鋼渣砂在混凝土中的應用研究

王勇斌，朱麗娟，楊國輝，李海嘯，柴森濤

（運城市海鑫海天混凝土有限公司，山西 運城 043800）

0 前言

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，高溫下呈液態，緩慢冷卻后呈塊狀，一般為深灰、深褐色，其產生率約為粗鋼產量的 8%～15%。隨著我國鋼鐵工業的快速發展，鋼渣的產生量也隨之遞增，據統計，2017 年我國轉爐產鋼渣量約為 8000 萬噸，但其利用率很低，僅為 10% 左右，目前尚未利用的鋼渣存放量已高達 10 億噸。大量的鋼渣堆積不僅占用了耕地，而且鋼渣中的重金屬離子和粉塵等會向水和空氣中釋放，造成嚴重的環境污染。

混凝土是我國最大宗的建材產品，2017 年，其對骨料的需求量約為 30 億立方，隨著資源的日益枯竭及國家禁止亂采亂挖環保政策的嚴格落實，天然砂石骨料嚴重短缺，市場價格飆漲。如果能夠合理地利用鋼渣骨料代替部分天然骨料，在資源化固廢利用的同時，亦能大幅度降低混凝土的生產成本，變廢為寶，一舉兩得。

相關研究表明，鋼渣的主要化學成分為：CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、MnO、Al2O3、TiO2、P2O5等，主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣等，因其是在 1500～1700℃ 高溫下形成的，俗稱“過燒硅酸鹽熟料”，具有與水泥熟料相似的潛在水硬活性，這些優點為鋼渣在混凝土中的應用奠定了基礎。但是，由于鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣與游離氧化鎂，這些成分極不穩定，遇水后會發生化學反應，生成氫氧化鈣與氫氧化鎂，導致混凝土體積膨脹而開裂破壞，只有當游離氧化鈣與游離氧化鎂消解完畢或含量很少時，體積才會穩定，因此鋼渣的安定性成為其能否大量作為骨料在混凝土中應用的關鍵。本文主要研究的是鋼渣代替天然細骨料在混凝土中的應用。

1 試驗過程

1.1 原材料

（1）水泥：采用金隅冀東海天水泥聞喜有限責任公司 P·O42.5 級水泥，依據 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準，檢驗結果見表 1。

表1 水泥性能指標

（2）礦粉：采用金隅冀東海天水泥聞喜有限責任公司 S95 級礦渣粉，依據 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準，檢驗結果見表 2。

表2 礦粉性能指標

（3）粉煤灰：采用河津市龍江粉煤灰開發利用有限公司Ⅱ級粉煤灰，依據 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準，檢驗結果見表 3。

表3 粉煤灰性能指標

（4）砂：采用聞喜縣河底產機制砂（由天然巖石經機械破碎、篩分后制成）。

（5）碎石：嶺西東 5～25mm 碎石，顆粒級配等符合 GB/T 14685—2011《建設用碎石 卵石》規定要求。

（6）外加劑：采用山西金凱奇建材科技有限公司聚羧酸高性能減水劑，依據 GB 8076—2008《混凝土外加劑》標準，減水率 25%；終凝時間 16 小時。

（7）水：飲用水。

（8）鋼渣砂：采用山西省聞喜縣彤陽爐料有限公司產鋼渣砂，主要選取兩種不同陳化時間的山西建龍實業有限公司轉爐產鋼渣作為研究材料（2 年期自然陳化鋼渣和 3 月期新鋼渣），經除鐵處理、破碎、篩分后制成，其各項物理、化學指標詳見表 4，顆粒級配等基本符合 GB/T 14684—2011《建設用砂》規定要求。按照 YB/T 140—2009《鋼渣化學分析方法》進行

