淺談鋼渣在混凝土和砂漿中的應用情況及體積穩定性不良問題

宋笑，趙林林

（1. 北京砼享未來工程技術研究院，北京 100024；2. 沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168）

1 鋼渣現狀

鋼渣是煉鋼過程中的一種副產品。它由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物以及這些氧化物與熔劑反應生成的鹽類所組成。鋼渣產生率為粗鋼產量的15% 左右，中國的鋼渣產生量隨著鋼鐵工業的快速發展而迅速遞增，2012年中國鋼產量約6.6億噸，鋼渣產量約1億噸，2018年中國鋼產量約11億噸，鋼渣產量約1.7億噸。鋼渣存儲量逐年增加，再生利用卻微乎其微。因此，鋼鐵企業廢渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。

國家“十一五”發展規劃中指出，鋼渣的綜合利用率應達86% 以上，基本實現“零排放”。然而，中國綜合利用的現狀與該規劃相差甚遠，尤其是素有“劣質水泥熟料”之稱的轉爐鋼渣的利用率僅為10%～20%。國內鋼鐵企業產生的鋼渣不能及時處理，致使大量鋼渣占用土地，污染環境。

2 鋼渣成分及對混凝土體積穩定性的影響

鋼渣含豐富的鈣硅，主要成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO（游離氧化鈣）、f-MgO（游離氧化鎂）等。

鋼渣實際上算是一種熟料，鋼渣的礦物組成以 C3S為主，其次是 C2S、RO 相（FeO、MgO、MnO 形成的固熔體）、C2Fe（鐵酸二鈣）、f-CaO 等。分電爐鋼渣、平爐鋼渣、轉爐鋼渣三種。

鋼渣的礦物組成與化學成分有關，特別取決于鋼渣的堿度（CaO/[SiO2+P2O5] 質量比），低堿度鋼渣中，主要成分為氧化鐵，并固溶有氧化錳、氧化鈣。高堿度鋼渣中，主要成分為氧化鎂、氧化亞鐵、氧化錳組成的固溶體。在低堿度鋼渣中，氧化鎂以薔薇輝石礦物存在；在高堿度鋼渣中，大部分氧化鎂存在于二價金屬離子氧化物中，小部分氧化鎂可能以游離態（f-MgO）存在。但在不同堿度鋼渣中，均有 f-CaO 存在。f-CaO、f-MgO 會導致鋼渣的體積穩定性不良，對混凝土和砂漿的體積穩定性造成致命傷害。

3 鋼渣與礦渣的區別

兩者都是鋼鐵工業的副產品，礦渣是一種非常成熟的、幾乎沒有副作用的混凝土摻合料，而鋼渣卻因副作用很大，資源化綜合利用率很低。高爐爐渣（簡稱礦渣）是冶煉生鐵時從高爐中排出的熔融硅酸鹽類物質。高爐冶煉時，從爐頂加入鐵礦石、燃料（焦煤）及熔劑（石灰石、白云石）等，當爐內溫度達1400～1500℃時，物料熔化變為液相，在液相中浮在鐵水上的熔渣，通過排放就是高爐爐渣。高爐爐渣有三種處理方式：自然冷卻變為堅硬的干渣；用水淬將高溫液態爐渣擊碎，變為松散的水渣；用蒸汽或壓縮空氣將高溫液態爐渣擊散，變為蓬松的渣棉。我們常用的礦渣摻合料就是由水渣磨細制成。

4 鋼渣處理方式及對鋼渣體積穩定性影響的比較[1]

目前國內鋼渣主要處理工藝有：熱潑法、風淬法、滾筒法、粒化輪法、熱悶法。其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用，其工作原理和優缺點如下：

