋼渣用于空心砌塊生產的技術探討

毛偉，高小龍，徐敏人，周書兵，徐月龍

（1 CMCU·中聯建筑，重慶400039；2四川大學建筑與環境學院，四川成都610065；3重慶海豐環境科技產業發展有限公司，重慶400084；4重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045）

鋼渣用于空心砌塊生產的技術探討

毛偉1,2，高小龍3，徐敏人4，周書兵1，徐月龍1

（1 CMCU·中聯建筑，重慶400039；2四川大學建筑與環境學院，四川成都610065；3重慶海豐環境科技產業發展有限公司，重慶400084；4重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045）

0 前言

隨著工業的飛速發展，自然資源逐漸枯竭，人類面臨著嚴重的資源短缺和能源匱乏。人們逐漸意識到鋼鐵廠排放的鋼渣、礦渣、鐵渣等不再僅僅是種廢棄物，而是寶貴的二次資源。在此條件下，鋼渣的綜合利用逐漸引起人們的重視。歐美發達國家鋼渣的綜合利用率較高，在德國和美國，絕大部分鋼渣已得到充分利用；在英國和法國，鋼渣利用率也達到了60%；日本鋼渣利用率也達到了50%；而我國僅為10%左右[1]，同發達國家相比，我國的鋼渣利用力度明顯不足。

我國是世界產鋼大國，鋼渣資源豐富。據國家統計局相關數據顯示，2012年我國粗鋼產量為7.17億t，鋼渣排放量達7000萬t（鋼渣排放量按粗鋼產量的8%～12%來計算[2]）。然而，由于利用率低下，大量的鋼渣堆積存放，不僅占用了大量土地，而且隨著時間的推移，鋼渣逐漸被風化成堿性粉塵，直接污染大氣環境，同時還對水體、土壤造成危害。近年來，鋼渣資源化和高價值綜合利用研究已成為鋼渣處理的重要研究方向之一，且鋼渣綜合利用的途徑廣泛，涵蓋冶金、建筑材料、農業利用、工程應用等領域[3-4]。

鋼渣含有FeO、CaO、SiO2等化合物，可作為生產磚、砌塊等建材的原料，我國在這方面也早有研究，如“武鋼”利用水淬鋼渣研制的鋼渣磚所建的三層樓房已使用25年之久[5]。隨著建筑節能材料的發展，鋼渣空心砌塊因其良好的保溫性能、力學性能、隔聲性能、抗凍性能等優勢而逐步得到重視。然而，鋼渣中各種化學成分含量因煉鋼爐型、鋼種類型等的不同，差異較大。可以說鋼渣物化性能差異較大是目前我國鋼渣未得到大規模化利用的重要原因之一。

1 鋼渣的基本性質

1.1 鋼渣化學成分及礦物組成

鋼渣密度較大，一般在1700 kg/m3～2000kg/m3范圍內波動。鋼渣各成分與含量見表1，可以看出，鋼渣主要化學成分有CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、M gO、M nO、P2O5、f-CaO，此外，某些鋼渣還含有V2O5、TiO2等。我國的鋼渣大部分是轉爐渣，外觀形態因化學成分及冷卻方式的不同差異很大。

表1 鋼渣的化學成分[6]

鋼渣的化學成分決定其礦物組成，且還與其堿度密切相關。通過對鋼渣進行X-射線衍射分析[6-7]可知，除明顯存在鐵礦物外，鋼渣中的硅鈣相產物以C2S為主。鋼渣的主要礦物組成有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO(即FeO、M gO、M nO形成的固熔體)、游離石灰(f-CaO)等。其中，C2S、C3S的總量在50%以上，因此鋼渣也被稱為過燒硅酸鹽熟料[8]，該特性為鋼渣在建筑材料方向利用提供了可能性。

