盛隆冶金鋼渣在道路工程中應(yīng)用的可行性研究

曹楊

摘要：鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，是一種沒有被充分利用的資源。提高鋼渣的綜合利用率，有助于保護(hù)環(huán)境。文章分析了影響鋼渣資源化利用的因素，通過對盛隆冶金鋼渣理化性能試驗(yàn)及重金屬分析試驗(yàn)，討論了鋼渣在道路工程中應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣是一種物理力學(xué)性能良好的筑路材料，其穩(wěn)定性檢驗(yàn)指標(biāo)用浸水膨脹率表征即可;鋼渣中重金屬含量滿足規(guī)范要求，是一種環(huán)境友好型材料，能夠提高鋼渣的資源化利用率。

關(guān)鍵詞：鋼渣;物理力學(xué)性能;穩(wěn)定性;重金屬含量

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.013

文章編號：1673-4874（2019）10-0044-04

0引言

鋼渣是煉鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，鋼渣產(chǎn)生量約為粗鋼產(chǎn)量的10%-15%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國鋼渣年產(chǎn)生量約為1.21億t。我國研究人員已經(jīng)開發(fā)出了近40種有關(guān)鋼渣綜合利用的方法，但目前尚未找到大規(guī)模資源化利用鋼渣的有效途徑。根據(jù)大量文獻(xiàn)資料及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，全國鋼渣綜合利用率在30%左右，約70%的鋼渣處于天然堆存或拋棄狀態(tài)，存在巨大的資源化利用缺口。這與國家發(fā)改委和工信部聯(lián)合提出的“到2020年，鋼渣綜合利用率達(dá)到75%”的指標(biāo)要求相去甚遠(yuǎn)。在美、英、德、日等世界主要發(fā)達(dá)國家，鋼渣資源化利用率接近100%，且多用于公路工程建設(shè)方面。

目前，我區(qū)大部分企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣除經(jīng)過破碎篩分磁選等處理后，分選出不同粒級的渣鋼和磁選粉，渣鋼用于返回?zé)掍摚胚x粉用于返回?zé)Y(jié)外，粒徑<5mm的部分鋼渣用于生產(chǎn)鋼渣微粉，其中大部分鋼渣尚未被利用。此外，被放置的鋼渣不僅浪費(fèi)資源，還嚴(yán)重占用土地資源，引起環(huán)境污染等問題。因此，自2018-01-01起國家對鋼渣等工業(yè)固體廢棄物征收25元/t的環(huán)保稅。由此可知，對鋼渣的開發(fā)利用迫在眉睫。

1影響鋼渣在道路工程中資源化利用的因素

由于原材料、鋼種、處理技術(shù)及分選方法的不同，鋼渣的成分、物理化學(xué)性能波動(dòng)較大，這些問題一直未得到有效的解決，極大地限制了鋼渣的利用途徑，制約著鋼渣的大規(guī)模應(yīng)用。

一般來說，影響鋼渣在道路工程中資源化利用途徑的因素主要有以下三個(gè)：

（1）鋼渣的體積安定性不良。與碎石不同，鋼渣由于形成時(shí)間短，鋼渣中含有較高的f-CoO與f-MgO，其遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，生成Co（OH）和Mg（OH），體積分別膨脹98%和148%，且這種水化反應(yīng)進(jìn)程緩慢，往往幾年甚至十幾年才反應(yīng)完畢。

（2）鋼渣密度比一般碎石大。鋼渣密度為3.1-3.6t/m，是天然石枓的1.1-1.4倍，這使得鋼渣用于道路工程建設(shè)中的能耗增加。

（3）鋼渣化學(xué)成分以及物理力學(xué)性能波動(dòng)較大，制約其應(yīng)用推廣。

2鋼渣理化性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

本試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)爐鋼渣均取樣于廣西防城港市盛隆冶金有限公司鋼鐵廠，以下為鋼渣各類試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果。

2.1鋼渣化學(xué)性質(zhì)

采用XRF試驗(yàn)對鋼渣進(jìn)行半定量試驗(yàn)，測定鋼渣的化學(xué)組成，試驗(yàn)結(jié)果見表1;盛隆冶金鋼渣、安鋼鋼渣、水泥及玄武巖化學(xué)組成見表2。