鋼渣砂化學成分分析，結果見表 5。

表4 鋼渣砂性能指標

表5 鋼渣砂化學成分 %

1.2 試驗方法及結果

（1）機制砂和鋼渣砂壓蒸粉化率對比試驗。

依據 GB/T 24175—2009《鋼渣穩定性試驗方法》和YB/T 4201—2009《普通預拌砂漿用鋼渣砂》標準，將試驗用機制砂和鋼渣砂各取粒徑在 2.36～4.75mm 之間的顆粒 800g，分別制成 3 個試樣，烘干后，稱取質量m0，置于壓蒸釜中，在壓力為 2.0MPa、溫度為 215.7℃的條件下壓蒸 3h，取出烘干過 1.18mm 篩，稱量篩下顆粒質量 m1，壓蒸粉化率求算公式為：

取三個試樣的算術平均值作為試驗結果，精確至0.1%。試驗結果見表 6。

（2）機制砂和 2 年期鋼渣砂混凝土配合比試配試驗。

按照 JGJ 55—2011《混凝土配合比設計規程》及實際生產經驗，以 C40 混凝土為研究對象，分別摻入20%、40%、60%、80% 和 100% 的 2 年期鋼渣砂，混凝土坍落度控制在 (200±20)mm，經計算、試拌調整，具體配合比及相關性能見表 7。

表6 壓蒸粉化率試驗結果

（3）機制砂和 3 月期鋼渣砂混凝土配合比試配試驗。

按照 JGJ 55—2011《混凝土配合比設計規程》及實際生產經驗，以 C40 混凝土為研究對象，分別摻入20%、40%、60%、80% 和 100% 的 3 月期鋼渣砂，混凝土坍落度控制在 (200±20)mm，經計算、試拌調整，具體配合比及相關性能見表 8。

S21～S24 混凝土試件壓蒸前、后照片對比見圖 1。

表7 使用 2 年期鋼渣砂混凝土配合比與性能結果

表8 使用 3 月期鋼渣砂混凝土配合比與性能結果

圖1 壓蒸前后混凝土試塊對比

2 應用研究初步分析

2.1 鋼渣壓蒸試驗的意義

由于鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣與游離氧化鎂，這些成分極不穩定，遇水后會發生化學反應，生成氫氧化鈣與氫氧化鎂，導致混凝土體積膨脹而開裂破壞。但是這個化學反應是非常緩慢的，在常溫常壓下，游離氧化鈣的水化速度約為數月，游離氧化鎂的水化速度約為數年，給工程質量的長期性造成很大的安全隱患，因此，需要采取壓蒸試驗（在壓力為 2.0MPa、溫度為 215.7℃ 的條件下壓蒸 3h）較快地進行檢驗以確保其安定性合格。

2.2 鋼渣陳化齡期對鋼渣壓蒸粉化率的影響

鋼渣壓蒸粉化率是對鋼渣安定性的表征方法之一，通過上述試驗可以看出，3 月期鋼渣砂壓蒸粉化率為 13.6%，嚴重超標；而 2 年期鋼渣砂壓蒸粉化率為5.2%，符合規定要求。

（備注：目前尚無國家或行業普通混凝土用鋼渣砂標準，可以參照中華人民共和國黑色冶金行業標準YB/T 4201—2009《普通預拌砂漿用鋼渣砂》和 YB/T 4329—2012《水泥混凝土路面用鋼渣砂應用技術規程》規定：鋼渣砂壓蒸粉化率≤5.90%）

表9 是兩種鋼渣砂的游離氧化鈣和游離氧化鎂含量。隨著鋼渣陳化時間的延長，鋼渣壓蒸粉化率大大降低。分析其原因，主要是由于鋼渣在自然環境中與外界空氣、水、陽光接觸后緩慢發生化學反應，游離氧化鈣消解量約為 40% 左右，而游離氧化鎂晶相較大，消解速度較慢，約為 20% 左右。

表9 兩種鋼渣砂的游離氧化鈣與游離氧化鎂含量

2.2 鋼渣砂摻量對混凝土性能的影響

2.2.1 拌合物性能的影響

要想獲取較好的拾音效果，在錄音前就應該對錄音的大體內容進行了解。一方面，通過對整個錄音內容的了解能夠更好地掌握錄音的整個過程，并且更加合理地安排錄音的時間和場所；另一方面，通過事先了解錄音的內容我們能夠更好地與相關人員進行溝通，這樣能夠了解他們講話的習慣，并且根據他們的習慣制定合理的錄音方案。尤其在錄制音樂作品時，提前了解音樂作品的內容和形式對于拾音的過程十分重要。通過事先了解錄音內容和特點能夠幫助我們更好地為錄音工作做準備。

