鋼渣摻合料用于混凝土的研究進展及應用

摘要：鋼渣是鋼鐵行業在煉鋼中產生的固體廢棄物，由于其活化程度低、易磨性差、游離氧化鈣（游離氧化鎂）含量較多，目前仍未得到有效應用。本文研究了鋼渣的基本理化性能，通過對鋼渣礦物組成及化學成分的分析，發現其內部含有結晶程度較好的C3S和C2S，這使得鋼渣具備作為混凝土摻合料的應用潛力，并詳細論述了鋼渣對混凝土性能的影響，包括增強混凝土的力學性能、改善工作性能、耐久性等，指出了鋼渣作為摻合料在混凝土中的優勢和潛在的應用價值。最后，提出了未來鋼渣摻合料在混凝土中的研究方向，以期為我國鋼渣的綜合利用提供一個新的思路。

關鍵詞：鋼渣；摻合料；混凝土；固廢利用

中圖分類號：TU528 """"""""""文獻標識碼：A """""""""""文章編號：

Research Progress and Application of Steel Slag Admixture in Concrete

DING Rui 1， LI Wenfu 1*， LI Bo 2

（1：School of Materials Science and Engineering，Jilin Jianzhu University ，Changchun Jilin 130118，China;2： Heilongjiang Longjian Road and Bridge Second Engineering Co.， Ltd.，Harbin Heilongjiang 150028，China）

Abstract：Steel slag is a solid waste produced by the iron and steel industry in steelmaking， which is still not effectively applied due to its low activation degree， poor abrasiveness and high content of free calcium oxide （free magnesium oxide）.In this paper， the basic physical and chemical properties of steel slag are investigated， and through the analysis of the mineral composition and chemical composition of steel slag， it is found that it contains C3S and C2S with good crystallization degree， which makes the steel slag has the potential to be applied as concrete admixture，and the effects of steel slag on concrete properties are discussed in detail， including the enhancement of the mechanical properties of concrete， improvement of the workability and durability， and the advantages and potential advantages of steel slag as an admixture in concrete are indicated，and the advantages and potential application value of steel slag as an admixture in concrete are pointed out. Finally， the future research direction of steel slag admixture in concrete is proposed，in order to provide a new idea for the comprehensive utilization of steel slag in China.

Keywords： steel slag; admixture; concrete; solid waste utilization

0 引言

當前，全球變暖和環境污染所引起的問題日益嚴峻。2020年9月，我國基于氣候變暖問題制定了“雙碳政策”，即CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。據不完全統計，建筑行業的碳排放量約占整個工業碳排放量的20%左右，其中硅酸鹽水泥作為一種重要的建筑材料，其產量隨著城市化的建設穩步增長，生產1 t硅酸鹽水泥，約排放0.9 t的CO2，可見CO2排放量巨大[1]。硅酸鹽水泥作為建材的中間產物，其產品的最終體現一般為混凝土及其制品。因此，建筑行業的減排應以低熟料水泥的制備及綠色低碳混凝土發展為主要方向，其中低碳混凝土方向應為重點的研發方向，其通常是指在混凝土的制備和使用整個全周期過程中，不僅具備與工程相適應的流變性能、承載能力、穩定性和耐久性，而且還具有資源和能源節約能力、環境和生態保護能力的建筑材料[2]。然而，傳統混凝土制備過程中排放的CO2，90%以上來自水泥，骨料生產、混凝土攪拌和混凝土運輸產生的C02排放量不足10%。因此，從混凝土原材料碳排放控制的角度來看，減少水泥的使用是最直接有效的方法。

與此同時，我國大宗固廢種類繁多且存量逐年增長，占用了大量的土地資源并嚴重污染環境。以鋼鐵企業在煉鋼過程中產生廢棄物鋼渣為例，其含有的成分主要有C2S，C3A，C4AF及少量的C3S，具有潛在的膠凝活性，可作為摻合料用于混凝土制備過程，實現固廢利用的同時降低了碳排放，目前全國尚未得到充分利用的鋼渣儲量高達10億t，但由于其早期活性低、易磨性差，安定性不良等原因，綜合利用率僅在20%左右，遠低于許多國家超過90%的利用率[3]。可以看出，要想在國內大規模資源化利用鋼渣還存在一定的難題，因此以鋼渣等典型工業固廢為處置對象，開展礦物摻合料大摻量技術制備低碳混凝土研究，是實現建材行業低碳排放的關鍵技術途徑。

1 鋼渣的基本組成與性能

1.1 鋼渣的化學成分

鋼鐵廠的鋼渣是煉鋼過程中生鐵中雜質氧化的副產品[4]，其主要由煉鋼過程中添加的石灰石、白云石等冶煉熔劑所產生。黃華等[5]對鋼渣組成進行了化學分析，認為鋼渣的主要成分為CaO（41.34%）、Fe2O3（24.86%）、SiO2（0.23%）、MgO（9.27%），相對于普通硅酸鹽水泥，鋼渣中的Fe，Mg含量相對較高，而Si，Ca含量相對較低。鋼渣的化學成分會因所用材料、所用爐型、鋼的種類和預處理方法的不同而有所變化。吉林省通化鋼鐵廠鋼渣的化學成分如表1所示。