表1反映了鋼渣的化學(xué)組成。由表1可知，鋼渣的主要化學(xué)成分有CoO、FeO、MgO、AlO、SiO等。同時(shí)，鋼渣中還存在微量的重金屬元素，如錳（Mn）、鉻（Cr）、鈷（Co）、銅（CU）、鋅（Zn）等，其中錳（Mn）、鉻（Cr）含量較高。

表2反映了不同鋼廠鋼渣化學(xué)組成，并與水泥及玄武巖化學(xué)組成形成對比。由表2可知，不同鋼廠鋼渣主要化學(xué)成分大體相同，化學(xué)成分在含量上不盡相同，存在一定的波動(dòng)。盛隆冶金鋼渣與水泥主要化學(xué)成分相似，鋼渣具有一定的活性，素有“劣質(zhì)水泥”之稱。鋼渣、水泥與普通石料（玄武巖）化學(xué)成分差別大，主要是因?yàn)殇撛纬傻臏囟雀摺r(shí)間短，渣中含有游離氧化鈣和游離氧化鎂。

2.2 鋼渣物理力學(xué)性質(zhì)

鋼渣物理力學(xué)性能的研究內(nèi)容包括：密度、壓碎值、磨光性、針片狀含量、吸水率及與瀝青的粘附性等試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005）中相關(guān)試驗(yàn)方法對鋼渣物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3反映了鋼渣按照粗集料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)的檢測結(jié)果，并與玄武巖形成對比。由表2及表3可以得出如下結(jié)論：

（1）鋼渣性能滿足施工規(guī)范中高級公路路用粗集料的技術(shù)要求，且其壓碎值、磨光值、堅(jiān)固性等性能指標(biāo)均優(yōu)于玄武巖。

（2）相較于玄武巖0.22的堿度，鋼渣的堿度為2.58（R>2.5時(shí)為高堿度），與酸性瀝青材料的粘附性能優(yōu)異（5級）。

（3）鋼渣吸水率超出了規(guī)范限值，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玄武巖。這是因?yàn)殇撛砻娲植冢罅康拈_口空隙分布在鋼渣表面上，因此吸水率比表面層大。

（4）鋼渣中粉塵（<0.075mm顆粒）含量超出了規(guī)范限值，因此，鋼渣用于瀝青混凝土中需要重視鋼渣集料粉塵含量，避免影響鋼渣與瀝青的粘附性，造成鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性不良，且增加瀝青用量。

2.3 鋼渣的穩(wěn)定性

鋼渣利用率低的原因最主要是由于鋼渣穩(wěn)定性差，將體積穩(wěn)定性不良的鋼渣應(yīng)用在道路、建材等行業(yè)中，極易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，從而影響了鋼渣在公路建設(shè)領(lǐng)域的正常使用。

在《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中，“鋼渣活性及膨脹性試驗(yàn)”方法不僅要求評價(jià)鋼渣作為基層和瀝青層材料時(shí)的活性及膨脹性，還要求附加測定鋼渣中游離氧化鈣和游離氧化鎂含量。目前，鋼渣中f-CoO含量可依據(jù)《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》（YB/T4328-2012）測定。而對于鋼渣中f-MgO的含量，國內(nèi)方面沒有相關(guān)的測定標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)普遍采用測定鋼渣中全鎂（MgO）含量的方法來評價(jià)鋼渣的體積穩(wěn)定性，這樣往往導(dǎo)致測定結(jié)果偏高而判定鋼渣體積穩(wěn)定性不良。因此，在評價(jià)鋼渣體積穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)使用浸水膨脹率試驗(yàn)方法，輔以測定鋼渣中游離氧化鈣的含量。

本研究分別對陳化時(shí)間為6個(gè)月、12個(gè)月熱潑工藝鋼渣進(jìn)行游離氧化鈣含量和浸水膨脹率的測定，以評價(jià)鋼渣的穩(wěn)定性。其測定結(jié)果見表4及表5。

表4、表5反映了鋼渣中游離氧化鈣含量、浸水膨脹率的測定結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）隨著陳化時(shí)間延長，鋼渣浸水膨脹率也逐漸降低，這是由于鋼渣中游離氫化鈣和游離氧化鎂遇水分別生成氫氧化鈣和氫氧化鎂逐漸消解，鋼渣體積穩(wěn)定性趨于良好。

