淺析鋼渣在國內水泥行業中的應用研究現狀

廖雙雙 蒙福亨 藍旅玲 白少軍

【摘 要】文章綜述了鋼渣在水泥行業中應用研究的現狀，并針對鋼渣難磨、鋼渣中的游離氧化鈣、氧化鎂容易造成水泥和混凝土安定性不良及鋼渣改性等影響，對提高鋼渣消納利用量的問題進行了詳細分析，希望能給同行解決該類問題提供參考。

【關鍵詞】鋼渣;水泥;混合材;混凝土;熟料

【中圖分類號】TU528 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）09-0214-03

0 引言

鋼渣是煉鋼工業的廢渣，其排放量為粗鋼產量的15%～20%，大量排放的廢棄鋼渣會造成資源浪費、占用土地及污染環境等問題[1，2]。隨著鋼鐵工業的發展，鋼渣排放量會越來越大，消納處理鋼渣速度相比排放速度慢，導致其儲量不斷增大。2017年我國每年鋼渣排放量約8 000萬t，2018年中國鋼產量約11億t，鋼渣產量約1.7億t，但其利用率卻只有22%，不足30%[3，4]。在資源日益緊缺的今天，如何有效、快速地處理及利用這些鋼渣成為大家關注的熱點。為了尋找行之有效的綜合利用方法，國內許多研究人員就鋼渣的綜合利用做了很多的研究工作。

近幾年來，隨著鋼渣綜合利用技術的發展，鋼渣已經變成一種資源，在多個行業得到推廣應用，一系列鋼渣產品標準的發布，為鋼渣的綜合利用提供了技術支撐。在水泥行業中，鋼渣可用作混合材生產水泥，也可作為混凝土的摻合料，還可以作為原材料用于煅燒水泥熟料等。本文論述了鋼渣在水泥行業中的應用成果及存在的問題，并提出了一些建議。

1 鋼渣在水泥生產中用作混合材

因鋼渣中含有一定的活性組分如C3S、C2S、C3A及鐵鋁酸鹽等礦物，鋼渣可作為水泥混合材進行綜合利用[5]。鋼渣經超細粉磨可得到比表面積大于400 m2/kg的超細粉，在水化過程中，物料的晶體結構及顆粒表面狀況發生變化，表面增大，有利于發揮膠凝性，可作為水泥混合材用于生產水泥[6]。用鋼渣作混合材生產的水泥具有耐磨、抗蝕、低水化熱、微膨脹及長期強度等優點，常用于特殊工程中，如道路工程、地下工程、防水工程和大體積工程等[7]。

鋼渣作為水泥混合材會影響水泥凈漿的凝結時間、沸煮安定性和壓蒸安定性、膨脹度、水泥強度[8]。研究發現，摻入少量鋼渣對水泥性能影響不大，當摻入量為30%時，水泥早期強度明顯降低;當鋼渣摻入量一定時，隨著鋼渣比表面積的增大，其強度也在提高，但會增加需水量[9]。

鋼渣和粉煤灰復合摻加有利于水泥強度發展，鋼渣最佳摻量為20%，其中復合摻加20%的鋼渣、10%的粉煤灰時，28 d抗折、抗壓強度分別達到了8.3 MPa、48.9 MPa;鋼渣能顯著降低水化熱，可用于制備中熱、低熱水泥。一定摻量混合材料能有效降低漿體孔隙率，改善孔徑分布，提高漿體致密度[10]。鋼渣和其他混合材復合摻入時，可以獲得一些不錯的性能，單摻15%的鋼渣的水泥達到了52.5強度等級水泥標準;復合摻加20%的鋼渣、10%的粉煤灰時，達到42.5強度等級水泥標準;摻加25%的鋼渣、25%的粉煤灰時，接近42.5強度等級水泥標準;鋼渣水泥漿體線膨脹率很小，無收縮，體積穩定性良好[11]。

陳書弟等人采用鋼渣細度分級和混合材結構優化兩種方法進行了試驗研究，其中細度分級后3 d和28 d的活性均比45μm篩上粗粉高6%左右，而通過混合材搭配，用部分粉煤灰替代鋼渣，水泥抗壓強度可提高1 MPa以上，至少可減少1%的熟料摻量[12]。石洪志等人摻入適量的不銹鋼鋼渣，可以配制出符合國家標準要求的復合水泥;摻量為32%時，可以生產32.5復合水泥;摻量為25%時，可以生產42.5復合水泥[13]。

綜上所述，鋼渣作為水泥混合材，使用更多的是采用復合摻加的模式，鮮有作為單一的混合材使用，在保證水泥質量的前提下，若將鋼渣作為單一混合材使用，可大量提升鋼渣的綜合利用量。

2 鋼渣在混凝土生產中的應用

眾多研究和應用結果表明，用鋼渣粉和鋼渣為細集料配置的混凝土能夠滿足施工要求，是消納鋼渣的重要手段之一。但由于鋼渣特有的化學和物理特性引起的不安定性和活性較低等問題，限制了其在混凝土中的大量利用[14]。

