鋼渣在水泥混凝土領域應用的研究進展

趙曉峰 劉書文 李春林 李鋒鋒

摘要：鋼渣在水泥混凝土中的應用較為廣泛，本文主要介紹了渣在建筑材料方面的應用研究進展，并就目前的摻雜鋼渣的水泥基混凝土材料存在的問題提出了改善措施，最后對鋼渣在水泥基材料的應用進行了展望。

關鍵字：鋼渣，水泥，混凝土，改善措施

1 引言

煉鋼行業除了生產鋼鐵，還產生副產品和廢物，如爐渣、灰塵、污泥和氣體。粗鋼生產過程中產生的主要固體廢物（重量超過90%）是鋼渣。從鋼水中除去雜質后殘留下來的即為鋼渣，主要由二氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、鋁和鐵組成。通常，鋼渣產生之后被運輸到庫存位置，經過處理和磁分離，以回收金屬鐵。再之后，鋼渣儲存在露天場地，過度堆積不僅造成經濟損失還會造成環境污染。促進鋼渣的再利用是減少鋼渣儲存的有效手段。本文將介紹渣在水泥混凝土應用的研究進展，并提出目前渣用作建筑材料中存在的問題以及改善措施，為未來固廢轉化為建筑材料的發展提供研究基礎。

2 在建筑材料方面的應用研究進展

2.1 礦渣代替水泥作膠凝材料

一些礦物相的存在，如硅酸二鈣和三鈣（C2S和C3S）賦予了鋼渣膠凝性能，這就表明了鋼渣有可能作為輔助膠凝材料。適量的鋼渣可以改善水泥基復合材料的和易性，降低水化熱，填充內部微孔，增強界面過渡區（ITZ）。Wang等[1]利用普通鋼渣、粉煤灰和水泥的結果，研究了機械磨成的超細鋼渣的水泥性能。結果表明，與普通鋼渣相比，超細鋼渣在早期和中期表現出較高的活性，在晚期表現出較低的活性。將粉煤灰與水泥進行對比，發現超細鋼渣對混凝土后期性能的提高沒有貢獻。Yang等人[2]報道了將鋼渣粉加入到磷鉀鎂水泥（MKPC）膏體中可以顯著提高試樣的早期機械強度。當鋼渣粉添加量為10%時，5 h和1 d的抗壓強度分別比參比試樣高17%和32%。同樣，當鋼渣粉添加量為20%時，5 h和1 d的抗壓強度分別比基準膏體高出近5%和30%，60 d時高出8%。改善鋼渣粉的粒徑分布、填充效果和活性效果，降低MKPC漿體的水灰比，使其在相同流動性條件下降低孔隙率，提高硬化漿體的抗壓強度。同時，鋼渣粗粉顆粒中的RO相（以MgO、FeO為主要成分的二價金屬氧化物連續固溶體）可作為淬硬MKPC試樣的微集料，提高了MKPC試樣的抗壓強度。這些因素使含鋼渣粉的MKPC試樣的抗壓強度提高。

2.2礦渣用作混凝土骨料

混凝土的基本性能，如耐久性、機械強度和適用性，與生產中使用的混合材料的質量和性能高度相關。骨料是混凝土最重要的組成部分之一。將天然資源中的石頭破碎而獲得的骨料與水泥漿粘合在一起形成混凝土。多年來，在混凝土生產中不加控制地使用自然資源已經帶來了嚴重的環境問題。

