鋼渣在道路工程中的應用研究進展

段德峰 劉潤喜 王曉川 周恒玉

摘 要：工業鋼渣是工業煉鋼生產過程中容易排出的固體殘渣，是一種用于工業的固體廢物，占工業生產中使用粗鋼的15%～20%。鋼渣具有堿性強、棱角豐富等特點，其主要金屬礦物和有機化學成分與其他水泥料和熟料相似，具有潛在的有機水化學和反應活性。近年來，我國高速公路建設成就顯著，其集料需求增大，使得常規的天然集料已經不能滿足需求。鋼渣集料是否能在高速道路上廣泛應用發展是目前備受業界關注的一個熱點。因此，本文總結大型鋼渣的化學性質、活化特性、流動特性及穩定性的相關研究進展，并重點介紹了鋼渣在城市道路交通工程設計中的實際應用情況。

關鍵詞：鋼渣利用;活性激發;道路工程

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0129-04

Abstract： Industrial steel slag is generally used as a solid residue that is easily discharged during industrial steelmaking production. It is a solid waste for industrial use， accounting for 15%～20% of crude steel used in industrial production. Steel slag has the characteristics of strong alkalinity， rich edges and corners， and its main metal minerals and organic chemical composition are similar to other cement materials and clinker， and it has potential organic water chemistry and reactivity. In recent years， China’s highway construction has achieved remarkable results， so the demand for aggregates has increased. Conventional natural aggregates can no longer meet the demand. Whether steel slag aggregates can be widely used on highways has become a hot spot in the industry. This paper mainly summarizes the research progress of the chemical properties， activation characteristics， flow characteristics and stability of large-scale steel slag， and focuses on the practical application of steel slag in the design of urban road traffic engineering.

Keywords： steel slag utilization;active excitation;pavement engineering

目前，我國鋼鐵工業產量居世界第一，每年鋼鐵產生的鋼渣量占世界鋼鐵工業產量的15%～20%，鋼渣每年排放量近億噸。鋼渣是加熱煉鋼生鐵過程中的一種重要副產品，由生鐵中的硅、錳、磷、硫等金屬雜質在加熱熔煉生鐵過程中受熱氧化所生成的各種惰性氧化物以及這些各種氧化物與其有助于熱熔的溶劑（如石灰粉）進行反應后所生成的各種鹽類混合組成[1]。大量的廢鋼渣長期積累，不僅占據大量施工場地，而且嚴重污染現場環境。合理利用鋼渣資源不僅有利于環境保護，還能為企業帶來經濟效益。目前，我國工業鋼渣綜合利用率為50%～60%，遠低于世界其他生產大型鋼渣產品的國家。

高磷鋼渣很早之前就已經被一些西歐國家用來制備有機肥料。鋼渣中含有許多對農作物有益的元素，如硅、鎂、鐵和鋁等，因而可能成為植物吸收養分的重要來源。鋼渣粉體比表面積較大時，晶體網格將產生嚴重缺陷，其表面自由能增高，可以用來處理重金屬和負離子含量較多的工業廢水。

鋼渣的主要化學成分含量會因鋼鐵的生產工藝和生產原料不同而產生一定波動，但差別不大。借助X射線熒光光譜（X-Ray Fluorescence，XRF）儀器，測得不銹鋼渣的主要化學成分，如表1所示[2]。鋼渣的主要礦物成分有硅酸二鈣、硅酸三鈣和鐵酸二鈣，除此之外還有部分含氟磷灰石和一些游離氧化鈣，所以鋼渣可以作為我國水泥工業生產的主要混合材料，以達到綜合利用的主要目的。鋼渣樣的堿值為2.2，同時，其具有棱角豐富和粘結硬度高的特點，作為凝集料可應用在水泥混凝土、瀝青混合料以及半剛性建筑基層中。

1 鋼渣活性激發的機理

鋼渣中的礦物需要在1 600 ℃的高溫環境下才能形成硅酸鹽礦物，冷卻時間較長，因此具有結晶完整、化學性質穩定等特點。它的化學結構規則，且其結構“空洞”中間還可固化，易溶大量酸性異離子，如P、MgO、FeO等雜質。這些獨特的性能使得鋼渣具有穩定的結構，從而造成這些礦物的水化反應速度慢，活性低，限制了鋼渣的利用率。為了進一步推進鋼渣在道路工程中的應用，可采用激發工藝來提高鋼渣的活性。目前用于激發鋼渣活性的主要方法包括機械激發、化學激發、熱力學激發和鋼渣復合重構。