1.2 鋼渣的礦物組成

鋼渣中的主要礦物相包括橄欖石，輝橄欖巖，C3S，C2S，C4AF，C2F[6]。此外，一部分鋼渣還會含有一些游離氧化鈣和游離氧化鎂，以及還含有微量的氧化鐵（FeO）和氧化錳（MnO）[7]，研究表明，鋼渣具有與水泥熟料相似的成分，例如C3S，C2S主要礦物等具有潛在活性，經過工藝加工可作為水泥混合材和混凝土的摻合料[8]，另一方面，與傳統骨料相比，因其質地堅硬，耐磨性好等特點被廣泛應用到工程回填材料、鐵路、堤壩與道路工程當中。

但鋼渣作為粗骨料，使用經濟附加值較低，結合運輸因素，導致成本增高，市場接受程度較低。考慮到鋼渣具有的潛在水硬性，作為摻合料應用于混凝土中具有更高的應用潛力，但作為摻合料使用時應考慮到鋼渣的體積穩定性、易磨性、早期活性等問題，隨著鋼渣處理工藝的改進（滾筒法、熱悶法、風淬法、熱潑法等）[9]，經過長期陳化、浸泡、酸洗處理后的鋼渣協同其他活性摻合料復合使用后，穩定性也可以滿足混凝土對于摻合料應用的要求。

2 鋼渣用于混凝土摻合料研究進展

2.1 鋼渣摻合料對混凝土工作性能的影響

黃曉軍等[10]選取了比表面積為470 m2/kg的鋼渣粉，通過控制混凝土中鋼渣粉的摻量發現：在鋼渣粉含量逐漸增多的情況下，混凝土坍落度也會逐漸增大。用水量一定時，混凝土拌合物的流動性會因為鋼渣粉的摻入而得到改善，且在相同流動度的情況下，可以降低用水量，具有一定的減水效果。王強等[11]通過試驗研究得出：水灰比較高或較低時，摻入鋼渣都可以改善混凝土的工作性能，但都需要保持在一定范圍之內，當鋼渣摻量超過一定程度時，混凝土的抗離析能力反而下降。王迎春等[12]通過試驗發現，鋼渣摻入能使水泥的標準稠度用水量減小、延長凝結時間、降低水泥的水化熱；摻比量≤35%時，對混凝土的坍落度和工作性能影響不大。鋼渣的摻入成功地降低了鋼渣對強度的負面影響。Wang等[13]認為鋼渣等是一種非常有效的礦物摻合料，可以用于延遲凝結時間，增加混凝土流動性，降低水化熱。Pan等[14]用10%的鋼渣粉代替水泥配制自密實混凝土，提高了混凝土的填充能力和通過能力，降低了自密實混凝土的抗離析能力。Roslan等[15]發現由于鋼渣表面很粗糙，和易性也會隨著鋼渣的使用而降低，從而影響混凝土的工作性能。

2.2 鋼渣摻合料對混凝土力學性能的影響

Gencel等[16]通過研究發現鋼渣可以取代波特蘭水泥，并且取代率可以高達45%，具有顯著的抗壓強度。另外鋼渣也可以100%的比例再次取代天然骨料，并具有高抗壓強度值。Wang等[17]探究了鋼渣對混凝土抗壓強度的影響，研究結果顯示，在W/B不變的條件下，混凝土的抗壓強度會受到鋼渣摻量的影響，摻量越大強度越低，尤其是在早期階段。當水膠比較小時，鋼渣對混凝土抗壓強度的負面影響越小。此外，在保持28 d抗壓強度不變的條件下，摻入鋼渣的混凝土在早期階段的強度低于純水泥混凝土，但在后期階段的強度高于純水泥混凝土。柴天紅等[18]針對比表面積為450 m2/kg的鋼渣粉，對C30混凝土配比進行了試驗，得出結論：鋼渣粉摻量的界限為30%，摻量≤30%時，有助于提高混凝土的強度；而摻量≥30%時，混凝土的強度則會降低，而且隨著鋼渣的摻量逐漸增多，降低趨勢越明顯。朱建華等[19]開展了相關試驗：通過減少10%～30%的水泥用量來制備混凝土試塊，減少的水泥量用鋼渣粉來替代，對其進行力學性能測試，最終得出結論：隨著鋼渣粉摻量的逐漸增加，混凝土的抗壓強度、抗折強度以及相對動彈性模量分別呈現出先增加后減小的趨勢，研究表明適量的鋼渣粉替代水泥有助于提高混凝土的力學性能，而最佳鋼渣粉摻量為10%。

