钢渣作混凝土集料的研究现状、问题及发展方向

　　钢渣是炼钢转炉或电炉产生的一种工业副产品，是冶金工业的头号废渣。 全球每年排放钢渣1～1.5亿t，我国钢渣年排放量达到90Mt以上，但利用率只有22%，远低于发达国家。 钢渣堆积占用大量的土地，造成资源浪费、环境污染，亟需进行综合治理，探寻资源化利用的有效途径。

　　全国各地钢渣质量状况和利用水平不尽相同。 在重庆地区，钢渣主要用作回填、低等级市政道路路基工程和生产磨细钢渣粉， 近年来钢渣品质与活性受各种因素影响逐渐降低， 在水泥和混凝土企业越来越依赖于高活性掺合料的情况下， 这种品质上的劣化正成为一种潜在的风险，钢渣的总体消耗量受到一定的影响。

　　另一方面， 重庆市混凝土行业对砂石集料的需求量非常大，经过多年的开采，天然集料日益匮乏，砂石价格上涨，质量持续变差，搅拌站在生产高强或超高强混凝土时往往难以找到优质的集料，目前较多的研究试图利用钢渣的某些特性，将其用作高强混凝土集料，这是混凝土从业者为实现钢渣的大宗利用而进行的一种尝试。

　　1、钢渣的基本性能

　　钢渣的化学成分随炉型、钢种和预处理方法的不同而有所差异。 目前我国排放的钢渣70%以上都为转炉钢渣，典型化学成分见表1。唐明述院士等对钢渣的理化性质做了比较系统的研究， 认为钢渣化学组成主要为CaO、SiO2、Fe2O3、FeO、Al2O3、MgO和一定数量的单质Fe， 从化学组成上看钢渣具有潜在活性，可在一定程度上参与水泥的水化反应，改善混凝土-集料的界面结构，提高混凝土的耐久性；此外，钢渣中含铁相固熔体，橄榄石等耐磨性好的矿物，使其具有优良的耐磨、耐冲击性能；钢渣颗粒表面粗糙且多棱角， 可增强其与水泥石的结合力，钢渣的这些性质使其具有用作混凝土集料的可能性。

　　但另一方面，钢渣是在1560℃以上形成的废渣，其中含有死烧的f-CaO和f-MgO，遇水后水化生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，体积增大产生膨胀应力，易产生安定性不良，在混凝土硬化后期缓慢水化引起开裂破坏。 此外，钢渣孔隙率大，吸水量较高，拌制混凝土时易吸附水和外加剂，影响混凝土工作性能，间接影响混凝土强度。研究表明通过将钢渣磨细至一定比表面积可有效降低其不利影响，但如果钢渣作为混凝土集料，对混凝土的长期稳定性势必会成为一个长期存在的隐患，对钢渣作混凝土集料展开系统研究，既是现实之需，也是节能减排政策的要求。

　　2、钢渣作集料的研究现状

　　钢渣的应用研究始于20世纪初期，但各国的研究深度和范围各有不同。美国在20世纪70年代初就已基本实现了钢渣的全部利用，而我国对钢渣作集料的研究始于20世纪80年代。 近30年来，各国对钢渣用作混凝土集料已进行了相关研究，主要集中在市政道路、建筑砂浆和水泥混凝土三个领域：

　　（1） 市政道路

　　国外钢渣作集料的应用研究起步较早，但研究主要集中在钢渣作沥青混凝土骨料或用于低等级道路工程。 美国约有60%的钢渣用于道路工程，1998年德国将97%钢渣作为集料用于路基或路面。 研究者对钢渣用作沥青混凝土集料的可行性进行相关研究，德国的矿渣和钢渣研究协会（FEhS）用30年时间系统研究了转炉钢渣和电炉钢渣作集料的各项性能， 研究表明钢渣在抗压等性能方面优于玄武岩、砾石等集料。 Ameri M等评估了钢渣代替天然集料的有效性， 结果表明钢渣可提高沥青路面的稳定性、弹性模量、抗拉强度、抗水损害能力和抗永久性变形性。 此外，钢渣作沥青混凝土粗集料，还可以提高混凝土的电导率，用于停车场、高速公路、桥梁、飞机场除雪。

　　我国对钢渣作沥青混凝土集料的研究始于20世纪80年代。 安定性良好的钢渣破碎后，具有比重大，硬度高，表面粗糙，稳定性好，耐磨损，耐腐蚀，与沥青结合牢固，沥青包裹后能防止钢渣膨胀，因此在公路铁路、工程回填等工程中应用较多。 姜从盛等利用钢渣作沥青混凝土的耐磨集料，发现耐磨性可提高35%以上，混凝土的抗压、抗折强度、弹性模量以及耐久性都有所提高， 在2009年为迎接国庆60周年的北京长安街大修工程中，就采用钢渣代替玄武岩用于沥青路面表层。 在武黄高速公路大修工程中，吴等将钢渣用于沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA），并对钢渣SMA混合料沥青路面表层的性能进行了跟踪测试，发现使用2年后，未出现开裂、松散等路面病害现象，表现出了良好的抗滑特性和路用性能。

　　（2） 建筑砂浆

　　在钢渣作砂浆集料方面，Nicola Faraone等用钢渣砂作砂浆集料，研究了粒径对砂浆抗压强度的影响，研究表明：保持砂浆的和易性不变的情况下， 选择大粒径的钢渣可以减小用水量，降低水灰比，提高砂浆的抗压强度。