4.1 熱潑法

4.1.1 渣線熱潑法

將鋼渣傾翻，噴水冷卻3～4天后使鋼渣大部分自解破碎，運至磁選線處理。此工藝的優點在于對渣的物理狀態無特殊要求、操作簡單、處理量大。

其缺點為占地面積大、澆水時間長、耗水量大，處理后渣鐵分離不好、回收的渣鋼含鐵品位低、污染環境、鋼渣穩定性不好、不利于尾渣的綜合利用。

4.1.2 渣跨內箱式熱潑法

該工藝的翻渣場地為三面砌筑并鑲有鋼坯的儲渣槽，鋼渣罐直接從煉鋼車間吊運至渣跨內，翻入槽式箱中，然后澆水冷卻。此工藝的優點在于占地面積比渣線熱潑法小、對渣的物理狀態無特殊要求、處理量大、操作簡單、建設費用比熱悶法裝置少。

其缺點為澆水時間24h 以上、耗水量大，污染渣跨和煉鋼作業區、廠房內蒸汽大，影響作業安全，鋼渣穩定性不好，不利于尾渣綜合利用。

4.2 滾筒法

高溫液態鋼渣從溜槽流淌下降時，被高壓空氣擊碎，噴至周圍的鋼擋板后落入下面水池中。此工藝的優點在于流程短、設備體積小、占地少、鋼渣穩定性較好、渣呈顆粒狀、渣鐵分離好、渣中 f-CaO 含量小于4%（質量分數，下同），便于尾渣在粗放建材行業的應用。

本研究顯示術后平均住院日兩組差異有統計學意義，但差異只有2 d，是可以接受的。本研究只是單純的以年齡劃分，無差異化的研究分析了ERAS方案對老年患者的安全性及可行性，存在一定的局限性。接下來的研究中，會對老年患者存在的合并癥、一般并發癥等進行分層統計分析，以便明確是否需要個體化實施。本研究的另一客觀局限性是選擇年齡70歲的臨界值；由于對老年患者的定義尚未確定，本研究參考世界衛生組織[23]和大腸癌協作組[24]的數據，定義老年為70歲及以上者。在現有的文獻中，1/3的研究臨界值為70歲，其余的研究年齡臨界值選擇75歲或80歲[25]。

其缺點為對渣的流動性要求較高、必須是液態稀渣、渣處理率較低、仍有大量的干渣排放、處理時操作不當易產生爆炸現象。

4.3 熱悶法

待熔渣溫度自然冷卻至300～800℃ 時，將熱態鋼渣傾翻至熱悶罐中，蓋上罐蓋密封，待其均熱半小時后對鋼渣進行間歇式噴水。急冷產生的熱應力使鋼渣龜裂破碎，同時大量的飽和蒸汽滲入渣中與 f-CaO、f-MgO發生水化反應使鋼渣局部體積增大從而令其自解粉化。

此工藝的優點在于渣平均溫度大于300℃ 均適用，處理時間短（10～12h），粉化率高（粒徑20mm 以下者達85%），渣鐵分離好，渣性能穩定，f-CaO、f-MgO 含量小于2%，理論上可用于建材和道路基層材料。

其缺點是需要建固定的封閉式內嵌鋼坯的熱悶箱及天車廠房，建設投入大、操作程序要求較嚴格、冬季廠房內會產生部分蒸汽。

4.4 三大工藝處理的鋼渣穩定性比較

三大工藝處理的鋼渣，最適合用于混凝土、砂漿中的鋼渣是經過熱悶法處理的鋼渣，這種鋼渣的體積穩定性相對其他幾種處理方式要好，但也一樣含有2% 左右的 f-CaO、f-MgO，其中 f-CaO 含量仍然大于 GB/T21372—2008《硅酸鹽水泥熟料》對 f-CaO 含量≤1.5%的限定要求，況且還有 f-MgO 存在（GB/T21372—2008只限定 MgO 含量≤5%，若安定性合格，MgO 含量可放寬到≤6%，沒提 f-MgO）。所以，如果不經過穩定性處理，直接用于混凝土和砂漿，沒有一種鋼渣是完全安全的。