1.1 機械激發

采用機械力可以調整鋼渣的細度，從而增加鋼渣中礦物與水的接觸，加快水化速度，提高鋼渣活性。如圖1所示，與標準砂相比，隨著比表面積的增大，熔煉渣、精煉渣的活化指數呈增大趨勢，7 d和28 d的活性指數均符合規范要求，其中熔煉渣、精煉渣比表面積具體分別為338.4 m2/kg、296.0 m2/kg。

彭艷周等[1]采用灰色關聯度分析了鋼渣粉體比表面積對活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）強度的影響。研究結果顯示，粒徑小于30 μm的渣粉可以增強RPC的強度，反之，會弱化RPC的強度。其中，粒徑介于5～10 μm的鋼渣粉體改善RPC的性能最為優異，其次是小于5 μm的粒徑。因此，建議在使用過程中應盡量調整鋼渣粉體的級配，以獲得性能優異的RPC。

1.2 化學激發

化學激發主要有酸性激發和堿性激發兩種方式。總結相關研究發現，堿性激發方式應用較為廣泛。堿性激發的原理是通過提高液相堿度加快鋼渣中活性礦物的水化作用。目前，常用的激發劑有水玻璃、氫氧化鈉、硅灰和硫酸鈉等。李玉祥等[3]借助掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）和常規力學試驗分析不同激發劑對鋼渣活性的影響，結果表明，激發劑可以增加鋼渣水化后的硅酸鈣凝膠含量，進而破壞其穩定的網絡結構，其中激發效果最好的激發劑為硅灰。

1.3 熱力激發

常溫條件下，如果鋼渣的堿度過低，則鋼渣粉體的水硬性極弱，因此以水熱反應為原理的凝膠材料制備工藝顯得十分重要。在熱應力的作用下，鋼渣玻璃體結構中的Si—O和Al—O鍵容易發生斷裂，斷裂后鋼渣的水化反應速度加快。壓力和溫度相同時，橄欖石類鋼渣的蒸壓強度隨反應時間的增加增強至最大值后降低。升高溫度并增加壓力，有利于減少達到最大強度所用的時間。

目前研究還存在一定不足，今后研究應集中在開發低費用、高效果的復合激發劑，并采用多種激發方式相結合的方法。具體來說，加入可以調整鋼渣組分的材料，使其組分與水泥熟料相近，并通過研磨得到重構的優質鋼渣，再綜合采用多種激發方式，進一步提高重構鋼渣的活性。

2 鋼渣在道路中的應用

鋼渣活性的提高進一步促進了其在道路工程中的應用。將鋼渣替代碎石用于道路工程不僅可以減少鋼渣對場地的占用，節約土地資源，還可以為道路工程提供廉價材料，有利于鋼鐵企業的可持續發展。

2.1 鋼渣作為水泥生料

因為鋼渣中含有類似硅酸鹽水泥中的C2S、C3S等礦物成分，所以其具有與水泥相似的凝膠特性。目前，鋼渣一般與水泥、混凝土復合使用，但這種使用方式存在明顯不足。鋼渣的摻量較少，其利用量不足排放量的3%;添加工藝不完善，導致熟料率值不易協調等問題，嚴重制約了鋼渣在水泥中的應用。

馬保國等[4]借助XRD試驗分析了摻入鋼渣后形成的熟料，對比未添加鋼渣的空白組，加入鋼渣樣品中的C3S特征峰較高，表明鋼渣的摻入改善了生料的易燒性，縮短了熟料形成所需的時間，且添加鋼渣可以減少鐵粉和石灰石的消耗量，減少二氧化碳的排放，顯著提高了經濟效益。摻入鋼渣配料和鐵粉的水泥所拌制的混凝土具有接近的和易性，且二者制備的混凝土的抗壓強度、坍落度相仿。目前，采用鋼渣替代鐵粉制備的水泥熟料的工藝已經實現，但為了防止方鎂石晶體的產生，需要限制鋼渣中氧化鎂的含量，以免影響水泥的安定性。煅燒時，鋼渣中的微量元素和氧化鎂可以起到礦化劑的作用，減少能耗，并提高產量。侯新凱等[5]通過將鋼渣磨粉并借助重力、靜電等手段分選出鋼渣中的RO相，從而改善鋼渣水泥的活性。

鋼渣中的CaO含量與石灰石中的CaO含量相當，因此將鋼渣摻入水泥生料中可以降低石灰石的消耗量。煅燒過程中，鋼渣中的CaO活性較高，因此可以減少碳酸鈣（CaCO3）分解時消耗的能量。CaCO3消耗量減少，煅燒過程中熱量耗散隨之減少，進而煤的使用量較少，碳排放量減少，符合節能減排理念[6]。鋼渣與水泥中的礦物成分相似，但煉鋼時所需溫度較高，使得鋼渣中的硅酸鹽晶體具有較高的活性，因此可以用于非熟料晶種，形成“誘導結晶”。