1.2 鋼渣的膠凝性

鋼渣作為一種過燒硅酸鹽熟料具有一定膠凝活性，這也正是鋼渣應用于建材領域的價值所在。鋼渣的膠凝活性來源于其含有的硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等礦物，與硅酸鹽水泥熟料化學組成相似，同樣可以發生水化反應。鋼渣中含量較高的C2S、C3S是主要的活性物質，其含量與廢渣的堿度有關。當鋼渣堿度大于1.8時，C2S和C3S總量可達60%～80%，隨著堿度的增大，C3S含量進一步增多；當堿度達到2.5時，鋼渣的主要礦物為C3S[9-10]。同C2S相比，C3S活性更高，即高堿度鋼渣是鋼渣空心砌塊生產的最佳原料。需說明的是，高堿度鋼渣中有含量較高的游離氧化鈣(f-CaO)在砌塊制品成型應用后可能會引起體積膨脹，致使砌塊體積安定性不良。鋼渣中的C2S、C3S水化反應見式（1）和式（2）。

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3Ca(OH)2+3CaO·2SiO2·3H2O（1）

2(2CaO·SiO2)+4H2O=Ca(OH)2+3CaO·2SiO2·3H2O（2）

1.3 鋼渣的粉磨性

鋼渣充當膠凝材料用于生產空心砌塊時，必須具有一定的細度。為了提高鋼渣活性，需進行粉磨處理，這也是鋼渣綜合利用的重要環節。

鋼渣粉磨的難易程度與其礦物組成和結構有關[11]。一般來講，鋼渣是易磨物質，其難以磨碎的原因在于鋼渣中含有幾乎不能被磨細的金屬鐵，而不是鋼渣本身的原因[12]。隨著冶金行業鋼渣分離技術的優化與完善，除鐵技術的進一步發展，除鐵后鋼渣的粉磨性將得到顯著改善[13]。

2 鋼渣空心砌塊概述

鋼渣空心砌塊主要以鋼渣、集料、水泥為原料，與水、化學添加劑按一定的比例混合、成型、養護而成。鋼渣中的水硬性礦物在激發劑和水化介質的作用下進行反應，能夠生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等新的硬化體，從而保證制品具有一定的初級強度。此外，生產過程中，還可加入一定量的粉煤灰，以達到固體廢棄物利用最大化。該產品具有工藝簡單、成本低、能耗低、性能好、生產周期短、投產快等優點。

近年來，我國在鋼渣空心砌塊方面取得較大進展。張明等人[7]利用電爐鋼渣硬度較大的特性充當骨料，制備出鋼渣空心砌塊。劉玉等人[8]采用鋼渣、尾礦砂、人工砂、粉煤灰等廢棄物研制生產出強度等級為MU10.0且性能優良的混凝土小型空心砌塊。李有光等人[14]利用粉煤灰和鋼渣為主要原料，在石灰、石膏和少量水泥作激發劑的基礎上，摻入2%的早強劑SJ-Ⅱ，大幅度提高粉煤灰鋼渣砌塊的早期強度，并使后期強度有所提高，研制出抗壓強度約6.9MPa的空心砌塊。周建成等人[15]利用鋼渣、砂石、粉煤灰等為主要原料，加入一定的外加劑，通過攪拌成型，在鋼渣比例為50%、空心率為35%的條件下生產出的砌塊抗壓強度可達20MPa。

由此可知，鋼渣空心砌塊具有較高的抗壓強度，完全滿足國家標準，能夠大規模推廣。此外需注意的是，加入的添加劑不同，產品性能也有差異。

3 技術難點及研究進展

雖然我國鋼渣貯存量大且有廣泛的用途，但目前其利用率較低，主要原因有以下幾個方面：（1）不同的鋼廠其鋼渣形成過程也不一樣，造成鋼渣的化學成分和礦物組成差異較大；（2）鋼渣往往含有大量的鐵及其化合物難以磨至理想的細度；（3）鋼渣水化速度較慢、早期強度較低；（4）鋼渣含有部分f-CaO、M gO，這些物質在砌塊中水化速度較慢，會使砌塊制品后期出現體積膨脹形成缺陷。