2.3 鋼渣摻合料對混凝土耐久性能的影響

韓均[20]研究了不同鋼渣摻量在兩種不同水灰比條件下對混凝土耐久性的影響，在保持水灰比不變時，鋼渣摻量較低時對混凝土的抗碳化性能影響較小，鋼渣摻量較多時一般會明顯削弱混凝土的抗碳化性能；特別是在W/B較低或初始標準養護期較長時，鋼渣對混凝土抗碳化性能的影響更低。丁天庭等[21]進行了耐久性試驗，探究了碳化和抗凍對于鋼渣混凝土的影響，結果發現：當鋼渣摻量＞10%時，混凝土的抗凍能力隨著鋼渣摻量的增加呈下降趨勢，且凍融循環天數越多，混凝土的相對動彈性模量下降越明顯。當試驗進行至56 d時，摻30%鋼渣混凝土的碳化深度已達12.5 mm；試驗180 d時，摻30%鋼渣混凝土的相對動彈性模量降至88.7%。Hu[22]用鋼渣替代30%的水泥，延長了休眠水化發展時間。與波特蘭水泥混凝土相比，鋼渣摻量為30%的混凝土在720 d內的碳化深度要好得多。Wang等[17]研究了鋼渣對混凝土耐久性能的影響，研究顯示：在水膠比不變的條件下，增加鋼渣摻量會使混凝土的抗滲能力降低，同時也會使混凝土的抗碳化能力降低；并且隨著水膠比越小，鋼渣對混凝土抗滲性和抗碳化性的負面影響也會隨之變小；高水膠比時，鋼渣對混凝土早期干縮有促進作用，但對90 d極限干縮影響不大；反之低水膠比時，鋼渣對混凝土的干燥收縮影響不大；另外，在28 d抗壓強度不變的條件下，摻鋼渣混凝土的抗滲性、干縮性和抗碳化性能與純水泥混凝土相當。

3 鋼渣摻合料在混凝土工程中的應用

當前我國鋼渣的利用率實際只有40%左右，而國外鋼渣的利用率接近100%，尤其美國、日本、德國等發達國家已經將鋼渣廣泛應用于建筑、公路、鐵路工程和鋼鐵、農業等方面，但其在水泥混凝土生產中的利用率還比較低。現如今，我國鋼渣年產量及堆存量逐年增多，因此提高鋼渣的利用率，推動鋼渣的大規模利用是值得研究的一個重要方向，而且鋼渣的化學成分與硅酸鹽水泥較為相似，具有潛在的膠凝活性，可以作為礦物摻合料取代水泥用于混凝土中，也更容易被工程領域所接納。

國內外學者進行了一些相關研究，任新濤等[23]將鋼渣微粉用于道路混凝土工程中，并開展了相關試驗，研究顯示，當鋼渣微粉與水泥比例為3：7時，鋼渣的增加會導致拌合物的標準稠度和砂漿強度先下降然后趨于穩定，而凝結時間和砂漿流動度先上升后趨于穩定，由此可以發現，鋼渣微粉用于路面工程中可以改善混凝土的耐磨性，抗凍性和體積穩定性。婁躍恒等[24]將鋼渣粉用于泡沫混凝土的制備，研究其對混凝土性能的影響，通過試驗發現：隨著鋼渣摻合料摻量的增加，混凝土的抗壓強度和收縮率下降，但干密度值升高，從而改善了泡沫混凝土的體積穩定性，提高了混凝土的耐久性能。鄭永超等[25]通過使用鋼渣粉代替礦粉制備C30混凝土，發現鋼渣的加入可以降低膠凝材料整體產生的水化熱，但會對外加劑的飽和摻量點和長期損失率產生較大影響。此外，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土早期強度發展較差，但后期發展較好并顯示出較大的增長潛力。Han等[26]通過試驗測定5年齡含鋼渣粉的混凝土的性能。結果表明，與硅酸鹽水泥混凝土相比，水膠比不變的情況下，鋼渣粉混凝土在5年后仍具有較低的抗壓強度、較高的孔隙率和較低的抗氯離子滲透性；而鋼渣粉含量較高的混凝土在5年時具有較高的抗壓強度、較低的孔隙率和非常低的滲透性。

4 結語

鋼渣是煉鋼過程中產生的一種以硅酸鹽礦物為主要成分的固體廢棄物，同時鋼渣也作為冶金行業的副產品，具有潛在的再利用價值，可以在建筑、道路、水泥生產等領域發揮重要作用，例如骨料、水泥、摻合料、填料等。這種再利用不僅能夠減少廢棄物的排放，降低環境污染，還能夠節約原材料資源和能源消耗，符合可持續發展的理念，未來的研究和實踐應該進一步深化對鋼渣的認識，首先，進一步優化鋼渣的活化方法，提高其活性成分的利用率。其次，研究鋼渣摻合料與其他摻合料（如粉煤灰和硅灰等）的協同效應，以進一步提高混凝土性能。此外，對于鋼渣摻合料在特殊環境條件下的性能研究也具有重要意義。

參 考 文 獻

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編輯：楊 洋