2.2 鋼渣作為水泥摻合料

鋼渣是多種物質氧化以及爐襯侵蝕等形成的復合固溶體[7]，可以作為道路施工和回填工程材料。在建筑材料方面，鋼渣主要用作水泥和混凝土中的外摻劑，但生成鋼渣中水硬性凝膠礦物所需的溫度較高，導致其活性較低，與水泥復摻后，削弱了原有混凝土的早期強度。

硅酸鹽礦物是轉爐鋼渣的主要礦物成分。由于轉爐鋼渣堿性高、活性強且其產出量大，因此通常將轉爐鋼渣作為鋼渣水泥的主要原料。高堿性鋼渣中的硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和硅酸三鈣（3CaO·SiO2）礦物成分含量與常用的硅酸鹽水泥接近，且都具備水化反應能力，具體的化學反應方程式如下：

普通硅酸鹽水泥的煅燒溫度約為1 450 ℃，但鋼渣的煅燒溫度高于1 560 ℃，因此鋼渣中的礦物晶體顆粒較大，結晶狀態密實且程度高。但是，這一特點使得鋼渣水化速率緩慢，需要借助堿激發手段改善鋼渣的水化反應速率，從而充分發揮其潛在凝膠特性，最終反應得到強度較高的硬化體。

2.3 鋼渣作為集料

有關鋼渣集料應用方面的研究，國外起步較早。美國將約60%的鋼渣用于道路工程領域，且已證明鋼渣集料的抗壓性能優于玄武巖、礫石等。AMERI等[8]通過一系列室內試驗評價了采用鋼渣替代常規集料的可行性，研究結果表明，鋼渣的摻入可以提高瀝青混合料的彈性模量和抗拉強度，并改善其水穩定性能和高溫穩定性能。利用鋼渣作為瀝青混合料粗集料，還可以增強混合料的電導率，可以應用于高速公路和機場融雪道面等場景。

目前，針對鋼渣集料的研究雖然取得了一定成果，但仍存在不足，具體體現在大多研究集中于將鋼渣作為瀝青混合料集料且大多用于低等級道路的修建。20世紀80年代，我國開始開展將鋼渣作為瀝青混合料集料方面的研究。具有良好安定性的鋼渣在破碎后，具有比重大、硬度高、穩定耐磨以及耐腐蝕等特點，使得其與瀝青拌和后不會發生膨脹，因此多用于公路、鐵路等工程領域。

姜從盛等[9]為了改善瀝青混合料中集料的耐磨性能，采用鋼渣替代混合料中的部分細集料。研究結果表明，集料的耐磨性提高了35%，且混合料的抗折、抗壓強度和耐久性均獲得了一定改善。北京長安街工程采用鋼渣代替混合料中的玄武巖，武黃高速公路工程采用各種類型的鋼渣作為瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA）的集料，發現摻入鋼渣的SMA瀝青混合料具備良好的路用性能。

申愛琴等[10]通過制備4種不同鋼渣摻量下的瀝青混凝土，借助疲勞試驗，研究了不同鋼渣摻量及應變對瀝青混凝土疲勞壽命的影響。研究結果表明：隨著鋼渣摻量的增多，SMA-13混合料疲勞壽命得到改善;當鋼渣摻量大于臨界值時，疲勞壽命反而減弱，由此得出鋼渣的最優摻量為30%。XRF試驗結果表明，鋼渣中的二氧化硅低于輝綠巖，而氧化鈣含量高于輝綠巖;SEM試驗結果表明，鋼渣的表面結構較輝綠巖復雜，因此與瀝青的結合程度優于輝綠巖。

鋼渣在水泥混凝土中所起的作用是將鋼渣砂作為砂漿集料。在相同用水量下，摻入鋼渣后砂漿的和易性優于未摻入鋼渣的砂漿。因此，可以通過摻入鋼渣來降低單方混凝土的用水量，減小水灰比，進而提高砂漿的抗壓強度。熊付剛[11]將破碎后的鋼渣以不同摻量替代細集料后對砂漿的強度和模量進行了評價。研究結果表明，摻入鋼渣砂漿的稠度和密度隨鋼渣摻量的增大呈現先增大后減小的變化規律，且當鋼渣的摻量為40%時抗壓強度和彈性模量最高。HISHAM等[12]的研究結果表明，用鋼渣代替混凝土中的細集料，會減小混凝土的和易性。白敏等[13]用鋼渣完全替代石子配置混凝土的研究表明，相較于普通混凝土，摻入鋼渣的混凝土各項力學性能較優異，耐久性均優于普通混凝土，且摻入鋼渣后混凝土的體積隨時間的延長而增大。