概言之，鋼渣在空心砌塊中的應用難點主要是鋼渣活性的激發和鋼渣制品體積穩定性的控制。

3.1 鋼渣的活性激發方法

常用的活性激發手段有機械、化學、熱力等，其中機械和化學激發應用最為廣泛。通過研究鋼渣的礦物組成發現，鋼渣含有硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等礦物，在經歷了高溫和急冷過程之后，礦物結晶完好、晶粒粗大，并溶入較多的FeO、M gO等雜質，并形成了大量的玻璃體，導致鋼渣水化速度慢。因此，必須使玻璃體和礦物晶粒破碎才能發掘出鋼渣潛在活性。

3.1.1 化學激發

石膏、石灰是工業上常用的化學激發劑，此外還有堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物等。從機理來看，堿性水溶液是激發活性的首要條件，其次是硫酸鹽激發[16]。鋼渣中玻璃體的主要化學鍵是Si-O鍵和Al-O鍵，它們分別以[SiO4]四面體和[AIO4]四面體或[A lO6]配位多面體的形式存在。[SiO4]四面體中的Si-O鍵在鋼渣的粉磨過程中會發生斷鍵，在激發劑形成的堿性環境中發生反應，如圖1所示。

圖1 Si-O鍵斷鍵后在堿性環境中的反應

玻璃體中的[AlO4]四面體可認為是Al3+取代Si4+的結果。在OH-的作用下玻璃體網絡結構開始解聚生成H3SiO4-、H3A-lO42-，而H3SiO4-、H3AlO42-與Ca2+、Na+反應生成沸石類水化產物。沸石類水化產物的生成消耗了解聚生成的H3SiO4-、H3A-lO42-，使玻璃體的網絡形成鍵Si-O鍵、Al-O鍵不斷被破壞，最終使玻璃體徹底解聚。沸石類水化產物發生交織連生，使鋼渣水泥的結構逐漸密實，其宏觀表現是強度相應增強[17]。因此，化學激發的關鍵是營造一個促使鋼渣中玻璃體發生裂解的環境。譚克鋒等人[18]比較了石灰、石膏、芒硝對鋼渣的活性激發效果，結果表明芒硝激發效果要優于石灰和石膏。一般情況下，復合激發的效果優于單獨激發，實際應用中，常采取兩種或多種化學激發劑的激活方法[19]。

3.1.2 物理激發

物理激發，即機械激發，通過研磨可提高鋼渣的細度，提高比表面積，改善鋼渣活性。其原理是鋼渣通過研磨后，造成玻璃體破裂，加速水化過程。在研磨過程中，鋼渣礦物晶格產生錯位、缺陷，宏觀表現為鋼渣粒度減小，表面積增大，水化速度加快，鋼渣活性提高。陳益民等人的研究表明，鋼渣顆粒越細活性越高，當比表面積達800m2/kg時，鋼渣的7d活性指數明顯比28d活性指數高[20]。但是，鋼渣顆粒的細度也有一定的限值，并不是越細越好，這是因為隨著粉磨時間的延長，鋼渣比表面積增大，比表面積能量顯著增加，由于晶格內能的作用，易發生鋼渣顆粒的重結晶過程。另外，粉磨時間的延長，也會增加成本。因此，鋼渣粒度的控制必須符合實際應用的需要，不能一味追求細度。

3.2 影響鋼渣空心砌塊體積穩定性的因素和改善途徑

鋼渣空心砌塊體積穩定性不良勢必會導致砌塊存在裂紋、破碎等缺陷，從而影響房屋安全。目前有關鋼渣空心砌塊的研究也主要集中于此。

3.2.1 游離氧化鈣(f-CaO)對鋼渣空心砌塊穩定性的影響

絕大多數鋼渣中都含有一定量的游離氧化鈣(f-CaO)等堿性氧化物，此類物質水化后，體積膨脹1倍以上，這是導致鋼渣安定性不良的主要原因。f-CaO的來源主要有3種：（1）未吸收的原生CaO；（2）部分吸收的彌散狀CaO；（3）在液渣中析晶的次生CaO。不論哪種方式生成的f-CaO都經歷了1600℃左右的高溫鍛燒，其礦物結晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的FeO、M gO和MnO，水化速率緩慢，被稱為“死燒”CaO。鋼渣中f-CaO含量一般為1%～7%，其含量與原料、鋼渣處理工藝密切相關。