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》標準進行檢驗，與機制砂混凝土相比，鋼渣砂混凝土的和易性良好，但隨著鋼渣砂摻量的增加，混凝土的表觀密度逐漸增大，由 2350kg/m3增加到2500kg/m3左右，因此在混凝土配合比設計及供應、結算時應予以注意。

其次，鋼渣砂混凝土容重較大，故混凝土坍落度應以滿足泵送施工為宜，不宜過大。應適當提高砂率以減少泌水和離析傾向，但砂率的提高以滿足混凝土和易性為宜。

三是隨著鋼渣砂摻量的增加，混凝土坍落度損失稍大，應適當增加 0.1%～0.2% 的外加劑摻量予以調整。

2.2.2 力學性能的影響

按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》標準進行檢驗，隨著鋼渣砂摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸提高。當鋼渣砂摻量為 100%時，混凝土 28d 抗壓強度提高 2～3MPa 左右。分析其原因，主要是因為鋼渣骨料的表面粗糙且多棱角、外形易咬合、與水泥石黏結力好、石粉含量低，同時鋼渣中的硅酸二鈣、硅酸三鈣等也參與了混凝土水化反應，增加了混凝土的致密性，從而提高了混凝土的抗壓強度。

2.2.3 長期性能和耐久性能的影響

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》標準進行檢驗，與機制砂混凝土相比，鋼渣砂混凝土的抗滲性、抗凍性等長期性能和耐久性指標均相應提高。

采用上述編號為 S1、S6 的混凝土抗滲試件，分別在 2.0MPa 壓力下恒壓 48h。結果是其試件上端面無一滲水。劈開試件，測量其最大滲水高度，結果見表10。

表10 混凝土試件最大滲水高度

從表 10 可知，在 2.0MPa 的壓力下，其試件上端面無一滲水，且最大滲水高度都較小。這充分說明摻入鋼渣砂的混凝土具有相當良好的抗滲性。

（2）提高混凝土的抗凍性。

采用上述編號為 S1、S6 的混凝土抗凍試件，同時進行混凝土反復凍融循環試驗，在冷凍和融化過程中，試件中心最低和最高溫度分別控制在 (-18±2)℃和 (5±2)℃ 內。經 200 次反復凍融循環后，結果見表11。

表11 混凝土抗凍性能試驗結果

從表 11 可知，經 200 次反復凍融循環后，其試件達到“相對動彈性模量為 60% 以上，試件的質量損失率小于 5%”的規定要求，這充分說明摻入鋼渣砂的混凝土具有相當良好的抗凍性。

（3）提高混凝土的抗裂性。

混凝土在硬化過程中，由于化學減縮、冷縮和干縮等原因會引起體積收縮，其收縮值為自身體積的 0.04%左右。這些收縮會給混凝土的體積穩定性帶來很大的危害。經試驗表明，摻入鋼渣砂混凝土，會產生適度的微膨脹。在鋼筋和骨料的約束下，可產生一定的預壓應力，以抵消混凝土在硬化過程產生的拉應力，補償部分水化熱引起的溫度應力，減少和避免混凝土裂縫的產生。

（4）延長混凝土結構的使用壽命。

Mehta（美特）整體論模型指出：“一個不透水但存在微裂縫且多孔的混凝土→經侵蝕冷熱循環、干濕循環→混凝土結構微裂縫增加、相連→水的滲入，有害物質侵蝕→混凝土膨脹、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、水結冰、硫酸鹽侵蝕使混凝土強度和剛度降低→開裂破壞與整體性喪失。”

模型清楚地表明：混凝土的不透水性是任何物理、化學破壞過程中的第一道防線。因此，鋼渣砂在混凝土中的應用對混凝土的可持續發展（即節約利用混凝土原材料，提高混凝土結構耐久性）有著非常重要的意義。

