鋼渣作混凝土集料研究進展

陳國福，陳希才，尹亞柳，焦文容

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400015；2重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）

鋼渣是煉鋼轉爐或電爐產生的一種工業副產品，是冶金工業的頭號廢渣。全球每年排放鋼渣1～1.5億t，我國鋼渣年排放量達到90Mt以上，但利用率只有22%[1]，遠低于發達國家。鋼渣堆積占用大量的土地，造成資源浪費、環境污染，亟需進行綜合治理，探尋資源化利用的有效途徑。

全國各地鋼渣質量狀況和利用水平不盡相同。在重慶地區，鋼渣主要用作回填、低等級市政道路路基工程和生產磨細鋼渣粉，近年來鋼渣品質與活性受各種因素影響逐漸降低，在水泥和混凝土企業越來越依賴于高活性摻合料的情況下，這種品質上的劣化正成為一種潛在的風險，鋼渣的總體消耗量受到一定的影響。

另一方面，重慶市混凝土行業對砂石集料的需求量非常大，經過多年的開采，天然集料日益匱乏，砂石價格上漲，質量持續變差，攪拌站在生產高強或超高強混凝土時往往難以找到優質的集料，目前較多的研究試圖利用鋼渣的某些特性，將其用作高強混凝土集料，這是混凝土從業者為實現鋼渣的大宗利用而進行的一種嘗試。

1 鋼渣的基本性能

鋼渣的化學成分隨爐型、鋼種和預處理方法的不同而有所差異。目前我國排放的鋼渣70%以上都為轉爐鋼渣，典型化學成分見表1。唐明述院士等[2]對鋼渣的理化性質做了比較系統的研究，認為鋼渣化學組成主要為CaO、SiO2、Fe2O3、FeO、Al2O3、MgO和一定數量的單質Fe，從化學組成上看鋼渣具有潛在活性，可在一定程度上參與水泥的水化反應，改善混凝土-集料的界面結構，提高混凝土的耐久性；此外，鋼渣中含鐵相固熔體、橄欖石等耐磨性好的礦物，使其具有優良的耐磨、耐沖擊性能；鋼渣顆粒表面粗糙且多棱角，可增強其與水泥石的結合力，鋼渣的這些性質使其具有用作混凝土集料的可能性。

表1 鋼渣的典型化學成分（%）

但另一方面，鋼渣是在1560℃以上形成的廢渣，其中含有死燒的f-CaO和f-MgO，遇水后水化生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，體積增大產生膨脹應力，易產生安定性不良，在混凝土硬化后期緩慢水化引起開裂破壞。此外，鋼渣孔隙率大，吸水量較高，拌制混凝土時易吸附水和外加劑，影響混凝土工作性能，間接影響混凝土強度。研究表明通過將鋼渣磨細至一定比表面積可有效降低其不利影響，但如果鋼渣作為混凝土集料，對混凝土的長期穩定性勢必會成為一個長期存在的隱患，對鋼渣作混凝土集料展開系統研究，既是現實之需，也是節能減排政策的要求。

2 鋼渣作集料的研究現狀

鋼渣的應用研究始于20世紀初期，但各國的研究深度和范圍各有不同。美國在20世紀70年代初就已基本實現了鋼渣的全部利用，而我國對鋼渣作集料的研究始于20世紀80年代。近30年來，各國對鋼渣用作混凝土集料已進行了相關研究[3]，主要集中在市政道路、建筑砂漿和水泥混凝土三個領域：

（1）市政道路

國外鋼渣作集料的應用研究起步較早，但研究主要集中在鋼渣作瀝青混凝土骨料或用于低等級道路工程。美國約有60%的鋼渣用于道路工程，1998年德國將97%鋼渣作為集料用于路基或路面。研究者對鋼渣用作瀝青混凝土集料的可行性進行相關研究，德國的礦渣和鋼渣研究協會（FEhS）用30年時間系統研究了轉爐鋼渣和電爐鋼渣作集料的各項性能，研究表明鋼渣在抗壓等性能方面優于玄武巖、礫石等集料。Ameri M[4]等評估了鋼渣代替天然集料的有效性，結果表明鋼渣可提高瀝青路面的穩定性、彈性模量、抗拉強度、抗水損害能力和抗永久性變形性。此外，鋼渣作瀝青混凝土粗集料，還可以提高混凝土的電導率，用于停車場、高速公路、橋梁、飛機場除雪[5]。