3.2.2 改善鋼渣空心砌塊穩定性的方法

鋼渣的穩定性是阻礙鋼渣應用的重要因素，根據以上分析結合工業生產可行性，主要方法有以下兩種。

（1）控制水化液相堿度。f-CaO的水化很大程度上受液相堿度的影響。當熟料摻量較高時，水化液相堿度也較高，抑制了f-CaO的水化。當熟料摻量過低時，水化液相堿度較低，鋼渣的潛在活性未得到有效激發，造成制品強度較低，不足以抵抗f-CaO水化過程中產生的膨脹應力，導致鋼渣空心砌塊的穩定性不良。因此，合理的控制水化液相堿度，既能充分激發鋼渣的潛在活性，又能消解鋼渣中f-CaO，是提高砌塊穩定性的重要途徑之一。

（2）鋼渣陳化。提高鋼渣穩定性的方法還有改進煉鋼工藝、煅燒、機械研磨等方法，此類方法都是通過降低鋼渣中f-CaO的含量和提高鋼渣中的f-CaO分散度來消除f-CaO的不利影響。工業實踐表明，鋼渣在使用前經過陳化處理，在自然條件下風吹雨淋，自然風化膨脹，消除f-CaO的不利影響。“寶鋼”鋼渣的穩定試驗[21]表明：鋼渣經濕水或一段時間的自然存放后，f-CaO含量可降低至3%以內。與其他方法相比，該法簡單有效。此外，如鋼渣摻入礦渣、粉煤灰等硅質原料，也能提高穩定性，其原因[22]在于：加入的硅質原料，可增加水化硬硅鈣石的生成量，提高制品的強度，從而能夠抵擋f-CaO水化過程中產生的應力，提高制品穩定性。

綜上分析可知，要得到高質量鋼渣空心砌塊，必須有合理的配比、化學激發方法、物理激發方法，以及高效的改善鋼渣穩定性的方法。

4 結語

鋼渣空心砌塊作為一種新型綠色環保墻材，不僅具有保溫、輕質、環保等特點，還具有很高的強度，應用范圍廣泛，具有廣闊的推廣應用前景和發展空間。在工業廢渣堆積為患的情況下，開發鋼渣空心砌塊，既符合市場需要，又可以節約資源、保護環境，完全符合國家的節能環保政策，具有良好的社會效益、經濟效益與環境效益。

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Discussion on Steel Slag for Hollow Block Production

鋼渣是鋼鐵工業排放量較大的一種工業廢渣，其化學和礦物組成與水泥熟料類似，因此鋼渣可以利用在空心砌塊制備生產中。該文介紹了鋼渣的基本性質和鋼渣在制備空心砌塊方向的應用研究情況；通過分析指出鋼渣應用存在的技術困難和制品的體積穩定性不良問題，對鋼渣活性的激發和提高制品的體積穩定性方法進行了總結。

鋼渣砌塊；活性激發；體積安定性；轉爐渣；X-射線衍射分析；過燒硅酸鹽熟料；水硬性礦物

Steelslag isa kind of industrialwaste produced in iron and steel industry,whose chemicalandmineral composition is similar to cementclinker,so it can be used in hollow block production.The basic properties and the study situation of steel slag in hollow block production are introduced. Based on the analysis,the existing technologicaldifficulties in steelslag application and the problem of poor volume stability are pointed out.Themethodsof improving activity and volume stability of steel slag are summarized.

steel slag block;activation;volume stability;converterslag;X-ray diffraction analysis;overburntsilicate clinker;hydraulicm ineral

TU 50

A

1671-9107（2013）11-0078-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.11.078

2013-06-24

毛偉（1986-），男，甘肅會寧人，博士研究生，工程師，研究方向為綠色建筑理論與技術。