最常見的穩定性處理方式是用煤矸石或粉煤灰作改性劑[2]，在高溫800℃ 條件下，通過煤矸石或粉煤灰中的 SiO2、Al2O3，將鋼渣中的 f-CaO、f-MgO 吸收反應掉，但是吸收反應完全程度存在爭議，有待進一步探索。

5 影響鋼渣安定性的因素[3]

5.1 f-C a O 對鋼渣安定性的影響

鋼渣中絕大多數 CaO 都參與反應生成了硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等活性礦物，以此類化合態形式存在的 CaO 不影響鋼渣安定性。只有少量的 CaO 以游離態形式存在，f-CaO 水化生成 Ca(OH)2，體積增大1.98倍，國內外一致認為這是導致鋼渣安定性不良的主要原因。鋼渣中的 f-CaO 經歷了1600℃ 高溫煅燒，其礦物結晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的 FeO、MgO、MnO，被稱為“死燒”的 CaO，水化速率緩慢，往往在混凝土硬化數月乃至數年后進行緩慢水化反應，將混凝土脹裂。鋼渣中 f-CaO 含量在1%～7%。

5.2 RO 相與方鎂石晶體（Mg O）、F e O 對鋼渣安定性的影響

根據 MgO/FeO 的比值，可將含 Mg 的 RO 相分為貧 Mg 方鐵石、富 Mg 方鐵石、鐵方鎂石、方鎂石四類。壓蒸試驗證明，四類 RO 相安定性不同。不含 FeO的 RO 相（方鎂石）在2MPa 下壓蒸3h，MgO 轉變為Mg(OH)2，硬化漿體有可見裂縫，安定性嚴重不良；貧Mg 方鐵石即使在5MPa 下壓蒸72h，仍未水化反應，安定性良好；富 Mg 方鐵石和鐵方鎂石在壓蒸條件下會發生水化反應，產生的微膨脹對鋼渣制品安定性影響不大。可見含 Mg 的 RO 相安定性受 MgO/FeO 比值影響，比值越小，RO 相安定性越好。

試驗研究證明，RO 相不是絕對惰性，當鋼渣中MgO 含量超過某一臨界值，在壓蒸條件下會與水反應產生膨脹，使鋼渣安定性不良。

5.3 F e S、Mn S 對鋼渣安定性的影響

鋼渣中 FeS、MnS 一般含量較少，當鋼渣中硫含量大于3% 時，鋼渣中的硫化亞鐵、硫化亞錳水化生成Fe(OH)2、Mn(OH)2，體積分別增大1.4倍、1.3倍。所以，當鋼渣中 S 含量大于3% 時，一般就會出現鋼渣安定性不良。

5.4 鐵粒對鋼渣安定性的影響

在鋼渣破碎磁選過程中可以除去大部分金屬鐵，但仍有少量鐵存在，鋼渣水泥標準 YB/T022—2018《用于水泥中的鋼渣》規定，用于生產鋼渣水泥的鋼渣，其金屬鐵含量必須低于2.0%（YB/T022—1992版規定低于1.0%）。研究發現，當鋼渣微粉中金屬鐵粒含量在2.2% 以上時，壓蒸試驗安定性不合格。

6 鋼渣在混凝土和砂漿中的應用情況和應用方式

一直以來，由于鋼渣的安定性問題，鋼渣在混凝土和砂漿中的應用很零散，不成規模，應用也很不規范，甚至概念模糊：如以前對凡用了鋼渣的都統稱為鋼渣混凝土/砂漿。一般地按鋼渣的使用方式分四種類型比較合適：鋼渣水泥混凝土/砂漿；鋼渣復合料混凝土/砂漿；鋼渣摻合料混凝土/砂漿；鋼渣骨料混凝土/砂漿。

6.1 鋼渣水泥混凝土/砂漿

是指將鋼渣磨細當混合材加入水泥中，配制成鋼渣硅酸鹽水泥（GB13590—2006），用鋼渣水泥配制的混凝土/砂漿。將鋼渣制成水泥使用，鋼渣的體積穩定性不良對混凝土和砂漿的安定性影響最低，但鋼渣的易磨性較差、鋼渣和外加劑的適應性較差。