我國對鋼渣作瀝青混凝土集料的研究始于20世紀80年代。安定性良好的鋼渣破碎后，具有比重大，硬度高，表面粗糙，穩定性好，耐磨損，耐腐蝕，與瀝青結合牢固，瀝青包裹后能防止鋼渣膨脹，因此在公路鐵路、工程回填等工程中應用較多。姜從盛等[6]利用鋼渣作瀝青混凝土的耐磨集料，發現耐磨性可提高35%以上，混凝土的抗壓、抗折強度、彈性模量以及耐久性都有所提高，在2009年為迎接國慶60周年的北京長安街大修工程中，就采用鋼渣代替玄武巖用于瀝青路面表層。在武黃高速公路大修工程中，吳等[7]將鋼渣用于瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA），并對鋼渣SMA混合料瀝青路面表層的性能進行了跟蹤測試，發現使用2年后，未出現開裂、松散等路面病害現象，表現出了良好的抗滑特性和路用性能。

（2）建筑砂漿

在鋼渣作砂漿集料方面，Nicola Faraone等[8]用鋼渣砂作砂漿集料，研究了粒徑對砂漿抗壓強度的影響，研究表明：保持砂漿的和易性不變的情況下，選擇大粒徑的鋼渣可以減小用水量，降低水灰比，提高砂漿的抗壓強度。

武漢鋼鐵集團的甘萬貴[9]等用不同粒徑的武鋼鋼渣等體積替代石英砂配制干混砂漿，研究表明：粒徑小于1.18mm的鋼渣砂配制的干混砂漿，可滿足干混砂漿對力學性能和膨脹性能的要求；粒徑小于0.6mm時，可用來制備滿足力學和工作性能要求的抗裂砂漿。熊付剛[10]用不同比例的鋼渣代砂制備砂漿，對其干縮性能和抗凍性能進行了試驗研究。研究表明在鋼渣摻量較小時，鋼渣砂漿與普通砂漿的自然養護干燥收縮值比較接近，而砂漿的抗凍性因鋼渣摻量的不同而差異很大。張繼香等[11]用寶鋼轉爐滾筒渣、電爐渣替代砂配制建筑砂漿，研究表明其和易性、強度和收縮等性能均優于普通砂漿，凝結時間可達到要求。2006年北京首鋼資源綜合利用科技開發公司建成30萬t/年鋼渣干混砂漿生產線，全部采用首鋼轉爐鋼渣砂，產品已廣泛用于奧運工程、首都機場、全國總工會等10多個工程。

（3）水泥混凝土

Hisham Qasrawi[12]等用鋼渣代替天然砂用作混凝土的細集料，研究結果表明，鋼渣作細集料能提高混凝土的力學性能，但隨著鋼渣砂替代量的增加，新拌混凝土的和易性明顯降低，當鋼渣全部代替砂時，新拌混凝土的坍落度幾乎為0。E.Anastasiou[13]等將鋼渣和建筑垃圾用作混凝土集料進行了試驗研究，結果表明鋼渣可較好的改善建筑垃圾對混凝土強度和耐久性的不利影響。

尚建麗[14]等研究了不同鋼渣取代率下C30混凝土的耐久性，結果表明摻鋼渣混凝土的抗凍性、抗氯離子滲透性和抗碳化性均較基準混凝土好。白敏[15]等用鋼渣等體積替代碎石配制C30鋼渣混凝土，也發現鋼渣混凝土的強度和耐久性總體要優于基準混凝土。戴薈酈[16]用鋼渣等體積替代粗、細集料配制C30鋼渣混凝土，結果表明混凝土的抗壓強度和抗折強度明顯提高。

在f-CaO和f-MgO對鋼渣用作混凝土集料的影響方面，不少研究者也進行了研究。周明凱、倫云霞[17]將鋼渣作細集料，在80℃水熱條件下研究混凝土的體積變形，由于生成了方鎂石、Ca（OH）2和Mg（OH）2等，混凝土的體積變化隨時間的增長而增長，進而研究了鋼廠內預處理方式（熱潑法、自然冷卻法）和試驗室后期處理方式（自然陳放、8h蒸汽處理和3h壓蒸處理法）對鋼渣砂的膨脹組分含量和砂漿棒膨脹率的影響規律，研究發現熱潑渣安定性的改善程度大于自然渣，壓蒸處理法改善效果更顯著。

（4）鋼渣作集料的相關標準

目前國內外在鋼渣處理和應用方面已經制訂了一系列標準（見表2），這些標準主要集中在砂漿和道路用鋼渣上，具有很好的指導作用，但鋼渣用作普通混凝土集料的標準基本屬于空白。

表2 鋼渣作集料的相關標準

3 存在的問題及研究方向

傳統的混凝土集料被視為混凝土中的惰性組分，不參與水泥的水化反應，但對提高混凝土強度、限制微裂縫的發生或擴展及增加混凝土的體積穩定性起到不可或缺的作用。從目前的研究成果來看，鋼渣作為混凝土集料對力學性能和耐磨性能的提高已被眾多的研究所證實，表明鋼渣作混凝土集料具有一定的可行性，但仍需從以下幾個方面進行深入研究。