鋼渣穩定碎石可以作為路面結構的基層，劉玉民等[14]對比了鋼渣穩定碎石基層與水泥穩定碎石基層的差別。結果表明，鋼渣穩定碎石基層21 d劈裂強度較水泥穩定碎石基層好，且其28 d回彈模量滿足規范要求。徐方等[15]采用CBR試驗研究了不同陳化齡期的鋼渣對路面基層安定性能的影響，結果表明，鋼渣中游離的CaO隨鋼渣陳化時間的增加而減少，且陳化時間越久，鋼渣基層試件體積越穩定。

3 結語

本文主要總結了鋼渣在道路工程中應用的研究進展，目前相關研究雖然取得了一定成果，但仍有部分亟待解決的問題。

一是因鋼渣中的活性成分較多，所以當選用鋼渣作為混凝土粗集料時，其在混凝土中的作用機理還需要進一步研究。

二是目前大多采用陳化鋼渣或通過調整鋼渣的細度來減少鋼渣中的有害成分f-CaO、f-MgO產生的不利影響，但采用大粒徑鋼渣作為混凝土集料時所制備的混凝土在硬化后期容易發生膨脹甚至開裂，因此在不破壞鋼渣結構的情況下采用有效的手段減少混凝土的開裂也是今后的研究重點之一。

三是鋼渣中孔隙的存在會對混凝土的抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性產生不利影響，如何有效減少這一問題的出現值得研究。

四是吸水后的鋼渣可以補充水泥水化過程中需要的水分，但摻入鋼渣后混凝土會發生膨脹甚至開裂，這一特點是否可以用來解決高強混凝土早期自收縮較大的問題仍需要進一步研究。

五是由于鋼渣骨料安定性的離散性以及危害產生的長期性，要進一步對工程結構中鋼渣骨料發生的危害進行科學評估。

參考文獻：

[1]彭艷周，陳凱，胡曙光.鋼渣粉顆粒特征對活性粉末混凝土強度的影響[J].建筑材料學報，2011（4）：541-550.

[2]史永林，儀桂蘭，李慧斌.一種提高鋼渣活性的方法：CN103539367A[P].2014-01-29.

[3]李玉祥，王振興，馮敏，等.不同激發劑對鋼渣活性影響的研究[J].硅酸鹽通報，2012（2）：281-290.

[4]馬保國，許蟬娟，賽守衛，等.鋼渣在水泥熟料燒成中的作用及其機理[J].武漢理工大學學報，2005（9）：1-3.

[5]侯新凱，袁靜舒，李虎森，等.一種提高鋼渣水化活性的方法：CN103435278B[P].2015-05-20.

[6]梁曉杰，葉正茂，常鈞.碳酸化鋼渣復合膠凝材料早期水化活性[J].硅酸鹽學報，2012（2）：226-231.

[7]IONESCU D， MEADOWCROFT T R.Early-age hydration kinetics of steel slags[J].Advances in Cement Research，2001（1）：21-30.

[8]AMERI M， BEHNOOD A.Laboratory studies to investigate the properties of CIR mixes containing steel slag as a substitute for virgin aggregates[J].Construction & Building Materials，2012（1）：475-480.

[9]姜從盛，李國棟.鋼渣作耐磨集料的研究[J].武漢理工大學學報，2001（4）：14-17.

[10]申愛琴，喻沐陽，郭寅川，等.鋼渣瀝青混合料疲勞性能及改善機理[J].建筑材料學報，2018（2）：327-335.

[11]熊付剛.鋼渣代砂對砂漿的強度和工作性能的影響[J].建材世界，2009（l）：19-22.

[12]QASRAWI H.The use of steel slag aggregate to enhance the mechanical properties of recycled aggregate concrete and retain the environment[J].Construction & Building Materials，2014（3）：298-304.

[13]白敏，尚建麗，張松榆，等.鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗研究[J].混凝土，2005（7）：62-64.

[14]劉玉民，王蘭，王玉.鋼渣混合料用作道路基層材料工程應用研究[J].中外公路，2018（5）：209-214.

[15]徐方，陳志超，朱婿，等.鋼渣路面基層材料安定性試驗研究[J].混凝土，2012（9）：59-63.