6.2 鋼渣復合料混凝土/砂漿[4]

是指由鋼渣復合料配制成的混凝土/砂漿。鋼渣復合料（GB/T28294—2012）由鋼渣與復合劑組成，鋼渣指轉爐鋼渣經穩定處理后，通過4.75mm 方孔篩的尾渣。復合劑由礦渣、二水石膏、硅酸鹽水泥熟料按一定比例磨細制成的粉體材料。鋼渣復合料適用于道路混凝土、普通砂漿、自承重結構混凝土。這種混凝土/砂漿的膠凝材料和細骨料為鋼渣復合料，一般不再添加其他膠凝材料（包括水泥）和細骨料。鋼渣作為細骨料有級配要求，類同于國標 GB/T14684—2011《建設用砂》的 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 區要求。鋼渣復合料實際上就是一種加入了鋼渣細骨料的膠凝材料，分四個強度等級：SC32.5、SC42.5、SC52.5、SC62.5。

鋼渣復合料到目前還沒有被攪拌站接受，沒有用于預拌混凝土，也沒有應用到承重結構混凝土，但有少量應用于道路混凝土，少量干混砂漿廠在小范圍使用。

6.3 鋼渣摻合料混凝土/砂漿

是指由符合 YB/T022—2018標準規定的轉爐或電爐鋼渣（簡稱鋼渣），經磁選除鐵處理后粉磨達到一定細度的產品，一般稱鋼渣粉（GB/T20491—2017）。用鋼渣粉取代部分水泥或粉煤灰、礦粉配制的混凝土/砂漿。

細磨加工不僅使渣粉顆粒減小，增大其比表面積，使渣粉中的大部分 f-CaO、f-MgO 能與水泥同步水化以提高鋼渣粉穩定性，還伴隨著鋼渣晶格結構及表面物化性能變化，使粉磨能量轉化為渣粉的內能和表面能，提升鋼渣活性。但鋼渣摻合料中的 f-CaO、f-MgO 并不能全部保證與水泥同步水化，還有小部分要延遲水化，延遲水化時間可能長達數月甚至數年，給混凝土/砂漿體積安定性埋下隱患。

6.4 鋼渣骨料混凝土/砂漿

就是利用沉年鋼渣做為重骨料，根據容重要求，合理級配，由膠凝材料加鋼渣或部分巖石骨料配制成的混合物，一般用于房心配重回填，水位較高地區用于抗浮配重，一般不用于結構混凝土。但近來因為普通砂石骨料的緊缺，有人用鋼渣代替砂石骨料生產普通混凝土和砂漿，因鋼渣中存在 f-CaO、f-MgO、FeS、MnS 及金屬鐵粒等體積穩定性不良的組分，這些不良組分經過高溫煅燒呈“死燒”狀態，水化非常緩慢，在混凝土或砂漿硬化數月甚至數年后，在混凝土或砂漿堿性環境中，當溫濕度滿足要求時，它們會進行水化反應產生體積膨脹，對混凝土和砂漿結構產生破壞，出現爆點、開裂、剝離、脫落等質量事故，造成重大損失。

7 鋼渣混凝土/砂漿體積穩定性不良的典型案例

鋼渣體積穩定性不良造成的混凝土后期脹裂、剝離、脫落，砂漿后期鼓包、爆裂、脫落等質量事故，近幾年呈上升趨勢。究其原因，主要是近兩年來，砂石骨料供應特別緊張且價格居高不下，每當遇到環保督查嚴格時砂石往往現金難求，市面上凡具有砂顆粒形狀的物質都被當作砂在用，導致近幾年“雜燴砂”一直盛行。通過熱悶法處理的鋼渣粉化率高（粒徑20mm 以下者達85%），這種鋼渣看起來就是一種具有較好粒徑、級配和一定強度的“鋼渣砂”，這種鋼渣砂都不用篩分就可以直接用于混凝土，適當破碎、篩分就可以用于砂漿。這種鋼渣砂相對于正品機制砂有價格優勢，一部分是攪拌站和干混砂漿廠自己采購的，一部分以混合砂（與其他砂搭配一起出售）的形式出現在市面上。