（1）鋼渣的預處理工藝優化。包括鋼渣的磁選、分級及鋼渣集料最佳粒徑的設計和試驗研究。

（2）鋼渣中含有數量較多的活性組分，當作為混凝土集料—特別是粗集料時，在混凝土中的化學行為及機理。

（3）鋼渣中有害成分f-CaO、f-MgO，一般采用陳化或將其磨細的方法進行消解，但對于用作集料的大粒徑鋼渣，在不破壞鋼渣顆粒形貌和粒徑的情況下如何避免混凝土在硬化后期產生膨脹開裂是需解決的關鍵問題之一。

（4）鋼渣用于大流動性混凝土時，混凝土工作性能的保持能力與泵送性能。

（5）鋼渣具有一定的孔隙率，存在于鋼渣中的孔隙勢必對混凝土的耐久性和長期性能產生影響，特別是抗凍性能和抗硫酸鹽侵蝕性能。另一方面，吸水后的鋼渣集料可在混凝土凝結硬化過程中起到內養護的作用，這種內養護效應對早期自收縮較大的高強混凝土是否具有補償收縮作用也是有待研究的問題；

（6）鋼渣混凝土具有良好的導電性能和壓敏性能研究，在實現混凝土的安全健康監測和自適應控制、混凝土病害主動報警上有著較好的前景。

4 結語

鋼渣的處置技術和資源化利用是衡量現代鋼鐵工業技術進步的重要標志，通過技術創新將工業固體廢棄物與建材行業結合，是鋼渣資源化利用的必由之路。目前，鋼渣用作混凝土集料的研究已取得了一定的進展，但還有很大的發展空間，需要不斷解決應用中的問題，提高技術水平，完善相關標準，實現鋼渣在混凝土中的大宗利用。

[1]YI H，XU G，CHENG H，etc..An Overview of Utilization of Steel Slag[J].Procedia Environmental Sciences，2012，16：791-801.

[2]唐明述，袁美棲等.鋼渣中.MgO、FeO、MnO的結晶狀態[J].硅酸鹽學報，1979，7（1）： 34-49.

[3]Wang G.Determination of the expansion force of coarse steel slag aggregate.Constr Build Mater 2010（24）：1961-1966.

[4]Ameri M，Behnood A.Laboratory studies to investigate the properties of CIR mixes containing steel slag as a substitute for virgin aggregates.Constr Build Mater 2012（26）：475-480.

[5]Pervizn Ahmedzade，Burak Sengoz.Evaluation of steel slag coarse aggregate in hotmix asphalt concrete [J].Journal of Hazardous Materials，2009，165：300-305.

[6]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.

[7]Wu SP，Xue YJ，Ye QS，etc.Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt（SMA）mixtures.Build Environ 2007，42：2580-2585.

[8]Nicola Faraone，Gabriele Tonello，Erika Furlani，etc.Steelmaking slag as aggregate

for mortars：Effects of particle dimension on compression strength[J].Chemosphere，2009，77：1152-1156.

[9]甘萬貴，梁德興，趙青林，等.鋼渣砂抗裂干混砂漿在工程中的應用研究[J].商品混凝土，2011（05）：56-57，72.

[10]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，2009，01：19-22.

[11]張繼香，李啟令，徐莉，等.鋼渣代砂建筑砂漿的性能研究[J].建筑材料學報，2006（05）：623-626.

[12]QASRAWI H.The use of steel slag aggregate to enhance the mechanical properties of recycled aggregate concrete and retain the environment[J].Construction and Building Materials，2014，54：298-304.

[13]ANASTASIOU E，GEORGIADIS FILIKAS K，STEFANIDOU M.Utilization of fine recycled aggregates in concrete with fly ash and steel slag[J].Construction and Building Materials，2014，50：154-161.

[14]尚建麗，邢琳琳.鋼渣粗集料混凝土耐久性的試驗研究[A].中國土木工程學會混凝土質量專業委員會.特種混凝土與瀝青混凝土新技術及工程應用[C].中國土木工程學會混凝土質量專業委員會：2012：6.

[15]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，（07）：62-64，70.

[16]戴薈酈，陳德鵬，查坤鵬.全鋼渣集料水泥混凝土基本力學性能的試驗研究[J].建材世界，2013（06）：15-18.

[17]周明凱，蔡肖，倫云霞.水熱條件下鋼渣細集料砂漿體積變形[J].武漢理工大學學報，2009，31（4）：177-180.