（2）6個(gè)月鋼渣游離氧化鈣含量為2.43%，低于規(guī)范限值，而浸水膨脹率為2.57%，超過規(guī)范限值。因此，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中要求鋼渣中游離氧化鈣含量≤3%，浸水膨脹率≤2%是合理的。

綜上所述，《工程回填用鋼渣》（YB/T801-2008）、《道路用鋼渣》（GB/T25824-2010）、《鋼渣應(yīng)用技術(shù)要求》（GB/T32546-2016）等規(guī)范中要求鋼渣浸水膨脹率≤2%，而未對游離氧化鈣含量做出限定是合理的。

3 鋼渣重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果與分析

雖然國內(nèi)外的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明鋼渣用于道路工程對周圍土壤和水體環(huán)境的影響較小，但鋼渣中含有微量的重金屬元素（包括Cr、Cd、Ni、As、Zn、Mn、Pb等），在道路工程應(yīng)用時(shí)，遇水長期沖刷和浸泡，可能浸出而污染周邊土壤和水體。且不同產(chǎn)地和種類的鋼渣重金屬含量不同，重金屬的浸出量也不同。因此，鋼渣用于道路工程，應(yīng)當(dāng)充分考察其對周圍環(huán)境的影響。

有研究者對我國34家大型聯(lián)合鋼鐵企業(yè)的各類鋼渣樣品重金屬含量進(jìn)行了分析測試，并對分析測試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。綜合含量、毒性大小等因素，鋼渣中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的重金屬元素首先應(yīng)當(dāng)是Cr，其次是Mn、V和Zn。

3.1鋼渣浸出試驗(yàn)

本試驗(yàn)現(xiàn)場取樣海水，對海水進(jìn)行重金屬濃度檢測，將6個(gè)月、12個(gè)月鋼渣在純水及海水中浸泡，并對浸出液進(jìn)行重金屬濃度檢測。檢測結(jié)果見表6。

表6反映了現(xiàn)場海水及不同陳化時(shí)間鋼渣的重金屬浸出檢測結(jié)果。由表6可以得出如下結(jié)論：

（1）海水中未檢測出含有重金屬，陳化時(shí)間6個(gè)月時(shí)鋼渣也未檢測出有重金屬浸出;陳化時(shí)間12個(gè)月時(shí)鋼渣無論是純水還是海水浸泡，均有重金屬浸出。究其原因：①在海水中，陳化時(shí)間6個(gè)月鋼渣浸出液中實(shí)際含有重金屬，但采用方法檢測限值過高，只有當(dāng)浸出液重金屬濃度超過限值，檢測結(jié)果才有顯示;②陳化時(shí)間12個(gè)月鋼渣取樣不具有代表性。

（2）陳化時(shí)間12個(gè)月鋼渣浸出液重金屬（Cr）濃度超出了生活飲用水重金屬衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)值，但未超出污水綜合排放重金屬標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）中規(guī)定，鉻（Cr）濃度≤1.5mg/L時(shí)，無論何種受納水體均可排放。

3.2 鋼渣中鉻含量

本試驗(yàn)委托國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，按照《水泥中水溶性鉻（Ⅵ）的限量及測定方法》（GB31893-2015）及《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》（GB/T30760-2014）中相關(guān)的試驗(yàn)方法及操作工程，對鋼渣中鉻、水溶性六價(jià)鉻含量進(jìn)行測定。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣中鉻、水溶性六價(jià)鉻含量遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明鋼渣是一種環(huán)境友好型的道路材料。

4 結(jié)語

（1）鋼渣化學(xué)成分與水泥相似，物理力學(xué)性能優(yōu)異。相較于玄武巖等傳統(tǒng)材料，鋼渣是一種優(yōu)質(zhì)的筑路材料。

（2）鋼渣吸水率大，超出了規(guī)范要求值;鋼渣中粉塵含量大，這兩點(diǎn)是鋼渣應(yīng)用在道路工程中需要注意的地方。

（3）鋼渣浸水膨脹率滿足規(guī)范要求時(shí)，其f-CoO含量一定滿足規(guī)范要求。因此，鋼渣應(yīng)用在道路工程中的體積穩(wěn)定性指標(biāo)值考慮浸水膨脹率即可。

（4）通過鋼渣重金屬含量試驗(yàn)與檢測，證明了盛隆冶金鋼渣是一種環(huán)境友好型材料。