去年以來，筆者參與過十多起這樣的質量事故調查分析處理，下面就混凝土和砂漿爆裂事故談一些典型案例，供同行借鑒。

7.1 鋼渣摻合料混凝土開裂案例

LF 小區三期 * 號棟，地下2層、地上33層。混凝土由 J 攪拌站供應，2017年 J 攪拌站由于環保改造需要搬遷重建，混凝土由 S 攪拌站代理生產。8～9月澆筑7～10層樓板混凝土（C25）時，由于粉煤灰供應緊張，攪拌站以鋼渣磨細粉作摻合料替代粉煤灰生產混凝土，鋼渣粉摻量60kg/m3。11月陸續發現7～10層樓板開裂，回彈抽芯檢測強度基本滿足設計要求，經專家會議論證同意上層繼續施工，同時定期觀察裂縫發展，至2018年夏季，裂縫還在擴展，大多數已發展成貫穿裂縫，裂縫寬的可以塞進手指頭。通過各方論證采取的加固方案為7～10層樓板基本上全部鑿除置換重澆，攪拌站直接損失1000余萬元。

7.2 鋼渣細骨料混凝土爆裂案例

長沙某高層，層高34層，2018年6月施工的34、35、36層 C25混凝土樓板，2019年7月發現樓板出現大量爆裂點，爆裂點中心發現黑褐色細骨料，疑是鋼渣顆粒。

婁底某項目 C35樓板，2017年施工，已粉刷。約2年后，部分樓板出現混凝土表層點狀爆開現象，爆點直徑約10mm，爆點中心有一顆約2mm 褐色骨料顆粒，爆裂現象在炎熱天氣發生。

這兩個事故都是誤用了摻了鋼渣砂的混合砂造成的，無從追溯，只能攪拌站自己承受損失。

7.3 鋼渣細骨料干混砂漿爆灰案例

JHC 三期4棟高層，其中2棟整棟2棟部分樓層因干混砂漿安定性問題，內墻砂漿于2018年5月開始出現不同程度的爆灰現象，4棟建筑砂漿施工日期為2017年7～11月。據 SD 干混砂漿廠反映，由于2017年4月環保督查，全省河砂禁采，機制砂剛起步，砂石價格暴漲，砂的來源和價格不能滿足生產需求，干混砂漿廠從某鋼廠進了一批鋼渣，通過粉碎、篩分加工制成鋼渣砂用于生產干混砂漿，由于鋼渣安定性不良，導致這批使用了鋼渣砂的干混砂漿施工抹面后，約10個月發現不斷出現大面積爆灰現象，期間一度爆點如雨后春筍般生長。根據現場檢測：部分已批刮膩子或已完成面漆的內墻發現砂漿鼓包情況，鼓包基本呈倒圓錐型，爆點直徑為10～50mm、深度約4～7mm，爆點中心發現棕褐色或白色顆粒狀物質鑲嵌在砂漿基體中，且以棕褐色顆粒為主。經觀測至2019年7月將近2年爆裂情況基本穩定，通過專家評審確定以抗裂砂漿修補加固施工方案。在此次質量事故中干混砂漿廠直接損失300余萬元。

8 結束語

鋼渣作為一種存量很大、增長很快、再生利用較差的廢渣，引發的環保問題日益受到重視，變廢為寶，實現可持續發展，是人類追求的夢想。鋼渣安定性不良問題應引起摻合料、混凝土和砂漿行業的高度重視，現階段鋼渣在混凝土和砂漿中的應用應該慎重，尤其是將鋼渣當骨料使用更應引起高度重視。加大對鋼渣改性和應用的研發投入，徹底解決鋼渣體積穩定性不良問題，才是鋼渣在建材領域快速大量消納的根本出路，我們期待變鋼渣為寶的日子指日可待。