2.3 鋼渣陳化齡期對混凝土壓蒸安定性的影響

由上述試驗可知，2 年期鋼渣砂摻量 20%～100%時混凝土試件壓蒸后狀態均正常，壓蒸后抗壓強度損失率與機制砂基本一致，均為 16% 左右。但 3 月期鋼渣砂摻量 20% 時即出現局部爆裂、掉渣、坑窩等質量現象，隨著摻量的增加，出現掉塊，甚至是粉化的嚴重質量問題，這與新鋼渣砂中游離氧化鈣和游離氧化鎂的含量偏高有關，反應方程式如下：

f-CaO+H2O→Ca(OH)2（體積膨脹率 98%）f-MgO+H2O→Mg(OH)2（體積膨脹率 148%）

由此可見，鋼渣中的游離氧化鈣與游離氧化鎂與水發生化學反應，造成體積的極大膨脹，對混凝土安定性造成嚴重危害，因此使用時應選用 2 年期以上的陳化鋼渣砂，嚴禁使用未經陳化處理的新鋼渣砂。

3 特別提示

在國家標準 GB/T 32546—2016《鋼渣應用技術要求》中，以及黑色冶金行業標準 YB/T 4201—2009《普通預拌砂漿用鋼渣砂》和 YB/T 4329—2012《水泥混凝土路面用鋼渣砂應用技術規程》中，對鋼渣用作骨料只涉及了砂漿（細骨料），磚和砌塊（細骨料和粗骨料）、瀝青混合料（粗骨料）、路基和回填用集料，且非常注重其安定性問題。至于尚未涉及工程結構用混凝土，原因可能為鋼渣骨料的不均勻性可能導致游離氧化鈣和游離氧化鎂集中在部分骨料中，難以 100% 保證該批次鋼渣骨料的質量，極少量的游離氧化鈣和游離氧化鎂含量高的鋼渣骨料就會對混凝土造成諸如“爆裂”、“掉渣”、“坑窩”等損傷，給工程帶來很大的質量隱患，因此，對于普通混凝土用鋼渣砂，應制訂嚴格的應用標準，設計嚴格的取樣、檢驗制度，以確保混凝土的質量。

4 工程應用

聞喜縣某公司廠區路面硬化工程，設計要求強度等級 C40。按如下配合比進行拌制鋼渣混凝土：水泥340kg，粉煤灰 60kg，2 年期以上鋼渣砂 950kg，碎石1062kg，水 180kg，外加劑 8.0kg。制備方法與普通混凝土的生產工藝一致，只需要在混凝土攪拌樓原基礎上空出一個原料倉存放及計量即可。混凝土拌制后，和易性良好，不離析、不泌水，黏聚性好且不沉淀，易于振搗、成型，且施工單位準備充分，施工工藝合理，本次施工非常順利，各項指標均達到設計和使用要求，結果評定為合格，受到甲方與監理的一致好評。

5 結論

（1）2 年期以上陳化鋼渣砂按不同比例代替天然機制砂是可行的，且能在一定程度上提高混凝土的拌合物性能、力學性能和長期及耐久性能。

（2）3 月期新鋼渣砂中游離氧化鈣和游離氧化鎂的含量偏高，會導致混凝土的膨脹破壞，因此應嚴禁使用新鋼渣砂。

（3）通過鋼渣壓蒸粉化率試驗（標準：壓蒸粉化率≤5.90%）和鋼渣混凝土壓蒸粉化率試驗（標準：壓蒸后試件狀態正常，抗壓強度損失率 16% 左右）對鋼渣加以選擇和進廠質量控制是簡單、有效的。

（4）目前，在運城市場，天然機制砂的價格約為60 元/m3，而應用鋼渣砂代替，混凝土單方成本可以降低 30 元左右。

（5）在混凝土中應用鋼渣砂達到一定比例和數量后，可享受資源化利用免稅政策。

（6）鋼渣骨料在混凝土中的應用在我國尚處于起步階段，更多的科學數據需進一步試驗。讓我們共同努力把混凝土做好，把固廢綜合利用做好，相信未來鋼渣骨料在混凝土中的應用一定會更成熟、更廣泛。