近年來，以鋼渣作為混凝土中的骨料目前已變得普遍。鋼渣具有低無定形二氧化硅和高氧化鐵含量，主要用途是作為骨料替代品。Pellegrino等[3]研究了鋼渣在傳統混凝土中代替天然骨料的適用性。研究人員測試了試樣的抗壓、抗拉強度、彈性模量和耐久性能（加速固化、凍融、干濕）。為此，他們制備了用鋼渣和天然骨料生產的混凝土混合物，其坍落度值為 185 mm，水灰比為 0.52，增塑劑摻加率為 0.4%（水泥重量），引氣劑率為0.016%（水泥重量）， 以及主要由引氣劑引起的 5% 的空氣量。從混凝土混合物中制備150 mm邊立方試樣，以確定7天、28天和74天的抗壓強度，150 mm邊立方試樣和160 × 480 mm邊圓柱形試樣，以確定彈性模量。另外還采用不同的加速固化工藝來觀察在一定條件下固化的混合物的耐久性。主要有四種固化條件類型，第一種固化條件是樣品在70°C溫水中保存32天。第二種是在溫水中保存90天的外部天氣條件。第三種條件是將樣品置于25天的凍融循環中。第四種情況是對樣品進行30天的干濕循環。在正常環境條件下，含鋼渣混凝土試樣的抗壓強度值與傳統混凝土試樣的抗壓強度值相當或更高，用鋼渣制備的混合物的比容重大于用天然骨料制備的混合物的比容重。含鋼渣骨料混凝土試樣的抗拉劈裂強度高于含天然骨料混凝土試樣的抗拉劈裂強度。當考慮耐久性時，樣品在惡劣的環境條件下暴露在凍融循環后，抗壓強度會降低。但是，少量的引氣劑會使樣品強度的降低幅度在可接受的范圍內。

3鋼渣用作建筑材料存在的問題

3.1 安定性不良

鋼渣中含有游離的氧化鎂和氧化鈣以及RO相，在后期水化生成氫氧化鈣和氫氧化鎂。如果不進行適當的處理，鋼渣的體積膨脹會導致建筑材料安定性不良，并對建筑材料的耐久性產生負面影響。鋼渣中的這些物質經歷高溫煅燒后呈死燒狀態，水化活性弱，在鋼渣漿體硬化后，這類物質開始緩慢水化發生膨脹，破壞硬化后的漿體。若在大型建筑物中使用，該情況會在幾年后顯現，從而引發重大事故。鋼渣須有足夠的體積穩定性才能用作輔助膠凝材料或者骨料。

3.2 早期強度低

用鋼渣代替天然骨料通常可以提高經過適當處理的鋼渣混凝土混合料的強度。鋼渣表面較尖的棱角、粗糙表面有助于增強骨料與大塊水泥漿體的界面過渡區之間的相互作用，從而提高混凝土的強度。早期強度降低通常出現在強度試驗的28天和90天。造成該負面結果的主要原因是鋼渣中過量游離氧化鈣和氧化鎂及RO相的反應引起的體積膨脹和開裂，。此外，和易性降低引起的偏析或澆筑不良也可能導致鋼渣混凝土強度降低[4]。

4 改善措施

鋼渣需要進行處理以降低游離氧化鈣含量并保持混凝土的體積穩定性，從而克服上述問題。目前的處理方法可分為預處理方法和后處理方法[5]。預處理是針對鋼水渣，而后處理是針對使用前或使用過程中的固態鋼渣。預處理方法包括煉鋼過程中鋼渣熔融淬火、分劈技術、破碎或用硅灰、粉煤灰改性[6]。

預處理后的鋼渣不能直接用于混凝土，需要進一步處理以保證體積穩定性。后處理是指煉鋼行業對經過冷卻過程后的固態鋼渣的二次加工。常見的后處理包括自然老化、二氧化硅改性、高壓滅菌、酸化和薄膜包裝方法。這些方法通常需要物理激發或化學激發劑。

5 結論及展望

本文介紹了鋼渣在水泥混凝土中可作輔助膠凝材料和骨料的應用進展，并提出了鋼渣在應用中出現的問題，提出了改進措施。鋼渣在工業中的應用已經很廣泛。鋼渣在硅酸鹽水泥基材料中的應用面臨的重大挑戰仍然是潛在的體積膨脹和低反應活性，從而導致了安定性不良和早期強度較低。這需要研究人員進一步從更細致更微觀的角度深入研究。

參考文獻

[1] Wang Q， Yang Y， Yan P. Powder Technology， 2013， 245： 35-39.

[2] Yang J， Lu J， Wu Q， et al. Construction and Building Materials， 2018， 159： 137-146.

[3] Pellegrino C， Gaddo V. Cement and Concrete Composites， 2009， 31： 663-671.

[4] 翁一男. 北京化工大學， 2020.

[5] Dong Q， Wang G， Chen X， et al. Journal of Cleaner Production， 2021， 282： 124447.

[6] 支鵬飛， 馬紅梅， 何政文. 公路交通科技， 2021， 38（10）：30-38.