特別策劃：鋼渣在混凝土中的應用問題探討

特別策劃：鋼渣在混凝土中的應用問題探討

編者按：混凝土摻合料已成為了混凝土必不可少的組分之一。像粉煤灰、硅粉、磨細礦粉這些常規摻合料已成為緊俏商品，因此業內開始尋求新的活性摻合料。磨細鋼渣粉被認為最有可能成為高性能摻合料的工業廢渣，鋼渣也可作為骨料配制混凝土。但現在有大量的實際案例表明鋼渣對混凝土結構的危害，許多專家呼吁：在混凝土中使用鋼渣要謹慎。那么鋼渣為何會對混凝土的后期性能有影響？在混凝土中使用鋼渣常常會出現什么問題？鋼渣在什么條件下可以使用？本期特別策劃就請大家探討一下鋼渣在混凝土中的應用問題。

張亮亮（中冶建筑研究總院有限公司，高工）

1 鋼渣的產生和基本性質

鋼渣是煉鋼產生的副產物，其中煉鋼又分為粗鋼冶煉和精煉，粗鋼冶煉產生的鋼渣稱為轉爐鋼渣和電弧爐鋼渣，精煉產生的鋼渣稱之為精煉渣或鑄余渣，這 3 種鋼渣的產生量、基本性質有很大差異。轉爐鋼渣是產生量最大的鋼渣，原因是轉爐煉鋼占我國粗鋼冶煉的 90% 以上，電弧爐煉鋼僅不到 10%，二者的產率約為粗鋼產量的 12%。目前大部分鋼廠都配備了精煉工序，因此也會產生精煉渣，其產率約為粗鋼的 2%～4%。從外觀看，轉爐鋼渣和電弧爐鋼渣呈現黑灰色塊狀，而精煉渣呈現灰白色粉末狀，俗稱“白渣”。從化學成分看，前二者以 CaO、SiO2、Fe2O3、MgO 等為主，精煉渣以CaO、SiO2、Al2O3、MgO為主。從礦物組成看，轉爐鋼渣和電弧爐鋼渣主要有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵酸二鈣（C2F）、RO相等，f-CaO 含量因各廠而異；精煉渣中 C3S、C2S、 f-CaO、RO 相在精煉渣中均存在，只不過多了含鋁礦物 C12A7和 C3A，少了含鐵礦物 C2F。

因此鋼渣中既有水硬膠凝性礦物，具有水硬膠凝性，可以用作膠凝材料，又有 C2F 等惰性礦物，質地堅硬，可以用作骨料。但鋼渣中還含有數量不一的游離氧化鈣和約 8% 的氧化鎂（化學成分），這使得鋼渣具有緩慢的膨脹性，因此在資源化利用中需要特別引起注意。

2 鋼渣磨細作輔助性膠凝材料

鋼渣作水硬膠凝性材料自我國上世紀七十年代即已開始，是作為混合材生產鋼渣礦渣水泥。預拌混凝土的興起促進了鋼渣磨細作混凝土摻合料，目前國內很多地方均建設有鋼渣粉生產廠，粉磨形式有輥壓機+球磨機、高壓輥磨、臥式輥磨等。在產品質量控制方面，有相應的國家標準 GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》，2016 年已完成修訂，對鋼渣粉的安定性檢驗涵蓋 f-CaO 含量限定、沸煮法和壓蒸法。另外 GB/T 51003—2014《礦物摻合料應用技術規范》中也對鋼渣粉的摻量作了嚴格限定，要求在硅酸鹽水泥中的摻量不超過 30%，在普通硅酸鹽水泥中的摻量不超過20%。通過十多年的生產和應用，國內很多地方已取得了鋼渣粉應用的經驗，其優點如水化熱低、具有減水效果等也進一步得到認識。

3 鋼渣作混凝土骨料

鋼渣的骨料特性使其特別適合于作大宗道路材料，國外發達國家和我國均制定有相應標準，應用也十分普遍。在作混凝土制品骨料方面，應用較為成熟的是作混凝土多孔磚和路面磚骨料，相應的行業標準中也要求鋼渣通過壓蒸安定性檢驗。在作混凝土骨料方面，需要特別慎重，因為鋼渣骨料的遇水緩慢膨脹性可能會造成混凝土出現掉渣、崩裂等，嚴重的會危害混凝土結構。國內已有使用鋼渣作混凝土骨料導致混凝土結構破壞的例子。

王趕（為海集團有限公司，工程師）

按混凝土的組成材料分，鋼渣在混凝土中應用主要為骨料和摻合料這兩種。將鋼渣磨細作為摻合料的研究較為廣泛，技術也趨于成熟和安全。將鋼渣破碎作骨料由于不同來源鋼渣的礦物組分和冷卻工藝的差異性較大，鋼渣的體積穩定性差異較大，導致鋼渣作為骨料應用于混凝土時，經常發生質量問題。

摻合料在混凝土中的質量比只有 0%～15%，骨料在混凝土中的質量比達 70%～90%，意味著若鋼渣能安全的作為骨料使用，消化率可達摻合料的 5～10 倍，且加工能耗也遠低于摻合料的加工能耗。

根據大量的研究及應用表明，引起鋼渣體積性不良的根源在于鋼渣中游離氧化鈣、游離氧化鎂和氧化鐵的含量較高。如何能將鋼渣安全的作為骨料應用于混凝土中，關鍵點在于如何控制鋼渣中的膨脹組分含量，筆者認為應從三個方面著手。

1 源頭控制

大型煉鋼企業原材料、煉鋼工藝相對穩定，煉鋼產生的廢渣（鋼渣）礦物組分也較穩定。要想控制好鋼渣中的膨脹組分含量，就需要在鋼渣冷卻工藝中進行研究，使鋼渣在冷卻過程中通過溫度控制或者水淬急冷卻工藝使冷卻后固體鋼渣中游離態鈣鎂含量控制在安全值范圍內；對于氧化鐵含量高（超過一定含量）的鋼渣必須在鋼廠內部進行再回收提取。

2 加工過程控制

鋼渣應由專業企業進行加工，鋼渣粉和粒化高爐礦渣粉的相關標準早已建立并實施，鋼渣骨料需要制定控制標準以及檢驗方法標準。加工企業根據鋼渣的體積穩定性判定鋼渣的產品加工方向，對于穩定性不好的新鮮鋼渣，應在露天條件靜置一定時間，或者經無污染的處理工藝處理后，鋼渣的體積穩定性能滿足要求后方能加工成混凝土用骨料。

3 應用控制

鋼渣骨料在使用前必須復檢體積穩定性，對于某些重要結構部位應慎用鋼渣骨料或者控制鋼渣骨料摻配比例。對鋼渣骨料混凝土建筑物要長期跟蹤質量情況，并建立專門檔案庫。