鋼渣中含有一定數量的水泥熟料的主要礦物，存在一定的水硬膠凝性，有利于提高膠結充填體強度[15]。鋼渣粉作為摻合料能夠在一定程度上提高混凝土的強度、耐久性。但隨著細鋼渣摻量的增加，混凝土拌和物工作性能下降，硬化混凝土的力學性能呈現先上升后下降的趨勢[16]。摻25%的鋼渣細骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強度較普通碎石混凝土提高20%～30%[17]。

在對鋼渣混凝土抗拉強度的研究中發現，鋼渣替代摻合料替代率在30%附近的混凝土抗壓強度提高最顯著，30%～50%的替代率可以得到較高的抗拉強度[14，18]。目前，利用鋼渣作為骨料制備的混凝土在排水結構物、鋼渣樁地基處理等簡單構造工程中的應用前景可觀，甚至可以100%替代普通碎石骨料[17]。

安定性問題是阻礙鋼渣在混凝土中應用的一個重要因素，對鋼渣混凝土安定性的影響機理和影響程度需進一步研究。鋼渣細度在混凝土中的應用是一項重要的技術指標，如何改進鋼渣的磨細技術有待進一步突破。國內學者已對鋼渣混凝土的基本性能進行了相關研究，但對鋼渣混凝土構件和結構相關的試驗和理論研究得較少，此方面可能會成為以后研究的重點。

3 鋼渣在水泥熟料煅燒中的應用

國內的許多研究者研究了鋼渣可以作為原料用于水泥熟料的煅燒。主要作為原料（替代部分生料）、原渣直接窯尾外加煅燒成水泥熟料，摻鋼渣煅燒水泥熟料，有利于水泥熟料的煅燒，能降低燒成溫度，減少CO2的排放，提高產量和質量。

劉二南等人[19]將轉爐鋼渣作為鐵質校正原料應用于水泥熟料燒成，并與硫酸渣作為鐵質原料進行對比，研究結果表明摻入鋼渣后對生料易燒性的改善效果比硫酸渣好，當鋼渣摻量為5%時，生料的易燒性最好。采用鋼渣會輕微降低熟料28 d的抗壓強度，鋼渣對熟料28 d的抗折強度影響不大，且熟料的安定性合格。李明緒等人用鋼渣代替鐵礦石作鐵質原料煅燒熟料，研究結果表明，利用鋼渣配制的生料與鐵礦石配制的生料相比，CaCO3在相同溫度下的分解更完全，鋼渣具有“晶種”的作用，有利于熟料煅燒，煅燒的熟料強度更高，并可降低煤耗[20]。

張笛等人[21]提出了一種鋼渣分相熟料燒成技術，并進行了工業化試驗，鋼渣摻量穩定在8%，該技術介紹了燒成工藝突破鋼渣易磨性、安定性的瓶頸，為水泥工業消納鋼渣提供了技術途徑。吳春麗[22]分析并研究鋼渣粒徑和摻量對水泥熟料燒成及性能的影響，結果指出：大顆粒鋼渣（500～600μm）不影響水泥生料的易燒性及水泥礦物的形成，與不摻加鋼渣煅燒的熟料對比，呈現較好的熟料巖相特征;鋼渣粒徑和摻量對熟料的強度有顯著影響，但適當的摻量和粒徑不會降低熟料的強度。

李晃的研究表明，粗顆粒鋼渣的摻入能替代部分水泥生料，降低CO2的排放，同時碳酸鈣的分解溫度下降，有利于降低煅燒過程中的能耗和氣體排放。當鋼渣的摻量低于20%時，鋼渣熟料易磨性較好。鋼渣的摻入會引起水化速率和放熱量下降，早期強度呈現一定程度的下降，后期強度顯著增加，增長率較快。在生產應用中，以10%粗顆粒鋼渣替代部分水泥生料能夠燒制出游離氧化鈣較低、強度較高、礦物分布均勻、結構致密的優質硅酸鹽水泥熟料[23]。

綜上所述，鋼渣在水泥熟料煅燒中的應用目前主要集中在實驗研究階段，在實際生產中的應用研究或者試驗還較少，如何將實驗研究的結論在工業生產中進行應用與推廣試驗是下一步研究工作的主要方向。

4 結論

本文綜述了鋼渣在水泥行業中應用研究的一些現狀，從這些現狀中發現了一些問題：如何突破鋼渣難磨的技術，如何解決鋼渣中的游離氧化鈣和氧化鎂引起水泥及混凝土安定性不良，以及如何改善鋼渣的性能等問題，這些問題是影響提高鋼渣消納利用量的主要技術原因。此外，應用鋼渣的利潤空間低也是影響鋼渣在水泥行業應用的另一主要原因，如何提升企業綜合利用鋼渣后的利潤空間是鋼渣推廣利用的一大瓶頸，是否可以出臺一些優惠政策推進鋼渣綜合利用量是今后相關部門需要考慮的方向。

有眾多研究者更多地將研究的重點集中在實驗室或試驗階段，但是如何將這些研究應用到生產實際，這些研究結果是否適用于生產實際，本文認為這些問題是研究工作的重點，此外如何快速搭建起企業生產與科研機構之間的“產、研”橋梁是實現科研結果落地的重要手段。

參 考 文 獻

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