　　武汉钢铁集团的甘万贵等用不同粒径的武钢钢渣等体积替代石英砂配制干混砂浆，研究表明：粒径小于1.18mm的钢渣砂配制的干混砂浆， 可满足干混砂浆对力学性能和膨胀性能的要求；粒径小于0.6mm时，可用来制备满足力学和工作性能要求的抗裂砂浆。 熊付刚用不同比例的钢渣代砂制备砂浆，对其干缩性能和抗冻性能进行了试验研究。 研究表明在钢渣掺量较小时， 钢渣砂浆与普通砂浆的自然养护干燥收缩值比较接近，而砂浆的抗冻性因钢渣掺量的不同而差异很大。 张继香等用宝钢转炉滚筒渣、电炉渣替代砂配制建筑砂浆，研究表明其和易性、强度和收缩等性能均优于普通砂浆，凝结时间可达到要求。 2006年北京首钢资源综合利用科技开发公司建成30万t/年钢渣干混砂浆生产线， 全部采用首钢转炉钢渣砂，产品已广泛用于奥运工程、首都机场、全国总工会等10多个工程。

　　（3） 水泥混凝土

　　Hisham Qasrawi等用钢渣代替天然砂用作混凝土的细集料，研究结果表明，钢渣作细集料能提高混凝土的力学性能，但随着钢渣砂替代量的增加，新拌混凝土的和易性明显降低，当钢渣全部代替砂时，新拌混凝土的坍落度几乎为0。 E.Anas-tasiou等将钢渣和建筑垃圾用作混凝土集料进行了试验研究， 结果表明钢渣可较好的改善建筑垃圾对混凝土强度和耐久性的不利影响。

　　尚建丽等研究了不同钢渣取代率下C30混凝土的耐久性，结果表明掺钢渣混凝土的抗冻性、抗氯离子渗透性和抗碳化性均较基准混凝土好。 白敏等用钢渣等体积替代碎石配制C30钢渣混凝土，也发现钢渣混凝土的强度和耐久性总体要优于基准混凝土。戴荟郦用钢渣等体积替代粗、细集料配制C30钢渣混凝土， 结果表明混凝土的抗压强度和抗折强度明显提高。

　　在f-CaO和f-MgO对钢渣用作混凝土集料的影响方面，不少研究者也进行了研究。 周明凯、伦云霞将钢渣作细集料，在80℃水热条件下研究混凝土的体积变形， 由于生成了方镁石、Ca（OH）2和Mg（OH）2等，混凝土的体积变化随时间的增长而增长，进而研究了钢厂内预处理方式（热泼法、自然冷却法）和试验室后期处理方式 （自然陈放、8h蒸汽处理和3h压蒸处理法）对钢渣砂的膨胀组分含量和砂浆棒膨胀率的影响规律， 研究发现热泼渣安定性的改善程度大于自然渣， 压蒸处理法改善效果更显著。

　　（4） 钢渣作集料的相关标准

　　目前国内外在钢渣处理和应用方面已经制订了一系列标准（见表2），这些标准主要集中在砂浆和道路用钢渣上，具有很好的指导作用， 但钢渣用作普通混凝土集料的标准基本属于空白。

　　3、存在的问题及研究方向

　　传统的混凝土集料被视为混凝土中的惰性组分， 不参与水泥的水化反应，但对提高混凝土强度、限制微裂缝的发生或扩展及增加混凝土的体积稳定性起到不可或缺的作用。 从目前的研究成果来看， 钢渣作为混凝土集料对力学性能和耐磨性能的提高已被众多的研究所证实， 表明钢渣作混凝土集料具有一定的可行性，但仍需从以下几个方面进行深入研究。

　　（1） 钢渣的预处理工艺优化。 包括钢渣的磁选、分级及钢渣集料最佳粒径的设计和试验研究。

　　（2） 钢渣中含有数量较 多的活性组分 ， 当作为混凝土集料—特别是粗集料时，在混凝土中的化学行为及机理。

　　（3） 钢渣中有害成分f-CaO、f-MgO，一般采用陈化或将其磨细的方法进行消解，但对于用作集料的大粒径钢渣，在不破坏钢渣颗粒形貌和粒径的情况下如何避免混凝土在硬化后期产生膨胀开裂是需解决的关键问题之一。

　　（4） 钢渣用于大流动性混凝土时 ，混凝土工作性能的保持能力与泵送性能。

　　（5） 钢渣具有一定的孔隙率 ，存在于钢渣中的孔隙势必对混凝土的耐久性和长期性能产生影响， 特别是抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀性能。另一方面，吸水后的钢渣集料可在混凝土凝结硬化过程中起到内养护的作用， 这种内养护效应对早期自收缩较大的高强混凝土是否具有补偿收缩作用也是有待研究的问题；

　　（6） 钢渣混凝土具有良好的导电性能和压敏性能研究，在实现混凝土的安全健康监测和自适应控制、 混凝土病害主动报警上有着较好的前景。

　　4、结语

　　钢渣的处置技术和资源化利用是衡量现代钢铁工业技术进步的重要标志， 通过技术创新将工业固体废弃物与建材行业结合，是钢渣资源化利用的必由之路。 目前，钢渣用作混凝土集料的研究已取得了一定的进展，但还有很大的发展空间，需要不断解决应用中的问题，提高技术水平，完善相关标准，实现钢渣在混凝土中的大宗利用。